Il 30 dicembre 2015, la scienza della chimica ha ufficialmente ottenuto quattro nuove materie. L’Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata (IUPAC) ha confermato la scoperta di quattro nuovi elementi chimici, tutti creati nei laboratori.

Alcuni rapporti hanno suggerito che questi elementi “completano” la tavola periodica degli elementi. Questo è sbagliato. Puoi aspettarti con sicurezza ulteriori nuovi elementi dopo l’ultimo batch., Ma potrebbe volerci un po’, perché sono sempre più difficili da fare.

Ciò che i nuovi elementi completano è la settima riga della tavola periodica. Se e quando vengono creati gli elementi 119 o 120, inizieranno una nuova riga.

Nessuno sa per quanto tempo la tabella può essere estesa con la creazione di nuovi elementi. Alcuni sospettano che non ci sia limite. Altri dicono che potrebbe esserci un punto oltre il quale gli atomi non possono diventare più pesanti: tali enormi atomi sarebbero completamente instabili, disintegrandosi istantaneamente in una raffica di radioattività.

Ma una cosa è chiara., Se riusciamo a costruire elementi sempre più pesanti, scopriremo che si comportano in modi veramente particolari.

Gli elementi sono i mattoni fondamentali della chimica. Un elemento è essenzialmente una sostanza che contiene solo un tipo di atomo. Quindi creare un nuovo elemento significa creare un nuovo tipo di atomo.

Ad ogni elemento viene assegnato un numero: ad esempio, il carbonio è il numero 6. Questi numeri non sono etichette arbitrarie, ma hanno un significato fondamentale. Specificano quanti protoni, una specie di particella elementare, contiene l’atomo.,

Sembra stravagante ma in realtà sta accadendo tutto il tempo, anche in alcuni degli atomi del tuo corpo

I protoni hanno una carica elettrica positiva e sono raggruppati in un blob al centro dell’atomo. Gli elettroni molto più leggeri, con cariche negative che bilanciano i protoni, “orbitano” il nucleo in una nube diffusa.

Ad eccezione degli atomi di idrogeno, i nuclei atomici contengono anche un secondo tipo di particella: il neutrone, con una massa quasi identica a quella di un protone ma senza carica elettrica., Gli atomi di un elemento possono avere diversi numeri di neutroni e queste varianti sono chiamate “isotopi”.

I neutroni servono come una sorta di colla che aiuta a legare i protoni insieme. Senza di loro, le cariche elettriche positive dei protoni li allontanerebbero.

Tuttavia, i nuclei di atomi molto pesanti come l’uranio sono così pieni di protoni che si respingono reciprocamente che nemmeno una preponderanza di neutroni può tenerli insieme. Questi atomi subiscono un “decadimento radioattivo”: perdono particelle ed energia.,

Stelle più grandi possono generare elementi più pesanti come mercurio

Quando un atomo decade, il numero totale di protoni nel nucleo cambia, e quindi il processo di decadimento radioattivo trasforma un elemento in un altro. Sembra stravagante, ma in realtà sta accadendo tutto il tempo, anche in alcuni degli atomi nel tuo corpo.

Ogni tipo di nucleo ha un rapporto ottimale tra protoni e neutroni. Quindi gli atomi decadono se hanno troppi o troppo pochi neutroni, anche se hanno piccoli nuclei.,

Per elementi leggeri come carbonio e ossigeno, il rapporto stabile è praticamente 1: 1. Gli elementi più pesanti richiedono un leggero eccesso di neutroni.

I processi naturali dell’universo possono produrre solo elementi fino a un certo peso.

I cinque elementi più leggeri, dall’idrogeno al boro, sono stati per lo più creati nel Big Bang che ha iniziato l’universo.

Qualcosa di più pesante doveva essere fatto all’interno delle stelle. Lì, le temperature e le pressioni intense costringono i nuclei degli elementi leggeri a fondersi insieme. Questo è chiamato fusione nucleare., Stelle più grandi possono generare elementi più pesanti come mercurio, che ha 80 protoni nel suo nucleo.

