Evoluzione del Sistema Periodico:
“I nuovi elementi
superpesanti”
Lezioni d'Autore
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n.b. sottotitoli in italiano attivabili
Introduzione (I)
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 è invariabilmente: la
Tavola Periodica degli Elementi.
(Richard P. Feynman)
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.
Introduzione (II)
La Tavola Periodica degli Elementi
Introduzione (III)
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.
L'evoluzione della tavola periodica (I)
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.
L'evoluzione della tavola periodica (II)
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.
L'evoluzione della tavola periodica (III)
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.
L'evoluzione della tavola periodica (IV)
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.
L'evoluzione della tavola periodica (V)
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.
L'evoluzione della tavola periodica (VI)
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.
L'evoluzione della tavola periodica (VII)
Solo quei nuclei che possiedono approssimativamente
lo stesso numero di protoni e di neutroni risulta stabile
nelle condizioni attuali presenti sulla terra.
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.
L'evoluzione della tavola periodica (VIII)
Ponendo in un piano cartesiano avente in ascisse il numero di protoni e in
ordinate il numero di neutroni di un nucleo, otteniamo, per gli elementi
della tavola periodica ed i loro vari isotopi, un grafico in cui si individuano
diverse zone.
Mappa di stabilità dei nuclei
L'evoluzione della tavola periodica (IX)
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.
Mappa di stabilità dei nuclei
L'evoluzione della tavola periodica (X)
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.
Mappa di stabilità dei nuclei
L'evoluzione della tavola periodica (XI)
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.
L'evoluzione della tavola periodica (XII)
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.
“I Ragazzi di Via Panisperna” 1934 (da sinistra, O. D’Agostino, E. Segré, E. Amaldi, F. Rasetti e E. Fermi)
L'evoluzione della tavola periodica (XIII)
Uno dei primi ciclotroni operante a Berkeley (Univ.
California)
Nel 1936 Emilio Segrè e Charles Perrier
isolarono un isotopo radioattivo
dell'elemento 43, che chiamarono tecnezio
(dal termine greco τεχνητόςche 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).
Gli elementi transuranici (I)
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 figura accanto.
Gli elementi transuranici (II)
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.
Gli elementi transuranici (III)
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.
I nuovi elementi superpesanti (I)
A partire dagli anni '50 del secolo scorso, 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.
I nuovi elementi superpesanti (II)
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
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.
I nuovi elementi superpesanti (III)
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.
I nuovi elementi superpesanti (IV)
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.
I nuovi elementi superpesanti (V)
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.
I nuovi elementi superpesanti (VI)
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.
Schema dell’acceleratore di particelle utilizzato
a Dubna per sintetizzare l’isotopo 114-289
I nuovi elementi superpesanti (VII)
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.
I nuovi elementi superpesanti (VIII)
Rappresentazione schematica della sequenza
di decadimento dell’isotopo 114-289
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.
Conclusioni (I)
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.
Conclusioni (II)
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.
FINE
