LA LEZIONE Evoluzione del Sistema Periodico: I nuovi elementi superpesanti La tavola periodica degli elementi è uno dei capolavori della scienza e nonostante i suoi 150 anni, è ancora in fase di completamento perché il numero degli elementi chimici conosciuti continua ad aumentare. Se una qualche catastrofe universale venisse a distruggere il mondo e all'umanità fosse concesso di poter conservare un solo concetto scientifico per ricostruire la civiltà, quale sarebbe questo concetto? La risposta del chimico invariabilmente è : la Tavola Periodica degli Elementi. (Richard P. Feynman). La tavola periodica concepita da Dmitrij Mendeleev oltre 150 anni fa deve essere costantemente aggiornata perché il numero degli elementi chimici continua ad aumentare. Infatti, mediante gli acceleratori di particelle, in cui si fanno scontrare i nuclei atomici, è possibile creare nuovi elementi superpesanti, nel cui nucleo ci sono più protoni rispetto a quelli dei 92 elementi che si trovano in natura. Agli inizi del ventesimo secolo grazie soprattutto al lavoro di Moseley che scoprì nel numero atomico il principio ordinatore del sistema periodico, fu possibile prevedere esattamente quanti elementi rimanessero ancora da scoprire essendo ormai chiaro che fra il primo, l idrogeno, e l uranio, dovessero essere presenti soltanto un numero ben definito di elementi. Un grande impulso alla scoperta di nuovi elementi venne dalle indagini sul comportamento chimico delle sostanze radioattive. Nel 1896 il chimico francese Becquerel, durante i suoi studi su sali di uranio, notò casualmente che questi, posti accanto a lastre fotografiche, chiuse nei loro contenitori a prova di luce, ne provocavano l'annerimento e ne dedusse che tali sali dovevano emettere dei raggi molto più penetranti di quelli luminosi. Nel 1898 i coniugi Curie scoprirono il radio, un nuovo elemento che emetteva delle radiazioni molto più intense di quelle proprie dell'uranio. Per questa loro proprietà, elementi come l uranio, il radio e il polonio vennero denominati attivi e il fenomeno di emissione di particelle venne detto radioattività. In paricolare, il radio, emettendo particelle alfa (nuclei di elio), si trasforma in piombo. Si realizza spontaneamente la trasmutazione degli elementi: tutti gli elementi radioattivi, emettendo raggi alfa, beta e gamma, decadono formando altri elementi. Quindi i loro nuclei sono strutturalmente instabili, e ciò forniva una indicazione del perché in natura non venissero trovati elementi con numero atomico superiore a quello dell'uranio, uguale a 92. I nuclei degli elementi leggeri hanno un rapporto protoni/neutroni (p/n) tendente ad uno, mentre i nuclei degli elementi pesanti mostrano tutti un eccesso di neutroni noto come eccesso di massa. Ciascun nucleone (protone e neutrone) è in grado di stabilire interazioni con altri nucleoni; una coppia protone-neutrone stabilisce una somma di interazioni stabili e bilanciate reciprocamente, mentre un eccesso o un difetto di neutroni nel nucleo sbilancia il numero ed il tipo delle interazioni e pertanto il nucleo risulta instabile. Solo quei nuclei che possiedono approssimativamente lo stesso numero di protoni e di neutroni risulta stabile nelle condizioni attuali presenti sulla terra (fig.1).
