Para uma lista textual de nuclídeos, veja Lista de nuclídeos.
Uma tabela ou carta de nuclídeos é um gráfico bidimensional dos isótopos dos elementos químicos. Um eixo representa o número de nêutrons, simbolizado por N, e o outro representa o número de prótons, simbolizado por Z, no núcleo atômico. Cada posição do gráfico corresponde a uma combinação dos números de prótons e nêutrons de um nuclídeo conhecido ou hipotético. Esse modo de organizar os nuclídeos permite comparar propriedades dos isótopos que não aparecem na tabela periódica, que organiza os elementos sem separar seus isótopos. A tabela de nuclídeos também recebe o nome de carta de Segrè, em referência ao físico italiano Emilio Segrè.
História Em 1936 e 1937, Hans Bethe publicou uma sequência de trabalhos sobre física nuclear. No trabalho experimental da série, escrito com M. Stanley Livingston, foram incluídas tabelas de reações nucleares e radioatividades induzidas. Em 1940, John J. Livingood e Glenn Seaborg reuniram dados sobre espécies nucleares produzidas artificialmente, seguindo o modelo usado por Livingston e Bethe.
Emilio Segrè introduziu uma forma de apresentar em um único gráfico os dados de todos os nuclídeos conhecidos. Uma edição revista de sua carta, datada de 15 de maio de 1945, foi publicada sem os dados que permaneciam sob sigilo durante a Segunda Guerra Mundial. Em 1948, Gerhart Friedlander e Morris Perlman, no laboratório de pesquisa da General Electric, inverteram a disposição usada por Segrè. A carta resultante reunia abundâncias isotópicas, meias-vidas, tipos e energias de radiação, massas atômicas e seções de choque para nêutrons térmicos.
Descrição e utilidade
Uma carta de nuclídeos organiza o comportamento nuclear e radioativo dos nuclídeos, distinguindo os isótopos de cada elemento. Ela difere da tabela periódica, voltada sobretudo às propriedades químicas, pois os isótopos de um mesmo elemento têm comportamento químico muito semelhante, com diferenças mais perceptíveis no caso do hidrogênio.
Na disposição usual da carta de Segrè, os nuclídeos são posicionados pelo número de nêutrons no eixo horizontal e pelo número de prótons no eixo vertical. Uma representação desse tipo foi publicada por Kurt Guggenheimer em 1934 e ampliada por Giorgio Fea em 1935. A forma também foi usada por Emilio Segrè em 1945 e por Glenn Seaborg. As cartas podem incluir núcleos não ligados em relação à emissão de partículas, além das linhas de gotejamento de nêutrons ou prótons.
Em 1958, Walter Seelmann-Eggebert e Gerda Pfennig publicaram a primeira edição da Carta de nuclídeos de Karlsruhe. A 12.ª edição, lançada em 2025, reúne dados de 4.190 estados fundamentais e isoméricos observados experimentalmente. As informações incluem massas atômicas, abundâncias isotópicas, seções de choque, meias-vidas, modos de decaimento e energias das radiações emitidas. Outras cartas de ampla circulação incluem a Carta Universal de Nuclídeos de Estrasburgo, a carta da Agência de Energia Atômica do Japão e a carta do Knolls Atomic Power Laboratory, nos Estados Unidos. Cartas de nuclídeos são usadas para consulta, ensino e trabalho com radionuclídeos.
Orientação e leitura Na disposição usual, N cresce da esquerda para a direita e Z de baixo para cima. Outras cartas trocam ou giram os eixos para se ajustar ao formato de páginas, telas ou tabelas verticais. A tabela de isótonos apresentada mais adiante está girada 90° no sentido horário em relação a essa disposição, com Z crescendo para a direita e N para baixo.
Cada célula tem coordenadas N e Z, cuja soma é o número de massa, A. Dependendo da carta, a célula pode apresentar o símbolo químico, o número de massa, a abundância natural, a meia-vida, os modos e energias de decaimento e outras propriedades nucleares. Estados de isomeria nuclear têm os mesmos valores de N e Z, mas diferentes energias de excitação, e podem ser mostrados dividindo a célula em partes. As cores não seguem uma convenção única. Algumas cartas as usam para representar o modo de decaimento dominante, enquanto outras representam faixas de meia-vida.
miniatura|Os deslocamentos produzidos por diferentes tipos de decaimento em uma carta com o número de nêutrons no eixo horizontal e o número de prótons no eixo vertical.
miniatura|centro|700px|Carta de nuclídeos de 2008, dividida em três partes. As cores indicam os modos de decaimento.
