Isotopi dell'idrogeno

In natura esistono tre isotopi dell'idrogeno (H): ¹H (prozio), ²H (deuterio) e ³H (trizio), mentre gli altri (da ⁴H a ⁷H) hanno un nucleo fortemente instabile che impedisce un'emivita superiore anche solo al millesimo di secondo.

Descrizione

Idrogeno-1 (prozio)

¹H (massa atomica 1,007825032241(94) u) è il più comune isotopo dell'idrogeno, con un'abbondanza isotopica del 99,985%. Poiché il suo nucleo consiste solamente in un singolo protone, gli è stato dato il nome formale di prozio. Quindi, l'unico fra gli isotopi stabili a non avere neutroni.

Idrogeno-2 (deuterio)

²H (massa atomica 2,01410177811(12) u), l'altro isotopo stabile dell'idrogeno, è conosciuto come deuterio e contiene all'interno del suo nucleo un protone ed un neutrone. La molecola che invece di due atomi di idrogeno ne ha due di deuterio (D₂O) è chiamata acqua pesante e compone in piccola parte l'acqua che utilizziamo ogni giorno.
Il deuterio è anche un potenziale carburante per i reattori a fusione nucleare.^[1]

Idrogeno-3 (trizio)

³H (massa atomica 3,01604928199(23) u) è conosciuto come trizio e il suo nucleo è composto da un protone e due neutroni. È un isotopo radioattivo e decade in elio-3 attraverso decadimento β, con un'emivita di 12,32 anni. Tracce di trizio sono presenti in natura a causa dell'interazione tra i raggi cosmici e i gas atmosferici. È stato inoltre rilasciato nell'ambiente durante i test nucleari. Esso viene impiegato per la costruzione di armi termonucleari, come in geochimica isotopica e per la produzione di sorgenti luminose radioluminescenti.
Il trizio è stato inoltre impiegato in medicina nucleare come tracciante negli esami diagnostici, ma oggi il suo utilizzo in questi esami è raro.

Idrogeno-4

⁴H è un isotopo dell'idrogeno altamente instabile. Il nucleo contiene un protone e tre neutroni. È stato sintetizzato in laboratorio bombardando delle molecole di trizio con nuclei di deuterio ad alta velocità.^[2] In questo esperimento, i nuclei di trizio hanno catturato i neutroni dei nuclei di deuterio. La presenza di idrogeno-4 è stata dedotta individuando i protoni emessi. La massa atomica di questo isotopo è di 4.027806 ± 0.000110 uma.^[3] Decade tramite emissione di neutroni e ha un'emivita di (1.39 ± 0.10) × 10⁻²² secondi.^[4]

Idrogeno-5

⁵H è un isotopo dell'idrogeno altamente instabile. Il nucleo contiene un protone e quattro neutroni. È stato sintetizzato in laboratorio bombardando delle molecole di trizio con nuclei di trizio ad alta velocità.^[2]^[5] In questo esperimento, un nucleo di trizio cattura due neutroni dell'altro, e si viene a formare un nucleo con un protone e quattro neutroni. I protoni rimanenti possono essere individuati, e quindi dedotta l'esistenza dell'idrogeno-5. Questo isotopo decade tramite emissione di neutroni e ha un'emivita di almeno 9.1 × 10⁻²² secondi.^[4] La sua massa atomica è di 5.035311 ± 0.000107 uma.^[3]

Idrogeno-6

⁶H ha un protone e 5 neutroni, tende quindi a decadere con emissione di neutroni^[6] in due possibili catene di decadimento:

⁶H → 3n + ³H → e⁺ + ³He

⁶H → n + ⁵H → 2n + ³H → e⁺ + ³He

L'idrogeno-6 ha un'emivita di 2,90×10⁻²² s che non ne permette alcun utilizzo pratico. Ha una massa atomica di 6,044942±0,000284 u.^[3]

Idrogeno-7

⁷H è formato da un protone e sei neutroni. È stato sintetizzato per la prima volta da un gruppo di ricercatori russi, giapponesi e francesi al laboratorio RIKEN bombardando dell'idrogeno con degli atomi di elio-8^[7].

Tabella degli isotopi

Massa atomica standard: 1,00794 u

simbolo	Z	N	massa isotopica (u)^[8]	emivita^[8]	spin nucleare	DM	DP	NA
¹H	1	0	1.00782503207(10)	STABILE	+1/2			99,985%
²H	1	1	2.0141017778(4)	STABILE	+1			0,015%
³H	1	2	3.0160492777(25)	12,32 anni	+1⁄2	β⁻	³He	tracce
⁴H	1	3	4.027806(111)	1,39(0.10)×10⁻²² s	-2	?	³H	-
⁵H	1	4	5.035311(107)	>9,1×10⁻²² s ?	(+1⁄2)			-
⁶H	1	5	6.044942(284)	2,90(70)×10⁻²² s	-2	n	³He	-
⁷H	1	6	7.05275(108)	2,3(6)×10⁻²³ s	+1/2			-

Catene di decadimento

La maggior parte degli isotopi pesanti dell'idrogeno decadono direttamente in ³H, il quale a sua volta decade nell'isotopo stabile ³He. Tuttavia è stato osservato che occasionalmente ⁶H decade direttamente nello stabile ²H.

