Quando raggiungeremo la fine della tavola periodica?

Recentemente gli insegnanti di chimica hanno dovuto aggiornare il loro arredamento in classe, con l'annuncio che gli scienziati hanno confermato la scoperta di quattro nuovi elementi nella tavola periodica. Gli elementi 113, 115, 117 e 118 non ancora nominati hanno colmato i vuoti rimanenti nella parte inferiore della famosa carta, una tabella di marcia dei mattoni della materia che ha guidato con successo i chimici per quasi un secolo e mezzo.

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La conferma ufficiale, concessa dall'International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), ha richiesto anni, poiché questi elementi super pesanti sono altamente instabili e difficili da creare. Ma gli scienziati avevano forti ragioni per credere che esistessero, in parte perché la tavola periodica è stata finora notevolmente coerente. Gli sforzi per evocare gli elementi 119 e 120, che avrebbero iniziato una nuova riga, sono già in corso.

Ma esattamente quanti più elementi ci sono là fuori rimane uno dei misteri più persistenti della chimica, soprattutto perché la nostra moderna comprensione della fisica ha rivelato anomalie anche nei giocatori affermati.

"Le crepe stanno iniziando a manifestarsi nella tavola periodica", afferma Walter Loveland, chimico all'Oregon State University.

La moderna incarnazione della tavola periodica organizza elementi per file in base al numero atomico - il numero di protoni nel nucleo di un atomo - e per colonne in base alle orbite dei loro elettroni più esterni, che a loro volta di solito dettano le loro personalità. I metalli teneri che tendono a reagire fortemente con gli altri, come litio e potassio, vivono in una colonna. Elementi reattivi non metallici, come fluoro e iodio, ne abitano un altro.

Il geologo francese Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois è stata la prima persona a riconoscere che gli elementi potevano essere raggruppati in schemi ricorrenti. Mostrava gli elementi conosciuti nel 1862, ordinati in base ai loro pesi, come una spirale avvolta attorno a un cilindro ( vedere l'illustrazione seguente ). Gli elementi allineati verticalmente tra loro su questo cilindro avevano caratteristiche simili.

Ma è stato lo schema organizzativo creato da Dmitri Mendeleev, un russo irascibile che ha affermato di aver visto raggruppamenti di elementi in un sogno, che ha resistito alla prova del tempo. La sua tavola periodica del 1871 non era perfetta; prevedeva otto elementi che non esistono, per esempio. Tuttavia, ha anche predetto correttamente il gallio (ora utilizzato nei laser), il germanio (ora utilizzato nei transistor) e altri elementi sempre più pesanti.

La tavola periodica di Mendeleev accettava facilmente una nuova colonna per i gas nobili, come l'elio, che aveva eluso il rilevamento fino alla fine del 19 ° secolo a causa della loro propensione a non reagire con altri elementi.

La moderna tavola periodica è stata più o meno coerente con la fisica quantistica, introdotta nel 20 ° secolo per spiegare il comportamento delle particelle subatomiche come i protoni e gli elettroni. Inoltre, i raggruppamenti si sono svolti principalmente in quanto elementi più pesanti sono stati confermati. Bohrium, il nome dato all'elemento 107 dopo la sua scoperta nel 1981, si adatta così perfettamente agli altri cosiddetti metalli di transizione che lo circondano, uno dei ricercatori che lo hanno scoperto proclamato "bohrium è noioso".

Ma potrebbero esserci tempi interessanti.

Una domanda aperta riguarda il lantanio e l'attinio, che hanno meno in comune con gli altri membri dei loro rispettivi gruppi rispetto al lutezio e al lawrencium. IUPAC ha recentemente nominato una task force per esaminare questo problema. Perfino l'elio, elemento 2, non è semplice: esiste una versione alternativa della tavola periodica che colloca l'elio con berillio e magnesio al posto dei suoi vicini gas nobili, basato sulle disposizioni di tutti i suoi elettroni anziché solo su quelle più esterne.

"Ci sono problemi all'inizio, a metà e alla fine della tavola periodica", afferma Eric Scerri, storico del dipartimento di chimica dell'Università della California, a Los Angeles.

Anche la teoria della relatività speciale di Einstein, pubblicata decenni dopo il tavolo di Mendeleev, introdusse alcune falle nel sistema. La relatività stabilisce che la massa di una particella aumenta con la sua velocità. Ciò può far sì che gli elettroni carichi negativamente in orbita attorno al nucleo carico positivamente di un atomo si comportino in modo strano, influenzando le proprietà di un elemento.

