La scoperta degli ultimi elementi della Tavola di Mendeleev: il ruolo cruciale del JINR

La Tavola di Mendeleev, di cui abbiamo già parlato qui, è il punto d’incontro di due scienze fondamentali: la chimica e la fisica. I chimici hanno ipotizzato, isolato, caratterizzato e quindi ufficialmente classificato tutti i 98 elementi che si trovano naturalmente sul nostro pianeta. Ma poi i fisici si sono dati da fare e hanno inventato, creato o – meglio – sintetizzato altri 20 elementi che nessuno aveva mai visto e che non erano mai esistiti prima (almeno da queste parti).  

Tutti questi elementi, naturali o artificiali, scoperti o sintetizzati, stabili o talmente instabili da esistere solo poche frazioni di secondo, hanno tutti trovato posto nei riquadri ancora liberi della stessa Tavola che il nostro Mendeleev aveva disegnato nel lontano 1869. E la nascita di sempre nuovi elementi continua ad arricchire la nostra comprensione della natura più intima della materia. 

Ora non ci sono più posti liberi: la Tavola Periodica degli elementi sembra piena – ho detto “sembra”, poi ne parliamo – sembra piena, dicevo, come un parcheggio di Rimini a Ferragosto.

La conclusione di questo riempimento (della Tavola, non del parcheggio) ha suscitato un grande entusiasmo in entrambe le categorie di scienziati. Tra questi nuovi elementi, quelli con numeri atomici 113, 114, 115, 116, 117 e 118 hanno rappresentato un traguardo straordinario. Chi ha giocato un ruolo di primissimo piano in queste scoperte, è stato Il Joint Institute for Nuclear Research (JINR) che ha così potuto avviare una nuova era nella chimica e nella fisica nucleare. 

Un’avventura scientifica che inizia nel cuore della ricerca nucleare

Il JINR, con sede a Dubna, 100 km a nord di Mosca, ha avuto il ruolo del protagonista nella scoperta di questi nuovi elementi, ma ha lavorato anche in collaborazione con istituti e università internazionali. La scoperta di elementi con numeri atomici così elevati non è un’impresa semplice: la loro sintesi richiede l’accelerazione di ioni pesanti ad altissime velocità. Occorre fare collidere nuclei di atomi leggeri con quelli di atomi molto più pesanti. Non è un processo banale, perché questi ioni positivi tendono a respingersi elettrostaticamente, e per riuscire a farli sbattere uno contro l’altro – creando a tutti gli effetti una fusione nucleare – occorre accelerali a velocità spaventose. Pertanto, questi esperimenti richiedono apparecchiature sofisticate e il coinvolgimento di fisici, chimici e ingegneri altamente qualificati per realizzarle e farle funzionare.

Nel caso degli elementi 113, 114 e 115, ad esempio, il JINR ha utilizzato grandi acceleratori di ioni e enormi energie per bombardare atomi di bismuto (Bi) 209 con ioni di calcio (Ca) 48, provocando la loro fusione nucleare. Ogni collisione produce un nuovo atomo che, tuttavia, ha una vita molto breve, spesso dell’ordine di frazioni di secondo, il che rende la rilevazione estremamente complessa.

Nonostante la breve vita degli atomi appena creati, l’alta precisione delle misurazioni ha permesso di confermare la loro esistenza. Gli esperimenti eseguiti presso il JINR e altri centri di ricerca hanno mostrato che questi nuovi elementi sono decisamente instabili, quindi inutilizzabili a qualsiasi fine pratico, ma la loro sintesi ha aperto la strada a nuove indagini sulla stabilità dei nuclei e sui limiti stessi della Tavola Periodica.

La creazione degli atomi più obesi del mondo

Ogni scoperta di un nuovo elemento della Tavola rappresenta un momento storico. Per sintetizzarli, il JINR ha realizzato acceleratori di particelle avanzati come il ciclotrone U400, che permette di accelerare ioni di alta energia, e il nuovo acceleratore U400M. 

Si tratta di acceleratori di particelle, in particolare di ioni pesanti, progettati per produrre fasci di ioni di alta energia, necessari per esperimenti nel campo della fisica nucleare, tra cui proprio la sintesi di nuovi elementi superpesanti. Ma vengono impiegati anche per ricerche relative alla struttura della materia e alla dinamica delle particelle ad alta energia. Solo queste condizioni, dove un enorme quantitativo di energia viene liberato in uno spazio piccolissimo, permettono la fusione di atomi pesanti, che è alla base della creazione di nuovi elementi.

Ecco una panoramica degli ultimi sei: 113 (Nihonio), 114 (Flerovio), 115 (Moscovio), 116 (Livermorio), 117 (Tennessio) e 118 (Oganeson).

– Elemento 113 – Nihonio (Nh): Questo elemento, chiamato Nihonio – una delle due parole che in giapponese si usano per indicare proprio il Giappone – è stato scoperto nel 2004. Il suo nome riflette l’importanza dello Stato del Sol Levante nella ricerca scientifica. La sintesi di Nihonio è avvenuta tramite una reazione di fusione tra atomi di bismuto e ioni di zinco e l’elemento risultante ha una vita media di circa 10 secondi. Una specie di nonno obeso rispetto ai suoi simili nella stessa area della Tavola Periodica.

– Elemento 114 – Flerovio (Fl): Dedicato al fisico russo Georgy Flerov, è stato creato nel 1998 al JINR. La sua scoperta è stata il risultato di una reazione tra atomi di plutonio e ioni di calcio. Il Flerovio ha un nucleo instabile, quindi è fortemente radioattivo, e ha una vita media di solo un paio di secondi.

