Nuclídeo é uma espécie de átomo, também chamada de espécie nuclear, caracterizada pelo número de prótons, Z, pelo número de nêutrons, N, e pelo estado energético de seu núcleo. Prótons e nêutrons, considerados em conjunto, são núcleons. Estados com os mesmos valores de Z e N podem constituir nuclídeos diferentes quando a duração média desses estados é longa o bastante para que sejam observáveis.
A palavra inglesa nuclide, derivada de nucleus, "núcleo", foi criada pelo físico nuclear norte-americano Truman P. Kohman em 1947. Kohman definiu nuclide como uma "espécie de átomo caracterizada pela constituição de seu núcleo", contendo certo número de nêutrons e prótons. O termo, em sua origem, concentrava-se na constituição do núcleo. A grafia inglesa alternativa nucleide também é encontrada.
Nuclídeo e isótopo Um nuclídeo é um átomo com um número específico de prótons e nêutrons em seu núcleo. O carbono-13 (), por exemplo, tem 6 prótons e 7 nêutrons. O termo foi criado deliberadamente em distinção a isótopo, permitindo tratar propriedades nucleares independentemente das propriedades químicas. Mesmo assim, isótopo também é empregado com esse sentido, sobretudo em áreas nas quais nuclídeo pode ser menos familiar, como tecnologia nuclear e medicina nuclear.
Nas propriedades nucleares, o número de nêutrons pode ser praticamente tão relevante quanto o número de prótons. Nas propriedades químicas, a variação do número de nêutrons costuma ter efeito muito menor. Mesmo entre os elementos mais leves, nos quais a razão entre o número de nêutrons e o número atômico varia mais entre os isótopos, esse efeito costuma ser relativamente pequeno. No hidrogênio, porém, efeitos isotópicos podem ser grandes o bastante para alterar processos biológicos. No hélio, o obedece à estatística de Bose-Einstein, enquanto o obedece à estatística de Fermi-Dirac, o que produz diferenças acentuadas em suas propriedades físicas em baixas temperaturas.
Notação Um nuclídeo pode ser representado por , em que X é o símbolo químico do elemento, A é o número de massa, igual ao número total de núcleons, e Z é o número atômico, igual ao número de prótons. O número de nêutrons, N, é dado por . Como o símbolo do elemento já determina Z, o índice inferior pode ser omitido. O carbono-14, por exemplo, pode ser escrito como 14C ou como carbono-14.
A letra m após o número de massa indica um estado metaestável, como em 99mTc. Quando é necessário distinguir mais de um estado metaestável do mesmo nuclídeo, podem ser usados m1, m2 e assim por diante. Outras convenções empregadas para identificar isótopos são tratadas em sistema de nomeação dos isótopos.
Tipos de nuclídeos Embora as palavras nuclídeo e isótopo sejam usadas muitas vezes como sinônimos, ser isótopo é apenas uma das relações possíveis entre nuclídeos. A tabela a seguir reúne outras relações.
Designação Características Exemplo Observações Isótopos mesmo número de prótons, Z1 = Z2 , , ver captura neutrônica Isótonos mesmo número de nêutrons, N1 = N2 , , ver captura de prótons Isóbaros mesmo número de massa, Z1 + N1 = Z2 + N2 , , ver emissão beta Isodiáferos mesmo excesso de nêutrons, N1 − Z1 = N2 − Z2 , , Os exemplos são isodiáferos com excesso de um nêutron.Um nuclídeo e o produto de sua emissão alfa são isodiáferos. Núcleos espelho números de nêutrons e prótons trocados, Z1 = N2 e Z2 = N1 , ver emissão de pósitrons Isômeros nucleares mesmo número de prótons e mesmo número de massa, mas em estados energéticos diferentes , m = metaestável, um estado excitado de longa duração
Um conjunto de nuclídeos com o mesmo número de prótons, ou número atômico, pertencentes ao mesmo elemento químico, mas com diferentes números de nêutrons, forma os isótoposA existência de isômeros nucleares faz com que mais de um nuclídeo possa pertencer ao mesmo isótopo. desse elemento. Nuclídeos específicos ainda são chamados de "isótopos" de modo impreciso, mas "nuclídeo" é o termo adequado no caso geral em que não se trata de um único elemento, isto é, de um único valor de Z. Um conjunto de nuclídeos com o mesmo número de massa A, mas diferentes números atômicos, forma os isóbaros. Isótonos têm o mesmo número de nêutrons e diferentes números de prótons. Nuclídeos com o mesmo excesso de nêutrons, N − Z, são chamados isodiáferos. O nome isótono deriva de isótopo, para enfatizar que, no primeiro grupo, o número de nêutrons, n, é constante, enquanto no segundo é o número de prótons, p.
