Gli atomi sono i "mattoni della materia". Tutto ciò che ha massa e occupa spazio (avendo volume) è costituito da queste minuscole unità. Questo vale per l'aria che respiri, l'acqua che bevi e il tuo corpo stesso.
Gli isotopi sono un concetto vitale nello studio degli atomi. Chimici, fisici e geologi li usano per dare un senso al nostro mondo. Ma prima di poter spiegare cosa sono gli isotopi, o perché sono così importanti, dobbiamo fare un passo indietro e considerare gli atomi nel loro complesso.
Ora è divertente
Sport e scienza si incrociano più spesso di quanto si pensi. La più grande città del New Mexico ha fondato una nuova squadra di baseball della lega minore nel 2003. Il suo nome? Gli isotopi di Albuquerque. Un riferimento a un episodio della dodicesima stagione de "I Simpson", il nome insolito della squadra ha avuto un piacevole effetto collaterale:per necessità, i dipendenti del campo da baseball distribuiscono regolarmente lezioni di chimica ai fan curiosi.
ContenutoCome probabilmente saprai, gli atomi hanno tre componenti principali, due dei quali risiedono nel nucleo. Situato al centro dell'atomo, il nucleo è un ammasso fitto di particelle. Alcune di queste particelle sono protoni , che hanno cariche elettriche positive.
È ben documentato che le cariche opposte si attraggono. Nel frattempo, corpi con carica simile tendono a respingersi a vicenda. Quindi ecco una domanda:come possono due o più protoni, con le loro cariche positive, coesistere nello stesso nucleo? Non dovrebbero allontanarsi a vicenda?
È qui che entrano in gioco i neutroni. Neutroni sono particelle subatomiche che condividono i nuclei con i protoni. Ma i neutroni non possiedono una carica elettrica. Fedeli al loro nome, i neutroni sono neutri, non essendo né carichi positivamente né negativamente. È un attributo importante. In virtù della loro neutralità, i neutroni possono impedire ai protoni di allontanarsi a vicenda dal nucleo.
In orbita intorno al nucleo ci sono gli elettroni , particelle ultraleggere con cariche negative. Gli elettroni facilitano i legami chimici e i loro movimenti possono produrre una piccola cosa chiamata elettricità. I protoni non sono meno importanti. Per prima cosa, aiutano gli scienziati a distinguere gli elementi.
Potresti aver notato che nella maggior parte delle versioni della tavola periodica, ogni quadrato ha un piccolo numero stampato nell'angolo in alto a destra sopra il simbolo dell'elemento. Questa cifra è nota come numero atomico . Dice al lettore quanti protoni ci sono nel nucleo atomico di un particolare elemento. Ad esempio, il numero atomico dell'ossigeno è otto. Ogni atomo di ossigeno nell'universo ha un nucleo con esattamente otto protoni; né più né meno.
Senza questa disposizione molto specifica delle particelle, l'ossigeno non sarebbe ossigeno. Il numero atomico di ogni elemento, compreso quello dell'ossigeno, è assolutamente unico. Non possono esistere due elementi con lo stesso numero atomico. Nessun altro elemento ha otto protoni per nucleo. Contando il numero di protoni, puoi identificare un atomo. Proprio come gli atomi di ossigeno avranno sempre otto protoni, gli atomi di azoto ne hanno invariabilmente sette. È così semplice.
I neutroni non seguono l’esempio. È garantito che il nucleo di un atomo di ossigeno ospiti otto protoni (come abbiamo stabilito). Tuttavia, potrebbe anche contenere da quattro a 20 neutroni. Isotopi sono varianti dello stesso elemento che hanno un numero diverso di neutroni (e quindi proprietà fisiche potenzialmente diverse). Tuttavia, tendono ad avere le stesse proprietà chimiche.
Ora ogni isotopo viene denominato in base al suo numero di massa , che è il numero totale combinato di neutroni e protoni in un atomo. Ad esempio, uno degli isotopi dell'ossigeno più conosciuti si chiama ossigeno-18 (O-18). Ha gli otto protoni standard più 10 neutroni.
