ISOTOPISMO o isotopia

ISOTOPISMO o isotopia (dal greco ἴσος τόπος, "ugual luogo")

Con questo nome è indicato il fatto che esistono sostanze elementari le quali sono identiche fra loro per tutte le proprietà chimiche e (con minimi scarti) per le fisiche, ma differiscono per il valore del peso atomico. Per questa identità chimica le sostanze isotope vanno assegnate a una stessa casella (e da ciò il nome, proposto da F. Soddy, 1914) del sistema di Mendeleev (v. periodico, sistema), dove gli elementi risultano appunto classificati a seconda delle proprietà chimiche, e vanno considerati per ciò come varietà di un solo e stesso elemento. Praticamente, le varie specie d'isotopi si trovano sempre mescolate fra loro in proporzioni costanti a costituire gli ordinarî corpi semplici, che qualche chimico chiama perciò elementi misti (ted. Mischelemente), e questa constatazione è stata una vera sorpresa per la teoria classica secondo cui a ogni elemento corrisponde una determinata specie di atomi identici in ogni proprietà, e anzitutto nel peso. Lo stesso Mendeleev aveva preso come base del suo sistema i pesi atomici determinati per via chimica (v. atomo, V, pag. 242). La cosa però è spiegata facilmente dalle teorie moderne (v. atomo, V, pag. 244), secondo cui gli atomi sono costituiti da un nucleo, in cui è concentrata quasi tutta la massa, dotato di una carica positiva che è sempre un multiplo intero Z della carica di un elettrone, e da Z elettroni, o atomi di elettricità negativa, il cui numero determina, secondo le leggi quantistiche, le proprietà dell'atomo (e quindi quelle, sperimentalmente osservabili, della corrispondente sostanza semplice), mentre la massa del nucleo ha su esse un'influenza assai secondaria, e ben può, quindi, assumere una serie discreta di valori nei singoli individui.

L'idea dell'isotopia venne al Soddy dallo studio delle sostanze radioattive, di cui si conosce oggi una quarantina di specie diverse, per quanto concerne le radiazioni, ma solo dieci tipi per quanto concerne i caratteri chimici. Di esse tratta la voce radioattività; qui si considerano solo gli elementi ordinarî. Per questi la prima constatazione sperimentale fu fatta da J. J. Thomson (1912) studiando i cosiddetti raggi canali o positivi. Sotto l'azione di una scarica elettrica fra due elettrodi metallici che attraversi un gas rarefatto, alcuni atomi di questo perdono uno o più elettroni divenendo per conseguenza ioni con una o più cariche positive. Questi ioni sono spinti quindi verso il polo negativo o catodo con velocità che possono arrivare a migliaia di chilometri al secondo, e se sul catodo vi è un foro (o canale, da cui il nome) gli ioni lo attraversano, ed emergono dall'altra parte come un sottile fascio, o raggio. Le varie specie di ioni in esso contenuti possono venir separati profittando del fatto che vengono deviati dalla direzione originale per opera di un campo sia elettrostatico sia magnetico, e in modo diverso secondo i valori del quoziente e/m fra carica e e massa m. In tal modo si riconobbe che il gas inerte Neo (peso atomico 20,25) conteneva due specie di atomi, di masse relative 20 e 22. Questo metodo fu assai perfezionato da F. W. Aston (1919) il quale, utilizzando opportunamente l'azione dei due campi, è riuscito a ottenere che tutti gli ioni aventi uguale massa (o più in generale uguale rapporto ne/m, dato che la carica può essere un multiplo n dell'unitaria) vengano a colpire nello stesso luogo una lastra fotografica. Questa, sviluppata, mostra così una serie lineare di punti, veri spettri di massa, dalle cui posizioni si deduce il valore relativo della massa atomica (riferita all'atomo d' ossigeno, posto 16,000) con una precisione che dopo gli ultimi perfezionamenti arriva all'1 su 10.000. Un altro metodo per riconoscere gl'isotopi è dato dagli spettri di bande (R. Millikan, 1925). Questi sono dovuti alle molecole, e son costituiti da serie di righe assai ravvicinate, alla cui produzione partecipano i moti di rotazione e vibrazione delle molecole stesse: se una di queste, ad es., del tipo AB, contiene un elemento sotto due forme isotope, A′ e A″, ambedue le molecole A′ B e A″ B danno i medesimi sistemi di righe, ma relativamente un poco spostate a causa della diversa massa, talché nello spettro complessivo ogni riga appare come raddoppiata. Questo metodo si presta particolarmente a riconoscere gl'isotopi poco abbondanti, che richiederebbero pose eccessivamente lunghe con quello di Aston.