Os deslocamentos da tabela a seguir correspondem à disposição com N crescente para a direita e Z crescente para cima. Eles indicam a mudança de composição nuclear em cada processo, sem incluir possíveis emissões posteriores.
+ Modos de decaimento indicados na carta Cor Modo Deslocamento na carta Estável, sem decaimento observado Nenhum Emissão de pósitron, β+, ou captura eletrônica Uma posição na diagonal para baixo e para a direita Emissão de próton Uma posição para baixo Emissão de um nêutron Uma posição para a esquerda Decaimento alfa Duas posições na diagonal para baixo e para a esquerda Fissão espontânea Não há deslocamento único, pois o núcleo se divide em fragmentos Decaimento beta menos, β− Uma posição na diagonal para cima e para a esquerda
Em uma transição isomérica por emissão gama ou conversão interna, o número de prótons e o de nêutrons permanecem iguais. O estado energético muda, mas as coordenadas na carta permanecem as mesmas.
Tendências na carta de nuclídeos As tendências geométricas abaixo referem-se à disposição em que Z aumenta para a direita e N aumenta para baixo, correspondente a uma rotação de 90° no sentido horário da disposição usual. O recorte mostra uma seleção de nuclídeos com N de 5 a 9. As células vazias não constituem uma indicação geral de impossibilidade de existência.
N \ Z 1H 2He 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne 11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 5 6H 7He 8Li 9Be 10B 11C 12N 13O 14F 15Ne 6 7H 8He 9Li 10Be 11B 12C 13N 14O 15F 16Ne 17Na 18Mg 7 9He 10Li 11Be 12B 13C 14N 15O 16F 17Ne 18Na 19Mg 20Al 8 10He 11Li 12Be 13B 14C 15N 16O 17F 18Ne 19Na 20Mg 21Al 22Si 9 12Li 13Be 14B 15C 16N 17O 18F 19Ne 20Na 21Mg 22Al 23Si 24P*
O asterisco assinala uma entrada extrapolada na avaliação NUBASE2020. Nessa avaliação, o fósforo-24 não tem observação experimental registrada.
miniatura|300px|Meias-vidas dos isótopos. A região mais escura, formada por isótopos de maior meia-vida ou sem decaimento observado, afasta-se da linha Z = N à medida que Z aumenta.
Nas comparações a seguir, "estável" inclui os nuclídeos cujo decaimento não foi observado. Essa classificação não garante que todos os canais de decaimento sejam energeticamente proibidos. Alguns processos previstos têm apenas limites experimentais inferiores para a meia-vida.