Ergo, il numero di massa di O-18 è – avete indovinato – 18. Un isotopo correlato, l'ossigeno-17 (O-17), ha un neutrone in meno nel nucleo. O-16, poi, ha lo stesso numero di protoni e neutroni:otto. Di questo trio, O-16 e O-17 sono gli isotopi più leggeri e O-16 è anche l'isotopo più abbondante dei tre.
Alcune combinazioni sono più forti di altre. Gli scienziati classificano O-16, O-17 e O-18 come isotopi stabili. In un isotopo stabile, le forze esercitate dai protoni e dai neutroni si tengono insieme, mantenendo permanentemente intatto il nucleo.
D'altro canto, il nucleo di un isotopo radioattivo, chiamato anche "radioisotopo", è instabile e decade nel tempo. Un isotopo radioattivo ha un rapporto protoni-neutroni che è fondamentalmente insostenibile a lungo termine. Nessuno vuole rimanere in quella situazione. Pertanto, gli isotopi radioattivi perderanno determinate particelle subatomiche (e rilasceranno energia) finché non si saranno convertiti in isotopi piacevoli e stabili.
L'O-18 è stabile, ma l'ossigeno-19 (O-19) non lo è. Quest'ultimo inevitabilmente si romperà:velocemente! Entro 26,88 secondi dalla sua creazione, è garantito che un campione di O-19 perderà metà dei suoi atomi a causa del decadimento radioattivo.
Ciò significa che l'O-19 ha un'emivita di 26,88 secondi. L'emivita è il tempo necessario al decadimento del 50% di un campione isotopico. Ricorda questo concetto; lo collegheremo alla paleontologia nella prossima sezione.
Ma prima di parlare di scienza dei fossili, c’è un punto importante da sottolineare. A differenza dell'ossigeno, alcuni elementi non hanno alcun isotopo stabile. Consideriamo l’uranio, uno degli elementi radioattivi più conosciuti. Nel mondo naturale esistono tre isotopi di questo metallo pesante e sono tutti radioattivi, con i nuclei atomici in costante stato di decadimento. Alla fine, un pezzo di uranio si trasformerà in un elemento completamente diverso nella tavola periodica.
Non preoccuparti di provare a guardare la transizione in tempo reale. Il processo si svolge molto, molto lentamente.
L'uranio-238 (U-238), l'isotopo più comune dell'elemento, ha un tempo di dimezzamento di circa 4,5 miliardi di anni! A poco a poco questo diventerà piombo-206 (Pb-206), che è stabile. Allo stesso modo, l’uranio-235 (U-235), con il suo tempo di dimezzamento di 704 milioni di anni, passa al piombo-207 (Pb-207), un altro isotopo stabile. (Sia l'U-238 che l'U-235 sono esempi di isotopi presenti in natura.)
Per i geologi, questa è un'informazione davvero utile. Diciamo che qualcuno trova una lastra di roccia i cui cristalli di zircone contengono una miscela di U-235 e Pb-207. Il rapporto tra questi due atomi può aiutare gli scienziati a determinare l'età della roccia.
Ecco come:diciamo che gli atomi di piombo superano di gran lunga le loro controparti di uranio. In tal caso, sai che stai guardando una roccia piuttosto vecchia. Dopotutto, l'uranio ha avuto tutto il tempo per iniziare a trasformarsi in piombo. D'altra parte, se è vero il contrario – e gli atomi di uranio sono più comuni – allora la roccia deve trovarsi sul lato più giovane.
La tecnica che abbiamo appena descritto si chiama datazione radiometrica. Questo è l'atto di utilizzare i tassi di decadimento ben documentati degli isotopi instabili per stimare l'età dei campioni di roccia e delle formazioni geologiche. I paleontologi sfruttano questa strategia per determinare quanto tempo è trascorso da quando è stato depositato un particolare fossile. (Anche se non è sempre possibile datare direttamente l'esemplare.)
Non è necessario essere un appassionato di preistoria per apprezzare gli isotopi. I medici utilizzano alcune varietà radioattive per monitorare il flusso sanguigno, studiare la crescita delle ossa e persino combattere il cancro. I radioisotopi sono stati utilizzati anche per fornire agli agricoltori informazioni sulla qualità del suolo.
Così il gioco è fatto. Qualcosa di apparentemente astratto come la variabilità dei neutroni influenza tutto, dal trattamento del cancro ai misteri del tempo profondo. La scienza è fantastica.