– Elemento 115 – Moscovio (Mc): Il suo nome rende omaggio alla città di Mosca, è stato scoperto nel 2003. Il processo di sintesi è stato simile a quello del Flerovio, utilizzando una fusione tra ioni di calcio e atomi di americio. Questo elemento è estremamente instabile, vive in media poco più di mezzo secondo e, per questo, richiede strumenti avanzatissimi per la sua rilevazione.

– Elemento 116 – Livermorio (Lv): Scoperto nel 2000, è stato nominato in onore del Lawrence Livermore National Laboratory. La sua sintesi ha richiesto una collisione di ioni di calcio con atomi di curio. Come gli altri, anche il Livermorio è altamente instabile, ma la sua scoperta è stata fondamentale per il progresso della chimica nucleare. Al JINR sono stati realizzati, infatti, ben sei diversi isotopi di Livermorio, con numero di massa che va da 288 a 293 ed una vita media che, nel migliore dei casi, è di 80 millisecondi, record raggiunto dal più pesante isotopo 293.

– Elemento 117 – Tennessio (Ts): Prende il nome dallo stato del Tennessee, è stato sintetizzato nel 2010 grazie alla collaborazione internazionale tra JINR, Lawrence Livermore e altri istituti. Questo elemento è il risultato della fusione tra atomi di berillio e ioni di bismuto. E’ (a parimerito, lo vedremo fra poco) il più pesante elemento nell’intero Universo conosciuto, con un numero di massa atomica pari a 294. Quindi, oltre ai 117 protoni che lo definiscono come elemento, nel suo nucleo si trovano anche ben 177 neutroni: un colosso. Sorprendentemente, risulta dotato di una lunghissima vita media per un elemento di quella stazza: è stato dimostrato che decade dopo da poche decine ad alcune centinaia di millisecondi. La relativa propensione ad invecchiare felicemente di questo gigante, fa pensare che potrebbe essere collocato nella cosiddetta isola di stabilità di cui parleremo fra poco. 

– Elemento 118 – Oganeson (Og): L’elemento con il numero atomico da Guinnes dei Primati è stato scoperto nel 2002 ed è stato attribuito al fisico Yuri Oganesyan per il suo contributo fondamentale alla ricerca nucleare. La sua sintesi ha coinvolto una fusione tra ioni di calcio e atomi di californio, che hanno dato vita a un atomo di Oganeson. Quest’ultimo è stato osservato per una manciata di millisecondi prima di decadere per fissione. Il gigante assoluto della Tavola Periodica ha, ovviamente, il più alto numero atomico finora conosciuto, pari a 118. Ma, possedendo “solo” 176 neutroni – uno in meno di quelli che si trovano nel nucleo del Tennessio –, si trova costretto a condividere a parimerito con lui la massa atomica complessiva di 294.

La ricerca di nuovi “super-elementi”

Con questi ultimi sei elementi superciccioni, si completa e si conclude il settimo ed ultimo Periodo (riga orizzontale) della Tavola Periodica; ma cosa succede ora?

Non è scritto da nessuna parte che la Tavola Periodica debba finire proprio così, con un punto definitivo in corrispondenza dell’ultima casella della settima riga. Potrebbe non essere un punto definitivo ma un… punto e a capo.  Oggi i fisici e i chimici stanno cercando di andare oltre, esplorando la possibilità di creare nuovi “super-elementi” più pesanti dell’elemento 118. L’interesse scientifico per questi giganti non riguarda solo il numero atomico, ma soprattutto la loro stabilità e le loro potenziali proprietà uniche.

Alla ricerca dell’Isola di Stabilità

Proposta per la prima volta da Glenn Seaborg nel 2000, la teoria dell’Isola di Stabilità suggerisce che, oltre il numero atomico 118, non solo potrebbero esserci nuovi nuclei atomici, ma che possano essere anche più stabili, grazie a una combinazione di protoni e neutroni che formano un “guscio” più equilibrato e meno soggetto a rompersi per fissione. Questi nuclei sarebbero meno radioattivi e potrebbero esibire una durata più lunga rispetto a quelli degli elementi già scoperti. Si stima che gli “elementi super-stabili” potrebbero esistere nell’intervallo da 119 a 126, con possibili applicazioni future in fisica, chimica e anche tecnologia. Questi elementi potrebbero collocarsi proprio nel – per ora assolutamente immaginario – ottavo periodo della Tavola periodica.

La ricerca di super-elementi ancora più ciccioni dei lottatori di Sumo creati fino ad ora, continuerà a spingere i limiti delle tecnologie attuali. I fisici nucleari stanno già studiando nuovi acceleratori di particelle – come il progetto dell’International Linear Collider (ILC) – che permetteranno di produrre quantità sempre maggiori di ioni superpesanti. Inoltre, l’avanzamento delle tecniche di analisi e rilevamento potrebbe aumentare significativamente il numero di scoperte in questo campo, permettendo di osservare e studiare nuclei che oggi sembrano troppo fugaci per essere captati. Alcuni scienziati sono orientati verso la creazione di atomi con nuovi numeri quantici o con proprietà ancora sconosciute, che potrebbero avere applicazioni pratiche in campi come la medicina, l’energia o l’informatica quantistica.

Insomma, la scoperta degli ultimi sei elementi della tavola periodica non solo ha arricchito il nostro catalogo di conoscenze chimiche, ma ha anche spinto la ricerca scientifica verso nuovi orizzonti. Per ottenere questi risultati, è stato necessario un enorme impegno scientifico e una forte collaborazione tra laboratori di diverse nazioni, dimostrando ancora una volta l’importanza della cooperazione internazionale nel campo della scienza nucleare a beneficio di tutta l’umanità.