Oltre l’elemento 118: la riga successiva della tavola periodica

Quattro nuovi elementi sono stati appena aggiunti alla tavola periodica completando la settima riga della tabella. Ma nonostante gli elementi 113, 115 e 118 siano stati scoperti nei primi anni 2000 e 117 nel 2010, non c’è ancora alcun segno di elementi 119 e oltre. Perché nessuno ha affermato di aver creato uno di questi nuovi pesi superpesanti e quando i chimici saranno in grado di iniziare un’ottava fila sulla tavola periodica?

Dal momento che Edwin McMillan e Filippo Abelson sintetizzato il primo transuranici elemento nettunio nel 1940, un flusso costante di nuovi elementi ha riempito il basso le righe della tabella periodica. Ogni volta che un gruppo afferma di aver sintetizzato un nuovo elemento, l’Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata (Iupac) deve valutare le prove presentate. In genere l’affermazione della prima sintesi di un nuovo elemento superpesante arriva molti anni prima che vengano raccolte prove sufficienti per ottenere il cenno di approvazione da parte dell’Iupac. Questo è ciò che rende sorprendente l’assenza di qualsiasi pretesa sulla creazione dell’elemento 119 o oltre. Ma mentre nessun gruppo ha ancora affermato di aver creato un elemento che appartiene all’ottava riga della tavola periodica, non è per mancanza di tentativi.

Per creare un nuovo elemento, un bersaglio di elementi pesanti viene bombardato con proiettili di elementi leggeri altamente accelerati. Già nel 2007, i ricercatori del Joint Institute for Nuclear Research (JINR) di Dubna, in Russia, e del Centro Helmholtz per la ricerca sugli ioni pesanti (GSI) di Darmstadt, in Germania, hanno cercato di sintetizzare l’unbinilium o l’elemento 120 bombardando rispettivamente il plutonio con ferro e uranio con nichel. Tuttavia, entrambi i team hanno osservato solo un assortimento di nuclei e particelle più leggere. Affinché gli scienziati possano essere sicuri di aver davvero creato un nuovo elemento, devono seguire le catene di decadimento del nuovo elemento, spiega James Roberto, direttore del laboratorio associato presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) negli Stati Uniti.

Mirare alle nuove tecnologie

Sparare proiettili di calcio a un bersaglio di attinidi molto pesante ha funzionato bene per produrre elementi da 114 a 118, ma per elementi ancora più pesanti la probabilità di creare un nuovo elemento in questo modo diminuisce. Una soluzione apparentemente semplice sarebbe quella di sparare proiettili sempre più pesanti sul bersaglio.

acceleratori di colpire il bersaglio con circa 1012 proiettili ogni secondo. Ma ‘ colpire il bersaglio con un numero ancora maggiore di proiettili sarebbe effettivamente bruciare il bersaglio’, spiega ORNL fisico Krzysztof Rykaczewski. E puoi bruciare anche il tuo rilevatore. Abbiamo bisogno di una tecnologia migliore per evitare questo. Si potrebbe anche rendere il bersaglio molto più grande e diffondere il fascio di proiettili sulla sua area più ampia, ” aggiunge – ma fare questi bersagli di attinidi non è facile. La sintesi dei 20 mg di berkelium utilizzati per produrre l’elemento 117 ha richiesto più di due anni. La fabbrica di elementi Superheavy che viene costruita a Dubna avrà capacità di rilevamento migliorate e sarà in grado di generare fasci con intensità significativamente più elevate, ma “saranno necessarie ulteriori scoperte per continuare oltre l’elemento 120”, afferma Roberto.

Tuttavia, i ricercatori rimangono positivi. “Entro la vita di una generazione probabilmente raggiungeremo l’elemento 124”, ipotizza Rykaczewski. Eric Scerri, storico della chimica dell’Università della California, Los Angeles, USA, concorda: ‘Quindici anni fa era inconcepibile che qualcuno arrivasse fino a noi.”La ricerca di nuovi elementi, aggiunge, ha guidato e guiderà lo sviluppo tecnologico.

Un’idea per superare i limiti delle attuali tecniche di sintesi degli elementi pesanti è quella di indurre reazioni di trasferimento nucleare. Se hai sparato uranio a un bersaglio di uranio i nuclei non si fonderanno mai, spiega il ricercatore GSI Christoph Düllmann. Ma i nuclei in collisione possono scambiare protoni e neutroni quando si scontrano. “In alcuni casi ciò potrebbe portare a un prodotto che ha, ad esempio, 120 protoni”, afferma Düllmann. “Questo può essere un percorso per accedere agli isotopi che non sono raggiungibili dalle reazioni di fusione.’

Spingendo i confini

La maggior parte degli elementi superheavy ‘ durata molto limitata impedisce il loro uso in applicazioni del mondo reale. Studiandoli, tuttavia, gli scienziati mettono alla prova la comprensione del nucleo atomico. “Se vuoi testare un’auto che stai pensando di acquistare, non dovresti fare solo due giri nel parcheggio, ma testarla in condizioni difficili”, afferma Rykaczewski. Allo stesso modo, testare modelli nucleari in condizioni estreme aiuta i ricercatori a scegliere quelli che fanno le migliori previsioni.

I calcoli sono confusi su quanto più grande può essere la tavola periodica. Il fisico Richard Feynman predisse che l’elemento 137 fosse il limite. “Il calcolo si basa semplicemente sulla teoria della relatività di Einstein”, afferma Scerri. Quando i nuclei atomici diventano sempre più grandi, gli elettroni devono andare sempre più velocemente. Una volta raggiunta una certa dimensione, i calcoli prevedono che gli elettroni debbano andare più veloce della velocità di una luce – un’impossibilità fisica. Altri calcoli prevedono che questo accadrà molto più tardi, tuttavia, intorno all’elemento 170.

Mentre le quattro ultime aggiunte alla tavola periodica sono altamente radioattive e decadono in meno di un minuto, gli scienziati si aspettano di trovare un’isola di stabilità centrata sugli elementi 120, 124 o 126. Questi elementi’ magia ‘numeri di protoni e neutroni corrispondono a gusci nucleari pieni. Proprio come i gusci di elettroni di valenza completamente riempiti rendono elementi come i gas nobili chimicamente inerti, i gusci di neutroni o protoni riempiti aumentano la stabilità del nucleo.

I ricercatori sperano che gli isotopi doppiamente magici di unbinilium o unbihexium (elemento 126), contenenti sia un numero di protoni magici che un numero di neutroni magici, sarebbero ancora più longevi dei loro altri isotopi, anche se le stime dell’emivita variano selvaggiamente da pochi microsecondi a milioni di anni. I ricercatori hanno già visto aumentare la stabilità di elementi superheavy noti quando in isotopi con numeri di neutroni più vicini alla magia 184. “Il santo graal nella sintesi di elementi superpesanti consiste nel raggiungere questo numero di neutroni”, afferma Düllmann. “Ma il problema è che al momento non abbiamo due nuclei che ci daranno un elemento superpesante che ha anche tanti neutroni.’