Mentre si avvicina il 150° anniversario della formulazione della Tavola periodica degli elementi chimici, un professore della Michigan State University sonda i limiti del tavolo in un recente Prospettiva della fisica della natura .

Il prossimo anno segnerà il 150° anniversario della formulazione della tavola periodica creata da Dmitry Mendeleev. Di conseguenza, le Nazioni Unite hanno proclamato il 2019 Anno Internazionale della Tavola Periodica degli Elementi Chimici (IYPT 2019). A 150 anni, il tavolo è ancora in crescita. Nel 2016, sono stati aggiunti quattro nuovi elementi:nihonium, moscovio, Tennessine, e oganesson. I loro numeri atomici - il numero di protoni nel nucleo che determina le loro proprietà chimiche e il posto nella tavola periodica - sono 113, 115, 117, e 118, rispettivamente.

Ci sono voluti un decennio e uno sforzo mondiale per confermare questi ultimi quattro elementi. E ora gli scienziati si chiedono:fino a che punto può arrivare questo tavolo? Alcune risposte possono essere trovate in un recente Prospettiva della fisica della natura di Witek Nazarewicz, Hannah Distinguished Professor di Fisica presso la MSU e capo scienziato presso la Facility for Rare Isotope Beams.

Tutti gli elementi con più di 104 protoni sono etichettati come "superpesanti", e fanno parte di un vasto, terra totalmente sconosciuta che gli scienziati stanno cercando di scoprire. Si prevede che atomi con un massimo di 172 protoni possano formare fisicamente un nucleo legato insieme dalla forza nucleare. Quella forza è ciò che impedisce la sua disintegrazione, ma solo per poche frazioni di secondo.

Questi nuclei creati in laboratorio sono molto instabili, e decadono spontaneamente subito dopo la loro formazione. Per quelli più pesanti di oganesson, questo potrebbe essere così veloce da impedire loro di avere abbastanza tempo per attirare e catturare un elettrone per formare un atomo. Trascorreranno tutta la loro vita come congregazioni di protoni e neutroni.

Se le cose stanno così, questo metterebbe in discussione il modo in cui gli scienziati oggi definiscono e comprendono gli "atomi". Non possono più essere descritti come un nucleo centrale con elettroni che lo orbitano in modo molto simile a come i pianeti orbitano attorno al sole.

E se questi nuclei possono formarsi del tutto, è ancora un mistero.

Gli scienziati stanno lentamente ma inesorabilmente strisciando in quella regione, sintetizzando elemento per elemento, non sapendo che aspetto avranno, o dove sarà la fine. La ricerca dell'elemento 119 continua in diversi laboratori, principalmente presso l'Istituto congiunto per la ricerca nucleare in Russia, al GSI in Germania, e RIKEN in Giappone.

"La teoria nucleare non ha la capacità di prevedere in modo affidabile le condizioni ottimali necessarie per sintetizzarle, quindi devi fare ipotesi ed eseguire esperimenti di fusione finché non trovi qualcosa. In questo modo, potresti correre per anni, ", ha detto Nazarewicz.

Sebbene la nuova struttura per fasci di isotopi rari presso MSU non produrrà questi sistemi superpesanti, almeno all'interno del suo design attuale, potrebbe far luce su quali reazioni potrebbero essere utilizzate, spingendo i confini degli attuali metodi sperimentali. Se l'elemento 119 è confermato, aggiungerà un ottavo periodo alla tavola periodica. Questo è stato catturato dall'haiku Elemental di Mary Soon Lee:Si alzerà il sipario?/ Aprirai l'ottavo atto?/ Reclamerai il centro della scena?

Nazarewicz ha detto che la scoperta potrebbe non essere troppo lontana:"Presto. Potrebbe essere ora, o in due o tre anni. Non lo sappiamo. Gli esperimenti sono in corso".

Rimane un'altra domanda eccitante. I nuclei superpesanti possono essere prodotti nello spazio? Si pensa che questi possano essere realizzati in fusioni di stelle di neutroni, una collisione stellare così potente da scuotere letteralmente il tessuto stesso dell'universo. In ambienti stellari come questo, dove i neutroni sono abbondanti, un nucleo può fondersi con un numero sempre maggiore di neutroni per formare un isotopo più pesante. Avrebbe lo stesso numero di protoni, e quindi è lo stesso elemento, ma più pesante. La sfida qui è che i nuclei pesanti sono così instabili che si rompono molto prima di aggiungere più neutroni e formare questi nuclei superpesanti. Ciò ostacola la loro produzione in stelle. La speranza è che attraverso simulazioni avanzate, gli scienziati saranno in grado di "vedere" questi nuclei sfuggenti attraverso i modelli osservati degli elementi sintetizzati.

Man mano che le capacità sperimentali progrediscono, gli scienziati perseguiranno questi elementi più pesanti da aggiungere al tavolo rimodellato. Intanto, possono solo chiedersi quali affascinanti applicazioni avranno questi sistemi esotici.

"Non sappiamo che aspetto hanno, e questa è la sfida", disse Nazarewicz. "Ma ciò che abbiamo imparato finora potrebbe significare la fine della tavola periodica come la conosciamo".

MSU sta istituendo FRIB come nuova struttura per utenti scientifici per l'Ufficio di Fisica Nucleare presso l'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. In costruzione nel campus e gestito da MSU, FRIB consentirà agli scienziati di fare scoperte sulle proprietà di isotopi rari al fine di comprendere meglio la fisica dei nuclei, astrofisica nucleare, interazioni fondamentali, e applicazioni per la società, anche in medicina, sicurezza interna e industria.