Considera l'oro: il nucleo è pieno di 79 protoni positivi, quindi per evitare di cadere verso l'interno, gli elettroni dell'oro devono sfrecciare a più della metà della velocità della luce. Ciò li rende più massicci e li trascina in un'orbita più stretta, a bassa energia. In questa configurazione, gli elettroni assorbono la luce blu invece di rifletterla, dando alle fedi nuziali il loro bagliore distintivo.

Si dice che il famigerato fisico suonatore di bongo Richard Feynman abbia invocato la relatività per predire la fine della tavola periodica all'elemento 137. Per Feynman, 137 era un "numero magico" - era spuntato senza una ragione ovvia altrove in fisica. I suoi calcoli hanno mostrato che gli elettroni in elementi oltre 137 dovrebbero muoversi più velocemente della velocità della luce, e quindi violare le regole della relatività, per evitare di schiantarsi nel nucleo.

Calcoli più recenti da allora hanno rovesciato quel limite. Feynman trattava il nucleo come un singolo punto. Lascia che sia una palla di particelle, e gli elementi possono andare avanti fino a circa 173. Quindi si scatena l'inferno. Atomi oltre questo limite possono esistere ma solo come strane creature in grado di evocare elettroni dallo spazio vuoto.

La relatività non è l'unico problema. I protoni caricati positivamente si respingono a vicenda, quindi più impacchetti in un nucleo, meno stabile tende ad essere. L'uranio, con un numero atomico di 92, è l'ultimo elemento abbastanza stabile da verificarsi naturalmente sulla Terra. Ogni elemento al di là di esso ha un nucleo che si disgrega rapidamente e le loro emivite - il tempo necessario per il decadimento della metà del materiale - possono essere minuti, secondi o persino secondi.

Elementi più pesanti e instabili possono esistere altrove nell'universo, come all'interno di dense stelle di neutroni, ma gli scienziati possono studiarle qui solo distruggendo insieme gli atomi più leggeri per renderli più pesanti e quindi setacciando la catena di decadimento.

"Non sappiamo davvero quale sia l'elemento più pesante che potrebbe esistere", afferma il fisico nucleare Witold Nazarewicz della Michigan State University.

La teoria prevede che ci sarà un punto in cui i nostri nuclei realizzati in laboratorio non vivranno abbastanza a lungo da formare un atomo adeguato. Un nucleo radioattivo che cade a pezzi in meno di dieci trilioni di secondo non avrebbe il tempo di raccogliere elettroni attorno a sé e creare un nuovo elemento.

Tuttavia, molti scienziati si aspettano che isole di stabilità esistano più avanti, dove elementi superpesanti hanno nuclei relativamente longevi. Caricare alcuni atomi superpesanti con molti neutroni in più potrebbe conferire stabilità impedendo la deformazione dei nuclei ricchi di protoni. Si prevede che l'elemento 114, ad esempio, abbia un numero magicamente stabile di neutroni a 184. È stato anche previsto che gli elementi 120 e 126 abbiano il potenziale per essere più durevoli.

Ma alcune affermazioni di stabilità super pesante sono già andate in pezzi. Alla fine degli anni '60 il chimico Edward Anders propose che lo xeno in un meteorite caduto sul suolo messicano fosse derivato dalla rottura di un elemento misterioso tra il 112 e il 119 che sarebbe stato abbastanza stabile da verificarsi in natura. Dopo aver trascorso anni a restringere la sua ricerca, alla fine ritrattò la sua ipotesi negli anni '80.

Prevedere la potenziale stabilità di elementi pesanti non è facile. I calcoli, che richiedono un'enorme potenza di calcolo, non sono stati eseguiti per molti dei giocatori noti. E anche quando hanno, questo è un territorio molto nuovo per la fisica nucleare, dove anche piccoli cambiamenti negli input possono avere un impatto profondo sui risultati attesi.

Una cosa è certa: rendere ogni nuovo elemento diventerà più difficile, non solo perché gli atomi di breve durata sono più difficili da rilevare, ma perché creare superpoteri può richiedere fasci di atomi che sono essi stessi radioattivi. Che ci sia o meno la fine della tavola periodica, potrebbe esserci la fine della nostra capacità di crearne di nuove.

"Penso che siamo molto lontani dalla fine della tavola periodica", dice Scerri. "Il fattore limitante in questo momento sembra essere l'ingegno umano."

Nota del redattore: l'affiliazione di Witold Nazarewicz è stata corretta.

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