In questa puntata della nostra rubrica di divulgazione scientifica Marco Lazzara prende in esame uno dei meccanismi fondamentali della chimica.
Sollevai con cura il barattolo del catodo, e tenendolo con la bocca in giù accesi un fiammifero e lo avvicinai. Ci fu una esplosione, piccola ma secca e rabbiosa, il barattolo andò in schegge e mi rimase in mano, come un simbolo sarcastico, l’anello di vetro del fondo. Era proprio idrogeno, dunque: lo stesso che brucia nel sole e nelle stelle e dalla cui condensazione si formano in eterno silenzio gli universi.
(Primo Levi, Il Sistema Periodico)
La nucleosintesi è il processo con cui si formano i diversi elementi chimici. I meccanismi con cui ciò avviene, e che ora esamineremo, sono molti e diversi tra loro. Prima di iniziare, però, è necessario tenere a mente alcuni concetti già trattati in precedenza. Per la struttura atomica, gli isotopi e le reazioni nucleari vedere il post The Lab – Paté de Foie Gras, mentre per le nozioni astronomiche il post The Lab – Nascita, Vita e Morte di una Stella.
1: il progenitore
Subito dopo il Big Bang, l’universo era sostanzialmente composto da particelle subatomiche, protoni, neutroni ed elettroni. Un protone è in effetti un nucleo di idrogeno, e alla temperatura degli inizi (10 miliardi di gradi) la materia è sostanzialmente sotto forma di plasma: si tratta di una stato in cui gli elementi sono sotto forma di gas ionizzati, cioè privi degli elettroni. L’idrogeno è il progenitore di tutti gli elementi chimici.
2: la prima fusione
In questa prima fase, l’universo è una sorta di reattore a fusione nucleare. Dall’idrogeno, oltre alla formazione del deuterio (idrogeno-2) per cattura di un neutrone, avviene un processo fondamentale, ovvero la prima fusione nucleare: si tratta di un processo in cui nuclei di idrogeno si uniscono a formare un nucleo di elio.
3-5: gli elementi sfortunati
La formazione di litio, berillio e boro rappresenta un mistero, dato che è al di fuori di tutti i cammini di reazione che vedremo. La loro formazione è infatti solo temporanea perché si convertono velocemente in altri elementi (possiamo considerarli alla stregua di intermedi di reazione). Ci si chiede allora come facciano a esistere. L’ipotesi che viene avanzata è che la loro formazione sia dovuta a spallazione, cioè una frammentazione di nuclei più pesanti dovuta al bombardamento da parte dei raggi cosmici (le radiazioni elettromagnetiche a più alta energia che si conosca).
6-12: “combustione” di elio, carbonio e ossigeno
Questo è un altro passaggio chiave, che avviene in tutte le stelle. Dalla fusione dell’elio viene prodotto il carbonio e da esso l’ossigeno. Reazioni successive di fusione nucleare di questi due elementi portano alla formazione degli elementi fino al magnesio.
13-22: processo a
I processi che seguono ora avvengono solo in stelle a massa più elevata rispetto a quella del sole. Durante l’evoluzione stellare, nel passaggio da gigante rossa a nana bianca, si raggiungono temperature dell’ordine di un miliardo di gradi. I raggi gamma che vengono prodotti fanno decadere per fissione il neon-20, producendo particelle alfa (nuclei di elio), le quali innescano nuove reazioni di fusione nucleare. Con questo processo si arriva fino al titanio.
23-29: processo e
In stelle a massa più elevata avviene un ulteriore processo chiamato e (equilibrio). Durante l’esplosione stellare nota come supernova, viene liberata un’immensa quantità di energia che permette di far avvenire reazioni nucleari di diverso tipo, che sono sostanzialmente delle interconversioni. Con questi processi si arriva fino al rame.
21-80: processo p
Il processo p (cattura di protoni) è un processo collaterale che porta alla formazione di molti isotopi a numero di massa pari, a partire dallo scandio-74 fino al mercurio-196. Anche questo processo avviene nelle supernove.
29-83: processi s ed r
Questo meccanismo avviene durante la fase di gigante rossa della stella. Il processo si basa sulla cattura da parte dei nuclei di neutroni lenti (processo s) e veloci (processo r) a cui seguono decadimenti di tipo beta- (emissione di elettroni). Con questo processo si formano gli isotopi con numero atomico tra 23 e 46 che non si sono formati col processo alfa, e quelli con numero di massa tra 63 e 209, quindi gli elementi fino al bismuto.
43 e 61: gli elementi mancanti
Tecnezio e promezio sono privi di isotopi stabili, infatti sulla Terra non sono presenti. La loro produzione è possibile non solo per via artificiale, ma anche in natura attraverso decadimenti spontanei (ovvero attraverso reazioni di fissione) di elementi più pesanti. Anche altri isotopi possono sfruttare questa ulteriore via.
84-92: gli elementi primordiali
Ci si interroga su come sia possibile la presenza degli elementi più pesanti, data l’instabilità di tutti i loro isotopi. La spiegazione che viene proposta è che la loro formazione avvenga secondo processi s ed r, che hanno comunque tempi minori del loro tempo di decadimento. Questi elementi hanno sostanzialmente l’età dell’universo. Il tempo di dimezzamento dell’uranio fa per esempio ipotizzare che la nostra galassia abbia tra i 12 e i 20 miliardi di anni.
93-…: i transuranici
Gli elementi dopo l’uranio vengono di norma prodotti artificialmente, bombardando elementi pesanti o con neutroni o con raggi alfa, ma alcuni di essi si trovano anche in natura: nettunio e plutonio si formano nei minerali di uranio per decadimento beta- di quest’ultimo, il californio attraverso processi di cattura neutronica. Gli altri sono ottenuti solo artificialmente.
Come sempre, se avete dubbi/domande/curiosità, sono a vostra disposizione.
La nobiltà dell’uomo, acquisita in cento secoli di prove e di errori, era consistita nel farsi signore della materia, e io mi ero iscritto a Chimica perché a questa nobiltà mi volevo mantenere fedele. Vincere la materia è comprenderla, e comprendere la materia è necessario per comprendere l’universo e noi stessi: e quindi il Sistema Periodico di Mendeleev […] era una poesia.
(Primo Levi, Il Sistema Periodico)