La scoperta del plutonio rimase un segreto militare fino a dopo la seconda guerra mondiale

Ma molti degli elementi della tavola periodica sono invece realizzati nell’ambiente intenso di una stella che esplode o “supernova”. Le enormi energie rilasciate possono produrre nuovi tipi di fusione mentre gli atomi si schiantano l’uno contro l’altro, producendo elementi pesanti come l’uranio, con i suoi 92 protoni.,

È necessaria molta energia perché queste reazioni di fusione nucleare si verifichino, perché i nuclei atomici carichi positivamente si respingono l’un l’altro. Un nucleo deve muoversi molto velocemente per sfondare questa barriera e fondersi con un altro.

Di conseguenza, l’uranio è l’elemento più pesante trovato in quantità significative in natura. Nessun processo naturale è stato trovato che rende molto di qualcosa di più pesante.

Quindi, quando gli scienziati vogliono creare nuovi elementi, devono usare acceleratori di particelle per aumentare gli atomi in collisione a velocità enormi, forse un decimo della velocità della luce.,

Questo fu fatto per la prima volta nel 1939. Gli scienziati che lavorano presso l’Università della California a Berkeley hanno creato element 93, che ora è chiamato neptunium.

Una volta finita la guerra, i fisici iniziarono a trovare nuovi elementi sul serio

Due anni dopo, il team bombardò l’uranio con nuclei di “idrogeno pesante”, ognuno dei quali conteneva un protone e un neutrone. Il risultato è stato elemento 94: plutonio.

Presto si resero conto che il plutonio, come l’uranio, sarebbe decaduto spontaneamente in un processo drammatico chiamato fissione nucleare., Il suo nucleo massiccio si è diviso quasi a metà, rilasciando un’enorme quantità di energia.

Questa scoperta è stata rapidamente messa in uso: il plutonio prodotto negli acceleratori di particelle è stato utilizzato nella bomba atomica Fat Man sganciata su Nagasaki nell’agosto 1945. La scoperta del plutonio rimase un segreto militare fino a dopo la seconda guerra mondiale.

Una volta che la guerra era finita, i fisici si misero a trovare nuovi elementi sul serio.

Per decenni, il centro chiave degli Stati Uniti per questa ricerca era a Berkeley, ma al giorno d’oggi, gran parte dell’attività si è spostata al Lawrence Livermore National Laboratory a circa 40 km di distanza., Il lavoro russo ha sede presso l’Istituto congiunto di Ricerca nucleare (JINR) a Dubna, Mosca, fondato nel 1956.

La rivalità USA-sovietica ha prodotto alcune aspre dispute sulla priorità

Inizialmente, gli americani erano in vantaggio sul gioco. Di conseguenza, gli elementi 95, 97 e 98 sono chiamati americio, berkelio e californio.

Ma altri nuovi elementi sono stati trovati in un modo completamente diverso. Sono stati identificati in detriti dai test di idrogeno-bomba degli Stati Uniti del 1950., Gli elementi erano stati creati dall’uranio nei “fusibili” delle bombe durante le intense esplosioni.

Di conseguenza, piuttosto che cantare sul loro luogo di origine, gli elementi 99 e 100 prendono il nome da due pionieri della scienza nucleare: einsteinium per Albert Einstein e fermium per Enrico Fermi.

Mentre la Guerra fredda si approfondiva, la rivalità USA-sovietica produsse alcune aspre dispute sulla priorità.

Tra la fine degli anni 1950 e l’inizio degli anni 1970, i team di Berkeley e JINR discutevano su chi avesse creato per primo gli elementi 102, 104, 105 e 106., IUPAC giudica tali argomenti, ma ci sono voluti fino al 1997 per assegnare 104 (rutherfordium) a Berkeley e 105 (dubnium) a JINR.

