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.

Lo stesso argomento in dettaglio: Prozio (chimica), Idrogeno e Atomo di idrogeno.

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.

Lo stesso argomento in dettaglio: 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]

Lo stesso argomento in dettaglio: 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.

Lo stesso argomento in dettaglio: 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]

Lo stesso argomento in dettaglio: 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]

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]

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].

Massa atomica standard: 1,00794 u

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.

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

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

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