Quei nuclei che possiedono un rapporto tra p/n diverso da uno hanno vita media limitata rispetto ai loro isotopi più stabili. Dalla scoperta di Becquerel sono state identificate quasi 2500 specie di nuclei differenti e di essi solo una piccola percentuale, circa 280 è stabili. Vari tipi di decadimenti radioattivi concorrono in tempi più o meno lunghi alla trasformazione del nucleo instabile in una forma più stabile. In pratica ponendo in fig.1 Mappa di stabilità dei nuclei un grafico con in ascisse il numero di protoni ed in ordinata il numero di neutroni di un nucleo per gli elementi della tavola periodica ed i loro vari isotopi otteniamo un grafico in cui si individuano diverse zone (fig.1). Gli elementi che stanno sulla diagonale nera hanno tutti una stabilità nucleare elevata, mentre quelli che si trovano sopra la diagonale (eccesso di neutroni) e sotto (eccesso di protoni) sono instabili e soggetti a decadimento radioattivo. In particolare si osserva che per il numero di massa A < 40 si ha che N Z; per elementi più pesanti, N aumenta più velocemente del numero atomico Z. Il motivo è che tutti i nucleoni subiscono indistintamente la forza nucleare attrattiva, mentre solo i protoni subiscono la forza elettrostatica repulsiva. Quando il numero d ordine della tavola periodica cresce, la stabilità del nucleo tende a diminuire a causa della repulsione coulombiana, le forze nucleari attrattive devono quindi aumentare ed è necessaria la presenza nel nucleo di una percentuale maggiore del numero N di neutroni rispetto ai protoni. Il limite di questa stabilità è dato dall'elemento con Z=92 (uranio, U 238) che possiede 146 neutroni, dopodiché in natura non esistono nuclei stabili in condizioni normali; gli elementi con Z>92 (transuranici) sono artificiali e sono instabili. I fenomeni radioattivi si possono realizzare anche artificialmente. Nel 1934 Enrico Fermi e i suoi collaboratori ottennero una radioattività indotta bombardando i nuclei di molti elementi, tra cui l uranio, con neutroni lenti. Questi esperimenti aprirono la strada per le trasmutazioni artificiali di elementi. Nel 1936 Emilio Segrè e Charles Perrier isolarono un isotopo radioattivo dell'elemento 43, che chiamarono tecnezio (dal termine greco τεχνητός che vuol artificiale), ottenuto per bombardamento di un campione di molibdeno con un deutone (il nucleo del deuterio, isotopo dell'idrogeno, costituito da un protone e da un neutrone) in un ciclotrone. Esso consentiva di accelerare fasci di particelle o subatomiche (protoni e deutoni), lungo una traiettoria circolare, fino a farli collidere con diversi materiali, per ottenere isotopi radioattivi e ricavare, di conseguenza, informazioni sulle reazioni nucleari e le stabilità dei nuclei atomici. Usando il bombardamento di altri atomi per ottenere elementi radioattivi, si scoprirono ben presto i restanti elementi che mancavano nel sistema periodico: il francio (1939); il promezio (1945); l'astato (1947).
fig.2 Schema delle reazioni che spiegano l'origine del Nettunio Gli esperimenti di Fermi sull uranio lo portarono a ipotizzare che fosse possibile sintetizzare nuovi elementi (chiamati, ausonio ed esperio) bombardando il nucleo atomico con i neutroni. In realtà la radioattività indotta nell uranio dal gruppo Fermi fu interpretata nel 1938 come fissione nucleare. Solo nel 1940 fu sintetizzato il nettunio con numero atomico 93, il primo elemento al di là dell uranio seguendo lo schema rappresentato nella fig.2. Successivamente si scoprirono una serie di nuovi elementi transuranici: plutonio (numero atomico 94), americio (95), curio (96), berkelio (97), californio (98), einsteinio (99) e fermio (100). Questo procedimento di cattura neutronica termina con il fermio, in quanto al di là di esso il decadimento beta non avviene e quindi non si possono produrre nuovi elementi con questa tecnica. Per produrre elementi con numero atomico superiore a 100, il metodo