Nuclide

Un nuclide è un tipo di atomo definito dal numero specifico di protoni e neutroni nel suo nucleo, nonché dal suo stato energetico nucleare. Il termine fu introdotto nel 1947 dal fisico statunitense Truman P. Kohman, che lo descrisse come una "specie di atomo caratterizzata dalla costituzione del suo nucleo". Questa definizione originale enfatizzava il nucleo stesso.

Il concetto di nuclide differisce da quello di isotopo. Mentre gli isotopi si riferiscono ad atomi dello stesso elemento (stesso numero di protoni) con diverso numero di neutroni, il termine nuclide è stato creato per concentrarsi sulle proprietà nucleari indipendentemente dal comportamento chimico. Ad esempio, il carbonio-13 (⁶¹³C) ha 6 protoni e 7 neutroni. Sebbene "isotopo" rimanga comune in campi come la tecnologia nucleare e la medicina, "nuclide" è il termine più preciso quando si discutono le caratteristiche nucleari. In fisica nucleare, il numero di neutroni può essere importante quanto il numero di protoni, a differenza della chimica, dove il numero di neutroni ha un effetto solo minore, tranne che per idrogeno ed elio. Per l'idrogeno, l'effetto isotopico è abbastanza forte da influenzare i sistemi biologici. Per l'elio, ⁴₂He segue la statistica di Bose-Einstein, mentre ³₂He segue la statistica di Fermi-Dirac, portando a differenze significative nelle proprietà fisiche a basse temperature.

Sebbene spesso usati in modo intercambiabile, "nuclide" e "isotopo" descrivono relazioni diverse. Gli isotopi sono nuclidi con lo stesso numero di protoni (stesso elemento) ma diverso numero di neutroni. Gli isobari sono nuclidi con lo stesso numero di massa ma diverso numero atomico. Gli isotoni condividono lo stesso numero di neutroni ma differiscono nel numero di protoni. Gli isodiaferi hanno lo stesso eccesso di neutroni (N − Z). Il termine "isotone" è stato modellato su "isotopo" per evidenziare che la caratteristica costante è il numero di neutroni. Gli isomeri nucleari sono un caso speciale: sono nuclidi con lo stesso numero di protoni e numero di massa (quindi lo stesso isotopo) ma diversi stati di eccitazione. Ad esempio, il tecnezio-99m e il tecnezio-99 sono due diversi nuclidi dello stesso isotopo. L'isomero nucleare più longevo è il tantalio-180m, con un'emivita superiore a 10¹⁷ anni; si trova in natura e non è mai stato osservato decadere al suo stato fondamentale. Al contrario, il tantalio-180 allo stato fondamentale decade in circa 8 ore.

In natura esistono 251 nuclidi che non sono mai stati osservati decadere, presenti in 80 elementi con almeno un isotopo stabile. I nuclidi instabili sono radioattivi e vengono chiamati radionuclidi; i loro prodotti di decadimento sono nuclidi radiogenici.

I radionuclidi presenti in natura si dividono in tre gruppi. Il primo gruppo è costituito dai radionuclidi primordiali, con emivite sufficientemente lunghe da sopravvivere dalla formazione della Terra (circa 4,6×10⁹ anni fa), originati dalla nucleosintesi stellare prima della formazione del Sistema Solare. Ad esempio, l'uranio-238 (emivita 4,463×10⁹ anni) è ancora comune, mentre l'uranio-235 (emivita 0,704×10⁹ anni) è ora 138 volte più raro. Sono noti trentacinque di questi radionuclidi primordiali. Il secondo gruppo è costituito dai nuclidi radiogenici, come il radio-226 (emivita 1600 anni), che si formano attraverso il decadimento radioattivo all'interno delle catene di decadimento dell'uranio o del torio primordiali. Alcuni di questi, come gli isotopi del francio, hanno emivite molto brevi; circa 50 nuclidi figli esistono esclusivamente dal decadimento di nuclidi primordiali più longevi. Il terzo gruppo include i nuclidi prodotti da reazioni nucleari naturali, non da semplice decadimento spontaneo. Questi si formano quando gli atomi interagiscono con neutroni naturali (provenienti da raggi cosmici, fissione spontanea o altre fonti) o vengono direttamente bombardati da raggi cosmici. Quelli provenienti dai raggi cosmici sono chiamati nuclidi cosmogenici; gli altri, derivanti da reazioni nucleari naturali, sono nuclidi nucleogenici. I prodotti della fissione spontanea variano ampiamente ma decadono rapidamente, su scale temporali geologiche, in nuclidi primordiali o in uno dei sette prodotti di fissione a vita lunga, che si trovano quindi in natura.