Isótopos são nuclídeos com o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons. Eles têm o mesmo número atômico e pertencem ao mesmo elemento químico. Na disposição acima, os isótopos ficam na mesma coluna. Entre os exemplos estão carbono-12, carbono-13 e carbono-14. Isótonos são nuclídeos com o mesmo número de nêutrons e diferentes números de prótons. Na disposição acima, ficam na mesma linha. Entre os exemplos estão carbono-14, nitrogênio-15 e oxigênio-16. Isóbaros são nuclídeos com o mesmo número de núcleons, isto é, o mesmo número de massa, mas diferentes números de prótons e nêutrons. Na disposição acima, aparecem em diagonais do canto inferior esquerdo para o superior direito. Entre os exemplos estão carbono-14, nitrogênio-14 e oxigênio-14. Isodiáferos são nuclídeos com a mesma diferença entre o número de nêutrons e o de prótons, N − Z. Eles formam diagonais perpendiculares às dos isóbaros. Entre os exemplos estão boro-10, carbono-12 e nitrogênio-14, para os quais N − Z = 0, e boro-12, carbono-14 e nitrogênio-16, para os quais N − Z = 2. O vale de estabilidade contém a região dos nuclídeos mais estáveis em relação às transformações beta. Para cada número de massa A fixo, a comparação das massas atômicas permite determinar quais transformações são energeticamente possíveis. Os decaimentos beta e a captura eletrônica conservam A e podem levar a isóbaros de menor massa. A estabilidade em relação a esses processos não exclui decaimentos alfa ou fissão. Certos números de prótons ou nêutrons correspondem a camadas nucleares fechadas e recebem o nome de números mágicos. Os valores tradicionais são 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126. Em núcleos afastados da estabilidade, alguns fechamentos de camada podem enfraquecer e outros podem surgir. A linha de gotejamento de nêutrons marca o limite de ligação no lado rico em nêutrons. É necessário distinguir os limites para emissão de um e de dois nêutrons, pois um núcleo pode estar ligado em relação à emissão de um nêutron e não estar ligado em relação à emissão de dois. Além do limite correspondente, a emissão de nêutrons é energeticamente permitida. A linha de gotejamento de prótons delimita de maneira semelhante o lado rico em prótons, também com distinção entre emissão de um e de dois prótons. A emissão de prótons pode ser retardada pela barreira coulombiana, mesmo quando é energeticamente permitida. As posições experimentais das linhas de gotejamento são conhecidas apenas em partes da carta. A ilha de estabilidade é uma região prevista entre elementos transurânicos de números atômicos elevados na qual efeitos de camada podem produzir meias-vidas maiores que as dos nuclídeos vizinhos. O nome não implica a existência de núcleos absolutamente estáveis. Não há nuclídeos estáveis com números iguais de prótons e nêutrons quando o número atômico é maior que 20, o do cálcio. À medida que Z cresce, a repulsão eletrostática entre os prótons favorece configurações estáveis com excesso de nêutrons. Há quatro nuclídeos estáveis em seus estados fundamentais com número ímpar de prótons e número ímpar de nêutrons: o hidrogênio-2, ou deutério, o lítio-6, o boro-10 e o nitrogênio-14. O tântalo-180m também não tem decaimento observado, mas é um estado isomérico excitado, não o estado fundamental do tântalo-180. Em geral, o emparelhamento nuclear favorece os isóbaros com números pares de prótons e nêutrons. Por isso, muitos núcleos ímpar-ímpar têm vizinhos de menor massa-energia e podem sofrer decaimento beta. Não há nuclídeos estáveis com número de massa 5 ou 8. Há nuclídeos sem decaimento observado com todos os demais números de massa até 208, exceto 147 e 151, representados pelos nuclídeos radioativos de vida muito longa samário-147 e európio-151. Essas lacunas limitam as sequências de reações que formam núcleos mais pesados a partir do hélio. Na queima estelar de hélio, a lacuna em A = 8 é atravessada pelo processo triplo-alfa, que produz carbono-12. O decaimento alfa do bismuto-209 foi observado em 2003. Sua meia-vida é de aproximadamente 2,01 × 1019 anos. Com exceção do par telúrio-123 e antimônio-123, um número de massa ímpar não tem mais de um nuclídeo sem decaimento observado. Para um número de massa ímpar fixo, a massa atômica varia aproximadamente como uma parábola convexa em função do número atômico. Essa aproximação explica a tendência de haver um único isóbaro estável em relação às transformações beta, mas não determina, por si só, a rapidez dos decaimentos. Ver regra isóbara de Mattauch. A transformação do 123Te em 123Sb por captura eletrônica é energeticamente permitida, mas não foi observada. Não há nuclídeos estáveis com número atômico maior que Z = 82, o do chumbo.Norman E. Holden, "Table of the Isotopes", em David R. Lide, editor, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90.ª ed., CRC Press, 2009, ISBN 9781420090840. O bismuto, com Z = 83, tem no 209Bi um isótopo de meia-vida extremamente longa. O tório, com Z = 90, e o urânio, com Z = 92, têm isótopos com meias-vidas longas o bastante para ocorrer na Terra em grandes quantidades. Todos os elementos com números atômicos entre 1 e 82 têm ao menos um isótopo sem decaimento observado, exceto o tecnécio, com Z = 43, e o promécio, com Z = 61.
Tabelas