Isômeros nucleares pertencem a um conjunto de nuclídeos com o mesmo número de prótons e o mesmo número de massa, sendo por definição o mesmo isótopo, mas em diferentes estados de excitação. Um exemplo são os dois estados do isótopo mostrados em esquemas de decaimento. Cada um desses estados, tecnécio-99m e tecnécio-99, constitui um nuclídeo diferente. Um mesmo isótopo pode, desse modo, compreender nuclídeos em estados de excitação diferentes.
O é o isômero nuclear de vida mais longa conhecido fora do estado fundamental. Seu decaimento nunca foi observado. Uma busca experimental publicada em 2023 excluiu, considerando em conjunto os canais investigados, meias-vidas inferiores a 2,9 × 1017 anos. Esse nuclídeo ocorre primordialmente. O estado fundamental do tântalo-180 não ocorre primordialmente e tem meia-vida de 8,154 horas. Ele decai por captura eletrônica para em 85 ± 3% dos casos e por emissão beta menos para em 15 ± 3%.
Há 251 nuclídeos na natureza cujo decaimento nunca foi observado. Eles ocorrem entre 80 elementos diferentes que têm um ou mais isótopos estáveis. Ver nuclídeo estável e nuclídeo primordial. Nuclídeos instáveis são radioativos e recebem o nome de radionuclídeos. Seus produtos de decaimento, ou produtos "filhos", são chamados nuclídeos radiogênicos.
Origens dos radionuclídeos naturais Os radionuclídeos naturais podem ser divididos em três tipos. O primeiro reúne aqueles cujas meias-vidas excedem alguns por cento da idade da Terra, cerca de 4,54 × 109 anos. Eles permanecem desde a formação da Terra e são remanescentes da nucleossíntese ocorrida em estrelas antes da formação do Sistema Solar. O isótopo , com t1/2 = 4,468 × 109 anos, do urânio ainda é abundante na natureza, enquanto tem t1/2 = 7,038 × 108 anos. Em fontes terrestres normais de urânio, as frações isotópicas de e são 0,992742 e 0,007204, respectivamente, de modo que o segundo é cerca de 138 vezes menos abundante que o primeiro. Foram identificados 35 desses radionuclídeos primordiais. Ver Lista de nuclídeos e nuclídeo primordial.
O segundo grupo é formado por nuclídeos radiogênicos, como , com t1/2 = 1.600 anos, um isótopo do rádio, produzidos por decaimento radioativo. Eles ocorrem nas cadeias de decaimento de isótopos primordiais de urânio ou tório. Alguns têm vida muito curta, como os isótopos do frâncio. Existem cerca de 50 nuclídeos filhos com meias-vidas curtas demais para serem primordiais, presentes na natureza somente pelo decaimento de nuclídeos radioativos primordiais de vida mais longa.
O terceiro grupo reúne nuclídeos produzidos continuamente por processos diferentes do simples decaimento radioativo espontâneo, no qual apenas um átomo participa e não há partícula incidente. Esses processos envolvem uma reação nuclear natural. Eles ocorrem quando átomos reagem com nêutrons naturais provenientes de raios cósmicos, fissão nuclear espontânea ou outras fontes, ou quando são bombardeados diretamente por raios cósmicos. Estes últimos, quando não são primordiais, são chamados nuclídeos cosmogênicos. Outros tipos de reações nucleares naturais produzem nuclídeos nucleogênicos. Nuclídeos produzidos diretamente como produtos da fissão espontânea abrangem muitos números de massa, mas todos decaem rapidamente em escala geológica para um nuclídeo primordial ou para um dos sete produtos de fissão de vida longa. Estes também estão presentes na natureza e podem ser classificados como radiogênicos ou nucleogênicos.