Si è così trovato che constano di una sola specie di atomi gli elementi: idrogeno, elio, fluoro, sodio, alluminio, fosforo, scandio, vanadio, manganese, cobalto, arsenico, ittrio, indio, iodio, cesio, lantanio, bismuto. Hanno isotopi gli elementi riportati nella seguente tabella ove i singoli pesi atomici si seguono secondo la frequenza, dai più ai meno abbondanti (fra parentesi quelli molto scarsi). Gli elementi mancanti non sono stati esaminati a tutto il 1930.

Si usa indicare gl'isotopi col simbolo dell'elemento, dandogli per indice il peso atomico effettivo: Li₇, Li₆.

L'identità chimica degl'isotopi fu anzitutto provata, come si è accennato, per i radioelementi. Per gli elementi ordinarî essa è dimostrata indirettamente dall'esser finora sfuggiti gl'isotopi all'osservazione dei chimici, di guisa che, ad es., il peso atomico di un elemento misto (media proporzionale fra quelli dei suoi isotopi) si è ritrovato sempre lo stesso, qualunque fosse il modo di depurarne e analizzarne i sali: ma si sono poi avuti, dal 1920, svariati e sempre infruttuosi tentativi di separazione per via chimica. Dell'identità degl'isotopi si hanno peraltro anche prove dirette. I radioelementi infatti appartengono a due grandi famiglie, facenti capo al torio e all'uranio, le quali hanno ambedue come termine ultimo, stabile, il piombo, e la teoria mostra che esso deve aver diverso peso atomico nei due casi. Effettivamente, estraendo da minerali particolarmente puri di torio o di uranio il piombo, si sono ottenuti prodotti identici chimicamente, ma con pesi atomici fino a 207,9 e fino a 206,1 rispettivamente (il piombo ordinario, miscela di isotopi, mostra 207,2). Anche le loro proprietà fisiche sono in genere identiche (punto di fusione, potere termoelettrico, conducibilità, ecc.) e solo per alcune si hanno piccole differenze, che tuttavia scompaiono riferendo le proprietà al peso atomico o molecolare. Così per le densità: gr. 207,77 di piombo dal torio di densità 11,378 occuperebbero 18,26 cc.; gr. 206,06 dall'uranio di densità 11,273 ne occuperebbero 18,28. E per le solubilità: in 1000 gr. di acqua a 25° si sciolgono 594,39 gr. pari a 1,7993 gr. molecole di nitrato di piombo dall'uranio, e 595,97 pari a 1,7991 gr. molecole di nitrato di piombo ordinario. Si hanno pure differenze nelle proprietà che dipendono esclusivamente dal peso molecolare. Così per le sostanze gassose la velocità di diffusione attraverso la porcellana porosa è maggiore per le molecole più leggiere, e infatti dopo aver fatto diffondere migliaia di volte l'acido cloridrico poté realizzarsi una scissione, sia pure molto imperfetta, degli isotopi del cloro. Così pure, distillando parzialmente il mercurio in un vuoto assai spinto (dove si evaporano più rapidamente gl'isotopi più leggieri) si è potuto, dopo ripetute operazioni, scinderlo in due porzioni di peso specifico leggermente diverso. Analoghi risultati ha dato il potassio (G. V. Hevesy). Peraltro simili esperienze, interessanti come prove qualitative dell'isotopia, non potrebbero mai servire per una separazione quantitativa.

Per quanto concerne i pesi atomici degl'isotopi, è assai notevole il fatto che, posto 16.000 quello dell'ossigeno, risultino interi (o quasi), anche tutti gli altri: ciò fa pensare che tutti i nuclei atomici derivino dall'aggregazione di un nucleo di massa 1,000, che potrebbe esser solo quello dell'idrogeno, al quale peraltro sia l'analisi chimica che il metodo di Aston assegnano la massa 1,008. Ma questa perdita di massa è giustificata dalla teoria della relatività, secondo cui se in un processo si svolge la energia E (in piccole calorie) i prodotti risultanti mostrano un difetto di massa di grammi m = E/2,15.10¹³: perciò per ogni gr. 1,008 di nuclei H polimerizzati si svolgerebbero 1,72.10¹¹ calorie, numero enorme, ma che rende conto della stabilità degli elementi. Inoltre le recenti ricerche di precisione dell'Aston ci dicono che i pesi atomici degl'isotopi sono quasi tutti leggermente inferiori ai numeri interi, mostrando così che si hanno ulteriori svolgimenti di energia individuali.

Il numero d'isotopi varia assai da un elemento all'altro, e ciò deve stare in relazione con l'origine di essi, alcune cariche nucleari potendo realizzarsi in molte maniere, altre in poche. Ma su questo argomento, oggetto attuale d'intensi studî, non si può ancora dir nulla di definitivo.

Bibl.: F. W. Aston, The isotopes, 2ª ed., Londra 1924; M. Curie, L'isotopie et les subst. isotopes, Parigi 1924; J. J. Thomson, Les rayons d'électricité positive (trad. fr.), Parigi 1924; R. Mecke, Bandenspektra, Berlino 1929.