Come nasce un nuovo elemento

L’ultimo arrivato a «casa Mendeleev» si chiama, almeno provvisoriamente, ununpentium. Le prove sperimentali della sua esistenza sono state fornite qualche mese fa da un gruppo di fisici dell’Università di Lund (Svezia), che hanno già prenotato per il nuovo elemento la casella numero 115 della tavola periodica.
Gli ultimi elementi a entrare ufficialmente nel sistema periodico sono stati, nel corso del 2012, il flevorio e il livermorio, che hanno numero atomico, rispettivamente, 114 e 116. Se le prove sperimentali che il gruppo svedese ha fornito porteranno al riconoscimento ufficiale dell’ununpentium, a quel punto nella tavola periodica odierna rimarrebbe soltanto un “buco”, quello tra il copernicio (112) e il flevorio (114). La scoperta di questo ulteriore elemento, quello cioè con la «pettorina» numero 113, non rappresenterebbe comunque la fine di questa storia, perché non è chiaro quanti elementi si potranno ancora produrre. Richard Feynman ne aveva ipotizzati 137, mentre per John Emsley dovrebbero essere 128. Altri ancora sostengono che si possa arrivare addirittura a 155.

Quali tecniche si utilizzano oggi per «scoprire» un nuovo elemento?
Tutti gli elementi che sono entrati a far parte della tavola periodica negli ultimi sessanta anni sono stati prodotti in laboratorio. Le tecniche nucleari impiegate per la loro produzione sono essenzialmente due:

  1. bombardamento di un elemento pesante da parte di neutroni: piccole quantità di americio, per esempio, si producono in questo modo quando l’uranio o il plutonio vengono colpiti da neutroni all’interno di un reattore nucleare;
  2. fusione di due elementi più leggeri: l’ununpetium-291, per esempio, è stato creato inviando ioni calcio-48 (20 protoni, 28 neutroni) contro un target di americio-243 (95 protoni, 148 neutroni): sotto particolari condizioni calcio e americio si fondono insieme dando vita al nuovo elemento formato da 115 protoni e 176 neutroni.

Per analizzare più in dettaglio il sistema sperimentale utilizzato nei laboratori russi di Dubna, dove nel 2004 è stato prodotto per la prima volta l’ununpentium, puoi guardare questo reportage fotografico ad opera del National Geographic.

Come si certifica l’esistenza di un nuovo elemento?
L’organismo internazionale che certifica l’esistenza di un nuovo elemento e sancisce il suo ingresso nella tavola periodica è la IUPAC, cioè l’International Union of Pure and Applied Chemistry. La IUPAC ha stabilito che siamo di fronte a un nuovo elemento solo quando due gruppi di ricerca indipendenti offrono le prove della sua esistenza. Nel caso dell’ununpentium, per esempio, gli scienziati svedesi dell’Università di Lund hanno replicato i risultati sperimentali prodotti nel 2004 da un gruppo di ricerca russo.

Quali sono le regole da seguire per scegliere il nome di un nuovo elemento?
A partire dal 1947 la IUPAC ha la responsabilità di approvare il nome e il simbolo di ogni nuovo elemento che trova spazio nel sistema periodico. Prima che un organismo internazionale assumesse questo ruolo, in diverse occasioni lo stesso elemento ha avuto più di un nome, come nel caso del numero 41, che per 150 anni è stato chiamato columbium negli Stati Uniti e niobium in Europa, fino a quando, nel 1949, la IUPAC ha scelto il nome usato nel vecchio continente.
Attualmente il processo per l’assegnazione del nome a un nuovo elemento è caratterizzato da tre tappe:

  1. gli scopritori sono invitati a proporre un nome e un simbolo: per ragioni storiche e consistenza linguistica il nome candidato deve avere la desinenza “-ium” (in italiano la desinenza dei nomi degli elementi diventa “-io”); inoltre, per evitare confusione, il nome e il simbolo proposto devono essere unici, cioè non devono essere mai essere stati utilizzati in passato, neanche temporaneamente;
  2. dopo una revisione di sei mesi da parte di una divisione preposta, nome e simbolo vengono sottomessi al consiglio generale della IUPAC per l’approvazione definitiva;
  3. la pubblicazione di nome e simbolo sulla rivista scientifica Pure and Applied Chemistry sancisce infine l’entrata ufficiale dell’elemento nella tavola periodica.

Ununpentium è soltanto il nome provvisorio dell’elemento numero 115 e in questi mesi i suoi scopritori dovranno proporre allo IUPAC un nome definitivo. Le principali fonti di ispirazione per i nomi degli elementi della tavola periodica sono i nomi di luoghi, di scienziati e di proprietà dei minerali, come viene raccontato in questo articolo della BBC.
La tavola periodica e i nomi degli elementi sono da sempre oggetto di attenzione, non solo da parte degli addetti ai lavori. Alla fine degli anni Cinquanta, Tom Lehrer, matematico, cantautore e comico statunitense, ha dedicato al sistema periodico addirittura una canzone: si intitola The Elements e nel video che segue potete ascoltarne una versione corredata da animazione:

Perché gli scienziati continuano a produrre nuovi elementi?
Gli elementi transuranici di cui oggi gli scienziati vanno a caccia sono altamente radioattivi, instabili e spesso hanno emivite molto brevi, cioè decadono rapidamente in altri elementi. Per esempio, l’isotopo più stabile del copernicio, l’elemento entrato ufficialmente nella tavola periodica nel 2010 con numero atomico 112, ha un’emivita di circa 11 minuti; mentre l’ununpentium decade addirittura alcuni millisecondi dopo la sua sintesi e difficilmente potrà avere applicazioni pratiche.
La produzione di elementi sempre più pesanti e stabili non è tuttavia frutto di pura curiosità intellettuale: il fatto che si riescano a sintetizzare in laboratorio potrebbe indicare che essi esistano davvero da qualche parte dell’universo, per esempio che si producano a seguito dell’esplosione di una supernova.
Al di là delle implicazioni cosmologiche, la corsa verso nuovi elementi ha due obiettivi principali: capire sempre più a fondo la natura delle forze nucleari, ma soprattutto avvicinarsi alla cosiddetta «isola di stabilità», un set di isotopi transuranici “super pesanti” che secondo diverse teorie dovrebbero avere un’emivita di diversi giorni o addirittura di alcuni anni. Secondo alcuni modelli nucleari, infatti, esisterebbero elementi con particolari combinazioni di protoni e neutroni in grado di garantire al nucleo incredibile stabilità. Elementi super-pesanti e stabili di questo genere potrebbero essere utilizzati per immagazzinare energia, ma per trovare il giusto mix nucleare si dovrà passare prima attraverso elementi che decadono rapidamente, come l’unumpentium per esempio, e questo inevitabilmente complica le cose.

Una ricca versione interattiva e aggiornata della tavola periodica è stata recentemente realizzata da Zanichelli e si può scaricare gratuitamente dal Google AppStore seguendo questo link.

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