{\begin{array}{rcl}\\{\ce {^{3}_{1}H}}&{\ce {->[12.32\ {\ce {y}}]}}&{\ce {{^{3}_{2}He}+e^{-}}}\\{\ce {^{4}_{1}H}}&{\ce {->[139\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{^{1}_{0}n}}}\\{\ce {^{5}_{1}H}}&{\ce {->[>\ 910\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{2_{0}^{1}n}}}\\{\ce {^{6}_{1}H}}&{\ce {->[290\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{3_{0}^{1}n}}}\\{\ce {^{6}_{1}H}}&{\ce {->[290\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{2}_{1}H}+{4_{0}^{1}n}}}\\{\ce {^{7}_{1}H}}&{\ce {->[23\ {\ce {ys}}]}}&{\ce {{^{3}_{1}H}+{4_{0}^{1}n}}}\\{}\end{array}}

Si noti che il tempo di decadimento è espresso in yoctosecondi per tutti gli isotopi eccetto ³H, per il quale è espresso in anni.

Note

^ Deuterio ultradenso prodotto in laboratorio, su lescienze.espresso.repubblica.it, Le Scienze, 13 maggio 2009.
^ ^a ^b G. M. Ter-Akopian, et al., American Institute of Physics Conference Proceedings 610, Hydrogen-4 and Hydrogen-5 from t+t and t+d transfer reactions studied with a 57.5-MeV triton beam, Nuclear Physics in the 21st Century: International Nuclear Physics Conference INPC 2001, pp. 920-924, DOI:10.1063/1.1470062.
^ ^a ^b ^c (EN) Valutazione della massa atomica dal sito Atomic Mass Data Center, su nndc.bnl.gov. URL consultato il 15-11-2008 (archiviato dall'url originale il 16 settembre 2008).
^ ^a ^b (EN) G. Audi, O. Bersillon; J. Blachot; A. H. Wapstra, The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF), su Nuclear Physics A 729, 2003, 3–128 (archiviato dall'url originale il 20 luglio 2011).
^ (EN) A. A. Korsheninnikov, M. S. Golovkov; I. Tanihata; A. M. Rodin; A. S. Fomichev; S. I. Sidorchuk; S. V. Stepantsov; M. L. Chelnokov; V. A. Gorshkov; D. D. Bogdanov, Superheavy Hydrogen ⁵H, in Physical Review Letters, 2001, DOI:10.1103/PhysRevLett.87.092501.
^ Wolfram Alpha Computational knowledge engine
^ (EN) APS letters: Created the superheavy ⁷H
^ ^a ^b Tra parentesi è indicata l'incertezza sulle ultime cifre, che denota una deviazione standard.

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[1] Deuterio ultradenso prodotto in laboratorio, su lescienze.espresso.repubblica.it, Le Scienze, 13 maggio 2009.

[Ter-Akopian-2] G. M. Ter-Akopian, et al., American Institute of Physics Conference Proceedings 610, Hydrogen-4 and Hydrogen-5 from t+t and t+d transfer reactions studied with a 57.5-MeV triton beam, Nuclear Physics in the 21st Century: International Nuclear Physics Conference INPC 2001, pp. 920-924, DOI:10.1063/1.1470062.

[tab-3] (EN) Valutazione della massa atomica dal sito Atomic Mass Data Center, su nndc.bnl.gov. URL consultato il 15-11-2008 (archiviato dall'url originale il 16 settembre 2008).

[nubase2003-4] (EN) G. Audi, O. Bersillon; J. Blachot; A. H. Wapstra, The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF), su Nuclear Physics A 729, 2003, 3–128 (archiviato dall'url originale il 20 luglio 2011).

[5] (EN) A. A. Korsheninnikov, M. S. Golovkov; I. Tanihata; A. M. Rodin; A. S. Fomichev; S. I. Sidorchuk; S. V. Stepantsov; M. L. Chelnokov; V. A. Gorshkov; D. D. Bogdanov, Superheavy Hydrogen ⁵H, in Physical Review Letters, 2001, DOI:10.1103/PhysRevLett.87.092501.

[Wolfram-6] Wolfram Alpha Computational knowledge engine

[7] (EN) APS letters: Created the superheavy ⁷H

[errore-8] Tra parentesi è indicata l'incertezza sulle ultime cifre, che denota una deviazione standard.

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