possibile è quello di fondere i nuclei degli elementi leggeri aventi Z>2. Lo studio degli elementi transuranici ha dimostrato che i tempi di dimezzamento e la resistenza alla fissione spontanea diminuiscono all'aumentare del numero atomi. Sembrava pertanto inutile cercare di sintetizzare nuovi elementi con numero atomico maggiore di 103, si pensava infatti che il limite pratico della tavola periodica sarebbe stato raggiunto con l elemento 108 in quanto i tempi di semi-vita estrapolati da quelli degli elementi pesanti conosciuti sarebbero stati estremamente brevi (10-6 s) per permetterne lo studio. A partire dagli anni 50 è stato sviluppato un modello del nucleo a gusci, costituito da particelle che si muovono in un campo di forze nucleari. Analogamente ai gusci elettronici completi, il modello prevede che, in corrispondenza di gusci nucleari pieni, contenenti un prestabilito numero di protoni e neutroni, il sistema sia particolarmente stabile. Sviluppi successivi di questa teoria hanno previsto l esistenza di elementi con numero atomico intorno al 114 con tempo di dimezzamento più lungo rispetto ai predecessori sintetizzati (secondi o minuti). Gli elementi vicini al 114 sono considerati far parte di quella che è chiamata isola di stabilità in un mare di elementi instabili. fig.2 Rappresentazione dell isola di stabilità teorica. Il tempo di dimezzamento dei nuclidi è riportato come funzione del numero dei protoni (Z) e dei neutroni (N). il continente degli elementi stabili termina al capo piombo-bismuto, e una regione di relativa stabilità appare intorno agli isotopi del torio e uranio (Z=90,92). Nella regione degli elementi superpesanti, la teoria prevede un isola di stabilità con un numero di protoni di 114 e un numero di neutroni di 184
I gusci protonici dell elio, ossigeno, nickel, stagno e piombo, sono completamente riempiti e arrangiati in maniera tale che il nucleo ha una stabilità aggiuntiva. I numeri atomici di questi elementi 2, 8, 28, 50 e 82 sono conosciuti come numeri magici. Questi stessi numeri più il 126 sono numeri magici per i neutroni. E da notare, che tutti questi numeri magici sono pari, e che gli elementi con numeri di protoni e neutroni pari rappresentano il 90% degli elementi presenti nella crosta terrestre. Il piombo 208, ha 82 protoni e 126 neutroni e il nucleo, doppiamente magico, appare essere virtualmente eterno. Per i protoni il numero magico successivo all 82 previsto è il 114 e non 126, e gli atomi con un doppio numero magico di 114 protoni e 184 neutroni dovrebbe essere quindi il picco dell isola di stabilità. Lo sviluppo degli acceleratori di particelle ha permesso di far avvenire collisioni tra ioni di elementi come il boro (Z=5) con nuclei di elementi di numero atomico compreso tra 94 e 98 in modo da provocarne la fusione. Per far avvenire questo processo è necessaria una grande energia in modo che la collisione tra i nuclei sia sufficiente a sovrastare la forza elettrostatica di repulsione tra i protoni di ciascun nucleo. Questa alta energia aumenta la probabilità che il nuovo elemento formato vada incontro ad una fissione. Con questa tecnica sono stati ottenuti gli elementi dal 102 al 106; al di sopra di questo valore, la fissione ha reso impossibile sintetizzare nuovi elementi. Lo sviluppo del processo conosciuto come fusione fredda, che consiste nel bombardamento di nuclei mediante fasci di ioni pesanti, ha permesso di ottenere nuclei con energie di eccitazione più basse che non si disintegravano subito dopo essere stati sintetizzati. Il sistema ha richiesto un acceleratore capace di produrre intensi fasci di ioni. Durante gli esperimenti vengono sintetizzati pochissimi nuclei dei nuovi elementi desiderati, e i nuclei derivanti dal decadimento dei nuovi elementi a loro volta decadono così rapidamente che devono essere rivelati mentre il processo di sintesi è ancora in corso. Il processo avviene in due fasi: inizialmente