Entre os nuclídeos produzidos por reações nucleares estão o cosmogênico, o radiocarbono, produzido pelo bombardeio de outros elementos por raios cósmicos, e o nucleogênico, ainda produzido a partir de pela captura de nêutrons gerados, entre outras fontes naturais, pela fissão espontânea em minérios de urânio.
Tabela-resumo das classes de nuclídeos Esta tabela resumeOs dados da tabela foram obtidos pela contagem dos integrantes da lista. As referências para os dados da própria lista encontram-se em Lista de nuclídeos. os 987 nuclídeos com meias-vidas superiores a uma hora apresentados em Lista de nuclídeos. Esse número pode mudar se nuclídeos considerados "estáveis" forem observados como radioativos com meias-vidas muito longas ou se forem revistas meias-vidas de nuclídeos já conhecidos como radioativos.
Classe de estabilidade Número de nuclídeos Total acumulado Observações sobre o total acumulado Teoricamente estáveis contra todos os modos de decaimento, exceto o decaimento de próton 90 90 Inclui os primeiros 40 elementos. O decaimento de prótons ainda não foi observado. Energeticamente instáveis diante de um ou mais modos de decaimento conhecidos, mas sem decaimento observado. A fissão nuclear espontânea é possível para nuclídeos "estáveis" a partir do nióbio-93. Outros mecanismos são possíveis em nuclídeos mais pesados. Todos são classificados como observacionalmente estáveis até que algum decaimento seja detectado. 161 251 Total de nuclídeos observacionalmente estáveis. Nuclídeos primordiais radioativos 35 286 O total de 286 nuclídeos primordiais compreende os 251 cujo decaimento não foi observado e 35 radionuclídeos primordiais, entre eles nuclídeos de bismuto, tório e urânio. Radioativos, com meia-vida > 1 hora. Inclui a maior parte dos marcadores radioativos úteis. 701 987 Carbono-14 e outros nuclídeos cosmogênicos gerados por raios cósmicos, produtos-filhos de nuclídeos primordiais radioativos, nuclídeos nucleogênicos oriundos de reações nucleares naturais diferentes das provocadas por raios cósmicos, como a absorção de nêutrons decorrente de fissão nuclear espontânea ou emissão de nêutrons, e muitos nuclídeos sintéticos. Radioativos com meia-vida < 1 hora, em sua maioria sintéticos > 4.000 > 5.000 Inclui a maior parte dos demais nuclídeos e estados isoméricos caracterizados. Alguns nuclídeos naturais de cadeias de decaimento também têm meia-vida inferior a uma hora.
Propriedades nucleares e estabilidade
miniatura|direita|320px|Estabilidade dos nuclídeos por (Z, N), exemplo de uma tabela de nuclídeos. Preto: estáveis, todos primordiais. Vermelho: radioativos primordiais. Outras cores: radioativos, com estabilidade decrescente do laranja ao branco.
Os núcleos atômicos, exceto , um próton isolado, contêm prótons e nêutrons ligados pela força nuclear residual. Essa atração de curto alcance entre núcleons compete com a repulsão eletrostática entre os prótons. Como os nêutrons participam da atração nuclear sem acrescentar repulsão elétrica, núcleos mais pesados precisam, em geral, de uma proporção maior de nêutrons para permanecer estáveis. Elementos leves até o cálcio têm nuclídeos estáveis com o mesmo número de nêutrons e prótons, enquanto os nuclídeos estáveis do chumbo têm aproximadamente três nêutrons para cada dois prótons.
A estabilidade também depende da organização dos núcleons. Nuclídeos com números pares de prótons ou de nêutrons são encontrados com maior frequência entre os estáveis. Os números 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126 correspondem a camadas nucleares completas no modelo nuclear de camadas e são chamados números mágicos. Núcleos em que o número de prótons e o número de nêutrons são mágicos, como , , e , têm camadas fechadas de prótons e de nêutrons e apresentam estabilidade particularmente elevada.
Ver também Isótopo, nuclídeos do mesmo elemento com diferentes números de nêutrons Tabela de nuclídeos, representação dos nuclídeos em função dos números de prótons e nêutrons Nuclídeo estável, nuclídeos cujo decaimento radioativo não foi observado