Il gioco dei numeri: l’estensione della tavola periodica Understand article

Tradotto da Monica Menesini. Fino a pochi secoli fa, era opinione comune che il mondo fosse costituito solo da aria, acqua, terra e fuoco. Da allora gli scienziati hanno scoperto 118 elementi, e sono alla ricerca del 119esimo.

Nei laboratori europei dell’era spaziale i ricercatori stano collaborando per scoprire nuovi elementi. Se ci riusciranno, entreranno a far parte del club di scienziati che hanno riscritto la tavola periodica.

Gli antichi greci possono essersi sbagliati riguardo al fatto che esistano solo quattro elementi – aria, acqua, terra e fuoco – ma avevano sicuramente ragione nel ritenere che gli elementi fossero gli ingredienti di tutto ciò che ci circonda, legati gli uni agli altri per formare composti e mescolati insieme in proporzioni differenti. Ma mentre i composti esistono in infinite varietà, gli elementi sono molto più semplici, e finora se ne conoscono solo 118^w1. Scoprirne uno nuovo è una grande sfida.

Gli atomi, i mattoni che costituiscono la materia, sono tutti formati dagli stessi, semplici costituenti: minuscole particelle chiamate protoni e neutroni, e ancor più minuscoli elettroni che si muovono intorno ad essi. Il numero di protoni di un atomo – il suo numero atomico – definisce la natura dell’elemento. Un atomo di ossigeno, per esempio, ha otto protoni, otto neutroni (generalmente) e otto elettroni, mentre l’elemento più pesante puo avere più di cento particelle di ciascun tipo.

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Il chimico russo Dmitri Mendeleev non conosceva queste particelle quando, nel 1869, organizzò gli elementi in una tabella basata sul loro peso atomico. Ben presto si accorse che era presente uno schema di base: in particolare le colonne raggruppavano insieme elementi con proprietà sorprendentemente simili. Per esempio potassio, rubidio e cesio, tre metalli che regiscono violentemente con l’acqua, erano disposti uno sopra l’altro.

All’inizio la tavola di Mendeleev era piena di caselle vuote: tra lo zinco e l’arsenico, per esempio, sembrava mancassero due elementi. Ma Mendeleev fu in grado di prevedere che queste caselle vuote sarebbero state riempite con elementi ancora da scoprire, e usò la tabella per prevedere quali sarebbero state le loro proprietà. Ed ebbe ragione: le caselle vuote furono ben presto riempite da gallio e germanio.

Con poche modifiche, la tavola predisposta da Mendeleev è diventata quella che usiamo oggi: la tavola periodica^w1, qualcosa di così fondamentale che non possiamo fare a meno di pensare che dovesse per forza essere inventata.

Negli anni seguenti, i chimici hanno cercato di riempire gli spazi vuoti: nel frattempo, hanno anche scoperto perché la tavola periodica funziona: le righe e le colonne rispecchiano la disposizione degli elettroni nei diversi elementi, e gli elettroni a loro volta determinano molte delle proprietà dell’elemento.

Nel 1945 fu riempito l’ultimo spazio vuoto della tavola. La scienza aveva finalmente scoperto tutti gli elementi? Stranamente la risposta è si e no. Tutti gli elementi che esistono sulla Terra erano stati scoperti. Ma niente vietava che nuovi elementi potessero essere creati artificialmente, attaccandoli alla fine della tavola periodica, oltre l’elemento 92, l’uranio.

Con lo sviluppo della ricerca atomica negli anni ’40, proprio mente venivano riempiti gli ultimi spazi vuoti della tavola periodica, una sequela di nuovi elementi sintetizzati in laboratorio iniziarono ad aggiungersi alla fine della tavola periodica, arrivando fino ai 118 elementi noti fino ad oggi. Nessuno sa quanti altri elementi potranno essere scoperti.

Quello che sappiamo invece è che sintetizzare nuovi elementi diventa sempre più difficile. Oggi per avere la probabilità di scoprirne uno c’è bisogno di un laboratorio molto attrezzato: gli elementi facili da scoprire sono già stati tutti scoperti.

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Noto con il nome scioglilingua ununennio, l’elemento su cui si focalizza l’attenzione di un team internazionale probabilmente si rivelerà il più difficile da scoprire.

Il team, coordinato dal Centro GSI Helmoltz per la Ricerca degli Ioni Pesanti (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung), in Germania, cioinvolge circa 20 centri di ricerca in tutto il mondo e ha l’obiettivo di sintetizzare l’elemento 119. Il metodo sembra molto semplice: sparare un fascio di atomi di titanio (numero atomico 22) su un bersaglio di berkelio (97). Sommate i due e – eureka! – otterrete 119.

Naturalmente non è così semplice.

Prima di tutto, neanche il berkelio altamente radioattivo esiste in natura: quindi deve essere sintetizzato in un reattore nucleare. Inoltre è dannatamente difficile far scontrare tra loro i due elementi.

“E’ estremamente difficile creare fasci di atomi di titanio. Per far questo, abbiamo segreti che non vogliamo condividere con altri” spiega il Professor Jon Petter Omtvedt, uno dei membri del team. “Bombarderemo il bersaglio con un flusso di 5 trilioni [5 x 10¹²] di atomi di titanio per secondo. La probabilità di uno scontro diretto (tra gli atomi) è molto bassa. Nelle rare occasioni in cui questa collisione avviene, gli atomi vengono dispersi o distrutti parzialmente nell’urto. Ma meno di una volta al mese riusciamo ad ottenere un atomo completo.”

E’ come vincere alla lotteria comprando abbastanza biglietti da garantirsi la vincita. E’ un processo lento e inefficiente, ma è un gioco di numeri, e prima o poi ci si arriva.

Ma c’è un altro problema. Tutti gli elementi pesanti sono radioattivi: i loro atomi si spezzano in atomi più piccoli liberando radiazioni. Gli elementi più pesanti finora scoperti sono estremamente instabili. L’ununoctio (elemento 118) si decompone nel giro di millisecondi rispetto alla sua sintesi; l’ununennio potrebbe essere ancora più instabile.

Non sono pericolosi – le quantità sono così piccole che la dose di radiazioni è sicura. Ma è difficile studiare l’elemento appena sintetizzato: non puoi inserirlo in una provetta o riscaldarlo sopra un becco Bunsen, perché hai a disposizione un solo atomo alla volta e per una frazione di secondo.

La soluzione trovata dal team di ricerca è sintetizzare l’ununennio con un acceleratore di particelle, poi spararlo in un rilevatore e cercare le tracce della disintegrazione dei nuclei di ununennio – radiazioni e atomi risultanti dalla disintegrazione – piuttosto che gli stessi atomi di ununennio.

E’ una soluzione brillante, ma una delle ambizioni del team non potrà realizzarsi: quella di studiare come reagiscono gli atomi di questo esotico elemento. Ma questo probabilmente non sarà mai possibile, almeno non con le tecnologie a cui oggi possiamo pensare.

Ma se il tuo mestiere è creare nuovi elementi, vincendo di tanto in tanto il jackpot della lotteria, la parola “impossibile” potrebbe sembrare una sfida…

Ringraziamenti

Gli editori di Science in School ringraziano il professor Christoph Düllmann del GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research per il suo contributo a questo articolo.

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