Isotopi, isobari, isotoni

Atomi con lo stesso $Z$ ma diverso $N$ si chiamano isotopi (dal greco isos topos, “stesso posto” nella tavola periodica). Avendo lo stesso numero di elettroni, hanno proprietà chimiche quasi identiche, ma proprietà fisiche e di stabilità nucleare molto diverse: uno può essere perfettamente stabile e un altro fortemente radioattivo. La distinzione è fondamentale, perché è quasi sempre un singolo isotopo, e non l’elemento in generale, a essere fissile, radioattivo o utile per una datazione.

Accanto agli isotopi si definiscono, per completezza, gli isobari (stesso $A$, diverso $Z$) e gli isotoni (stesso $N$, diverso $Z$). Ma è la famiglia degli isotopi la protagonista della fisica nucleare applicata.

Esempio — Tre elementi e i loro isotopi

• Idrogeno: ${}^1$H (un solo protone, $99{,}98\%$), ${}^2$H deuterio (1 p + 1 n, $0{,}02\%$), ${}^3$H trizio (radioattivo, vita media $\sim 12$ anni).
• Uranio: ${}^{238}$U ($99{,}3\%$, vita media $4{,}5$ miliardi di anni), ${}^{235}$U ($0{,}7\%$, l’unico fissile).
• Carbonio: ${}^{12}$C (stabile, $98{,}9\%$), ${}^{13}$C (stabile, $1{,}1\%$), ${}^{14}$C (radioattivo, $\tau_{1/2} = 5730$ anni: la base della datazione archeologica).

Si noti la lezione dell’uranio: il combustibile nucleare utilizzabile è solo lo $0{,}7\%$ dell’uranio naturale. Per alimentare un reattore o costruire un’arma occorre arricchire il minerale, cioè aumentare la frazione di ${}^{235}$U rispetto al ${}^{238}$U — un processo tecnicamente arduo proprio perché i due isotopi, chimicamente gemelli, differiscono solo per la massa.

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Argomenti: Fisica nucleare Oggetti: Nucleo atomico

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