Γιατί είναι ραδιενεργό το τεχνήτιο;

Το τεχνήτιο είναι ένα ραδιενεργό στοιχείο, χωρίς σταθερά ισότοπα. Με ατομικό αριθμό 43, είναι το ελαφρύτερο ασταθές στοιχείο. Όλα τα στοιχεία που το περιβάλλουν στον περιοδικό πίνακα έχουν τουλάχιστον ένα σταθερό ισότοπο. Τι είναι το τεχνήτιο που το κάνει ξεχωριστό; Η σύντομη απάντηση είναι ότι δεν υπάρχει αριθμός νετρονίων που μπορείτε να βάλετε σε ένα άτομο τεχνητίου για να σχηματίσετε έναν σταθερό πυρήνα.

Ο ατομικός πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Ενώ η ταυτότητα του στοιχείου ορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων του (ατομικός αριθμός), ένα άτομο μπορεί να περιέχει διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων (σχηματίζοντας διαφορετικά ισότοπα). Για ελαφρύτερα στοιχεία, το πιο σταθερό ισότοπο είναι συνήθως το άτομο που περιέχει ίσο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων. Με την πρώτη ματιά, αυτό είναι λογικό, επειδή η μάζα του πρωτονίου και του νετρονίου είναι σχεδόν ίδια. Ωστόσο, η μάζα ενός πρωτονίου είναι πάντα τόσο ελαφρώς μεγαλύτερη από τη μάζα ενός νετρονίου, επομένως σε άτομα με μεγαλύτερο ατομικό αριθμό η διαφορά μάζας γίνεται σημαντική. Η πιο σταθερή αναλογία νετρονίων προς πρωτόνιο αυξάνεται καθώς τα άτομα αποκτούν μάζα, αλλάζοντας από αναλογία 1:1 για ελαφρά στοιχεία σε αναλογία 1,3:1 για βαρύτερα στοιχεία. Στις περιπτώσεις του τεχνητίου και του επόμενου ελαφρύτερου ραδιενεργού στοιχείου (προμεθίου), δεν υπάρχει συνδυασμός πρωτονίων και νετρονίων που να εξισορροπεί. Για να κάνουμε τα πράγματα πιο μπερδεμένα, η μάζα ενός ατομικού πυρήνα είναι στην πραγματικότητα μικρότερη από το άθροισμα της μάζας των πρωτονίων και των νετρονίων, επειδή κάποια μάζα μετατρέπεται σε πυρηνική δεσμευτική ενέργεια.

Μονοί και ζυγοί αριθμοί πρωτονίων

Ένα άτομο τεχνητίου περιέχει 43 πρωτόνια, που είναι ένας περιττός αριθμός πρωτονίων. Η άρτια ή περιττότητα του ατομικού αριθμού επηρεάζει τις ιδιότητες του ατομικού πυρήνα. Τα άτομα που περιέχουν ζυγό αριθμό πρωτονίων και νετρονίων (νουκλεΐδια EE) τείνουν να είναι τα πιο σταθερά. Επειδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι ζευγαρωμένα, οι πυρήνες έχουν σπιν 0. Τα άτομα που περιέχουν ζυγούς αριθμούς πρωτονίων, αλλά περιττούς αριθμούς νετρονίων είναι λιγότερο πιθανό να είναι σταθερά. Υπάρχουν 53 σταθερά νουκλεΐδια με ζυγό αριθμό πρωτονίων και περιττό αριθμό νετρονίων. Τα άτομα με περιττό αριθμό πρωτονίων και ζυγό αριθμό νετρονίων είναι ακόμη λιγότερο σταθερά. Υπάρχουν 48 σταθερά νουκλεΐδια αυτού του τύπου. Τα άτομα που περιέχουν περιττό αριθμό πρωτονίων και περιττό αριθμό νετρονίων είναι λιγότερο πιθανό να είναι σταθερά. Υπάρχουν μόνο πέντε σταθερά νουκλεΐδια αυτού του τύπου (π.χ., δευτέριο). Το ασύζευκτο πρωτόνιο και το ασύζευκτο νετρόνιο ασκούν ισχυρότερη έλξη πυρηνικής δύναμης μεταξύ τους εάν τα σπιν τους είναι ευθυγραμμισμένα, επομένως οι περιττοί-περιττοί πυρήνες παράγουν συνολικό σπιν τουλάχιστον 1.

Ο κανόνας Mattauch Isobar

Αν και δεν εξηγεί τη συμπεριφορά, ο κανόνας ισοβαρών Mattauch μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της ραδιενέργειας του τεχνητίου και του προμεθίου. Το 1934, ο Josef Mattauch διατύπωσε έναν κανόνα που λέει ότι εάν δύο γειτονικά στοιχεία στον περιοδικό πίνακα έχουν ισότοπα με τον ίδιο μαζικό αριθμό (ισόβαροι), ένα από τα ισότοπα πρέπει να είναι ραδιενεργό. Το μολυβδαίνιο και το ρουθήνιο έχουν και τα δύο σταθερά ισότοπα, επομένως οι αντίστοιχες ισοβαρείς για το τεχνήτιο πρέπει να είναι ασταθείς. Το νεοδύμιο και το σαμάριο έχουν και τα δύο σταθερά ισότοπα, επομένως οι ισοβαρείς για το προμήτιο πρέπει να είναι ασταθείς. Αν και ισχύει για το τεχνήτιο, υπάρχουν εξαιρέσεις για τον κανόνα ισοβαρών Mattauch. Για παράδειγμα, τόσο το αντιμόνιο-123 όσο και το τελλούριο-123 είναι σταθερά. Ωστόσο, ο κανόνας μπορεί να εφαρμοστεί στο μεγαλύτερο μέρος του περιοδικού πίνακα για να γίνουν προβλέψεις σχετικά με τη σταθερότητα των ισοτόπων.

Αναφορές

• Holden, Norman E. (2004). «11. Πίνακας των Ισοτόπων." στο Lide, David R. (επιμ.). Εγχειρίδιο CRC Χημείας και Φυσικής (85η έκδ.). Boca Raton, Φλόριντα:CRC Press. ISBN 978-0-8493-0485-9.
• Icenhower, J.P.; Martin, W.J.; Qafoku, N.P.; Zachara, J.M. (2008). The Geochemistry of Technetium:A Summary of the Behavior of a Artificial Element in the Natural Environment. Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού:Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.
• Johnstone, Erik V.; Yates, Mary Anne; Poineau, Frederic; Sattelberger, Alfred P.; Czerwinski, Kenneth R. (21 Φεβρουαρίου 2017). Τεχνήτιο:Το πρώτο ραδιοστοιχείο στον περιοδικό πίνακα. J. Chem. Εκπαίδευση. 94, 3, 320-326. doi:10.1021/acs.jchemed.6b00343