Dall'inizio del secolo, sei nuovi elementi chimici sono stati scoperti e successivamente aggiunti alla tavola periodica degli elementi, l'icona stessa della chimica. Questi nuovi elementi hanno un numero atomico elevato, fino a 118, e sono significativamente più pesanti dell'uranio, l'elemento con il numero atomico più alto (92) presente in quantità maggiori sulla Terra.
Ciò solleva le seguenti domande:quante altre di queste specie superpesanti aspettano di essere scoperte? Dov’è, se non del tutto, un limite fondamentale nella creazione di questi elementi? E quali sono le caratteristiche della cosiddetta isola di stabilità rafforzata?
In una recente revisione, esperti di chimica e fisica teorica e sperimentale degli elementi più pesanti e dei loro nuclei riassumono le principali sfide e offrono una nuova visione sui nuovi elementi superpesanti e sul limite della tavola periodica.
Uno di loro è il professor Christoph Düllmann del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung di Darmstadt, dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza e dell'Helmholtz Institute Mainz (HIM). Nel numero di febbraio, Nature Review Physics presenta l'argomento come storia di copertina.
Già nella prima metà del secolo scorso, i ricercatori si resero conto che la massa dei nuclei atomici è inferiore alla massa totale dei loro costituenti protoni e neutroni. Questa differenza di massa è responsabile dell'energia di legame dei nuclei. Un certo numero di neutroni e protoni porta a un legame più forte e viene definito "magia".
In effetti, gli scienziati hanno osservato presto che i protoni e i neutroni si muovono in gusci individuali simili ai gusci elettronici, con i nuclei del piombo metallico che sono i più pesanti con gusci completamente riempiti contenenti 82 protoni e 126 neutroni:un nucleo doppiamente magico.
Le prime previsioni teoriche suggerivano che la stabilità extra derivante dai successivi numeri “magici”, lontani dai nuclei conosciuti a quel tempo, avrebbe potuto portare a vite paragonabili all’età della Terra. Ciò ha portato alla nozione di una cosiddetta isola di stabilità di nuclei superpesanti separati dall'uranio e dai suoi vicini da un mare di instabilità.
Esistono numerose rappresentazioni grafiche dell'isola di stabilità, raffigurandola come un'isola lontana. Sono trascorsi molti decenni da quando è emersa questa immagine, quindi è tempo di dare uno sguardo nuovo alla stabilità dei nuclei superpesanti e vedere dove potrebbe condurci il viaggio verso i limiti della massa e della carica.
Nel loro recente articolo intitolato "La ricerca degli elementi superpesanti e il limite della tavola periodica", gli autori descrivono lo stato attuale delle conoscenze e le sfide più importanti nel campo di questi superpesanti. Presentano inoltre considerazioni chiave per lo sviluppo futuro.
Gli elementi fino a oganesson (elemento 118) sono stati prodotti in esperimenti, nominati e inclusi nella tavola periodica degli elementi negli acceleratori di tutto il mondo, come al GSI di Darmstadt e in futuro al FAIR, il centro internazionale di accelerazione in costruzione a GSI. Questi nuovi elementi sono altamente instabili e quelli più pesanti si disintegrano al massimo in pochi secondi.
Un'analisi più dettagliata rivela che la loro durata aumenta verso il numero magico di neutroni 184. Nel caso del copernicio (elemento 112), ad esempio, scoperto al GSI, la durata aumenta da meno di un millesimo di secondo a 30 secondi. Tuttavia, il numero di neutroni 184 è ancora lontano dall'essere raggiunto, quindi i 30 secondi sono solo un passo sulla strada.
Poiché la descrizione teorica è ancora soggetta a grandi incertezze, non c’è consenso su dove si verificheranno le vite più lunghe e quanto saranno lunghe. Tuttavia, vi è un accordo generale sul fatto che non ci si possono più aspettare nuclei superpesanti veramente stabili.
Ciò porta a una revisione del panorama dei superpesanti in due modi importanti. Da un lato siamo infatti arrivati alle sponde della regione a stabilità rafforzata e abbiamo così confermato sperimentalmente il concetto di isola a stabilità rafforzata. D’altra parte, non sappiamo ancora quanto sia grande questa regione, per restare nel quadro. Quanto durerà la durata massima, considerando che l'altezza delle montagne dell'isola rappresenta tipicamente la stabilità, e dove si verificheranno le vite più lunghe?
La Fisica della revisione della natura l'articolo discute vari aspetti della teoria della struttura nucleare ed elettronica, inclusa la sintesi e il rilevamento di nuclei e atomi superpesanti in laboratorio o in eventi astrofisici, la loro struttura e stabilità e la posizione degli elementi superpesanti attuali e previsti nella tavola periodica.
L'indagine dettagliata degli elementi superpesanti rimane un pilastro importante del programma di ricerca del GSI Darmstadt, supportato dalle infrastrutture e dalle competenze dell'HIM e dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza, formando un ambiente unico per tali studi.
Negli ultimi dieci anni sono stati ottenuti numerosi risultati rivoluzionari, compresi studi dettagliati sulla loro produzione, che hanno portato alla conferma dell'elemento 117 e alla scoperta dell'isotopo lawrencium-266, relativamente longevo, della loro struttura nucleare mediante una varietà di tecniche sperimentali , della struttura dei loro gusci atomici e delle loro proprietà chimiche, dove il flerovio (elemento 114) rappresenta l'elemento più pesante per il quale esistono dati chimici.
I calcoli sulla produzione nel cosmo, in particolare durante la fusione di due stelle di neutroni, osservata sperimentalmente per la prima volta nel 2017, completano il portafoglio di ricerca. In futuro, lo studio degli elementi superpesanti potrebbe essere ancora più efficiente grazie al nuovo acceleratore lineare HELIAC, per il quale il primo modulo è stato recentemente assemblato presso l'HIM e poi testato con successo a Darmstadt, in modo che ulteriori, ancora più esotici e quindi presumibilmente più lunghi anche i nuclei vissuti saranno ottenibili sperimentalmente.
Una panoramica delle scoperte degli elementi e dei primi studi chimici al GSI può essere trovata nell'articolo "Cinque decenni di scoperte di elementi superpesanti e indagini chimiche del GSI", pubblicato nel maggio 2022 in Radiochimica Acta .
Ulteriori informazioni: Odile R. Smits et al, La ricerca degli elementi superpesanti e il limite della tavola periodica, Nature Reviews Physics (2023). DOI:10.1038/s42254-023-00668-y
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