i proiettili si combinano con gli atomi del bersaglio dando origine al nuovo nucleo eccitato, che poi emettendo neutroni perde energia e si raffredda, arrivando allo stato fondamentale, non eccitato. Nella seconda fase, il fascio dei proiettile e dei nuclidi formati, avendo velocità e masse diverse, vengono separati utilizzando campi magneti ed elettrici. I due campi tendono a deflettere in direzione opposta le particelle cariche. Soltanto se un nucleo è in moto ad una velocità corretta gli effetti si annullano e quindi proseguirà lungo il piano mediano dell apparecchiatura. Questi nuclidi arrivano ad un sistema di rilevatori al silicio. Qui i decadimenti nucleari vengono associati a posizioni ben precise per determinare quali isotopi si siano sintetizzati. Si possono così avere i dati necessari per costruire la catena di decadimento dei nuovi nuclidi in base alla quale se ne può stabilire numero atomico e massa (fig.3). fig.3 Schema dell acceleratore di particelle utilizzato a Dubna per sintetizzare l isotopo 114-289
Il sistema ha consentito l'identificazione di nuovi nuclidi, anche se si erano formati solo pochi atomi (uno per l'elemento 109 e tre per il 108). Aumentando la sensibilità dei rivelatori e regolando ulteriormente l'intensità del fascio ionico si è riusciti a ottenere l'elemento 111 e 112. L'elemento 112 ha un tempo di dimezzamento di 240 microsecondi, e in 25 giorni se ne sono riusciti a produrre solo due atomi. Dal 1994, gruppi di ricerca in Germania, Stati Uniti e Russia, sono riusciti ad ampliare il sistema periodico con sei nuovi elementi di numero atomico fino a 118. La sintesi più importante è stata quella degli isotopi dell'elemento 114, che ha costituito la dimostrazione definitiva dell'esistenza dell'isola di stabilità. Si è scelta una reazione che introducesse il massimo numero di neutroni nei nuclei: l irradiazione del plutonio 244 con un fascio di ioni di calcio 48 (che ha un doppio numero magico, 20 protoni e 28 neutroni). Dopo 40 giorni di irradiazione sono stati osservati tre decadimenti spontanei per fissione. Due di questi erano prodotti indesiderati dovuti al decadimento del nucleo di americio 244, mentre il terzo si è impiantato nel rilevatore seguito da tre decadimenti alfa (cioè la perdita in successione di due protoni e due neutroni). Questo isotopo dell elemento 114 ha un tempo di dimezzamento di 30,4 secondi. Seguono i decadimenti successivi negli elementi 112, 110 e 108 1 (fig. 4). fig.4 Rappresentazione schematica della sequenza di decadimento dell isotopo 114-289 Nel maggio del 2012 la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ha ufficializzato il nome di questo elemento in Flerovium (Fl) in onore del Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, dove elementi superpesanti, incluso l elemento 114, sono stati sintetizzati. La creazione di questi nuclei e l osservazione del loro decadimento costituiscono uno strumento importantissimo per verificare le teorie che spiegano come si formano gli atomi. Lo studio dei limiti fisici della tavola periodica permette di rispondere inoltre alla domanda se gli elementi superpesanti continuino ad esibire le stesse regolarità di comportamento osservate finora con gli elementi più leggeri e che hanno costituito la grandezza della tavola periodica. Nonostante questi elementi abbiano vite brevi, è stato possibile in alcuni casi realizzare esperimenti nei quali le caratteristiche chimiche cominciano a emergere con maggiore chiarezza. I risultati teorici e sperimentali ottenuti finora, mostrano che non sempre viene mantenuta la somiglianza chimica degli elementi appartenenti ad un particolare gruppo. Ciò è dovuto a effetti relativistici degli elettroni che modificano gli stati energetici quantistici da cui dipendono le proprietà chimiche, e quindi la periodicità. 1 L isotopo 108 con 169 neutroni si trova nella zona di instabilità e quindi subisce una fissione spontanea.