I Russi sono infelice che elemento 113 è stato assegnato a un gruppo Giapponese

nel Frattempo, elemento 107 fu contesa tra JINR e un nuovo capretto sul blocco: Germania Laboratorio per Ioni Pesanti di Ricerca, conosciuto con l’abbreviazione tedesca GSI, Darmstadt. Credito per la scoperta è stato infine diviso tra i due gruppi.,

Mentre gli elementi artificiali precedenti sono stati fatti bombardando atomi pesanti con quelli molto più leggeri, i ricercatori GSI hanno trovato il modo di fondere due nuclei di medie dimensioni: ad esempio, sparando ioni di zinco, nichel e cromo su bersagli di piombo e bismuto. Con tali mezzi, l’elemento 108 è stato realizzato per la prima volta a GSI e chiamato hassium.

In questi giorni la creazione di elementi è un po ‘ più collaborativa. Quando si trattava di fare i quattro nuovi elementi, gli americani, russi e tedeschi in comune le loro risorse.,

L’IUPAC dice che le prime sintesi convincenti di entrambi 117 e 115 erano dovute a uno sforzo congiunto tra JINR, Oak Ridge National Laboratory in Tennessee e Livermore in esperimenti condotti tra il 2010 e il 2012. Una collaborazione separata JINR-Livermore a partire dal 2006 è stata premiata con element 118.

Tutto non è ancora del tutto roseo, tuttavia. I russi non sono contenti che element 113 sia stato assegnato a un gruppo giapponese presso il RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science di Saitama, e potrebbe ora essere chiamato “japonicium”.,

Potrebbe sembrare che stiamo raggiungendo il limite superiore per la dimensione atomica

Dicono di averlo fatto per primi nel 2003 a JINR distruggendo il calcio nell’americio. L’esperimento giapponese è stato fatto un anno dopo sparando ioni di zinco in bismuto.

Il problema in tutte queste controversie è ciò che conta come un risultato convincente. Gli esperti IUPAC decidono questo, ma è ancora piuttosto soggettivo.

I nuovi elementi vengono rilevati, generalmente un atomo alla volta, dal modo caratteristico in cui subiscono il decadimento radioattivo., Ogni isotopo ha un diverso processo di decadimento. Ognuno decade anche al proprio ritmo, misurato come l’emivita: il tempo impiegato per la metà di un campione a decadere.

Questi segnali sottili devono essere individuati in mezzo a un welter di altri processi nucleari, quindi non è facile decidere se un’affermazione è persuasiva o meno.

Date queste difficoltà, potrebbe sembrare che stiamo raggiungendo il limite superiore per la dimensione atomica. Ma ci sono buone ragioni per premere sull’ottava fila della tavola periodica.,

La prospettiva di iniziare una nuova riga della tabella è allettante, perché significherà creare atomi diversi da quelli che abbiamo mai visto prima.

Gli elettroni negli atomi sono organizzati in gruppi chiamati shell. Ogni guscio ha una capacità particolare, ed è questi gusci che determinano sia il comportamento degli atomi che la forma della tavola periodica.

Il problema in tutte queste dispute è quello che conta come risultato convincente

Il primo guscio può ospitare solo due elettroni: gli atomi di idrogeno ne hanno uno, l’elio ne ha due., Il secondo guscio può ospitare fino a otto elettroni: questo è il motivo per cui la seconda fila della tavola periodica ha otto membri. I gusci più alti possono prendere ancora più elettroni.

I quattro nuovi elementi sono gli ultimi membri rimanenti della settima riga. Se potessimo fare l’elemento 119 sarebbe il primo membro dell’ottava riga e quindi il primo elemento noto con un elettrone nell’ottavo guscio.

Tali elementi estremi possono rompere le regole che governano la tavola periodica.

Gli elementi nella stessa colonna della tabella hanno proprietà simili., Questo perché i loro gusci più esterni sono disposti allo stesso modo.

Gli effetti “relativistici” possono significare che un elemento super-pesante non si comporta come ci aspetteremmo

Ad esempio, gli elementi nella colonna di sinistra sono tutti metalli reattivi. Tutti hanno un singolo elettrone nel loro guscio esterno, che è una configurazione instabile: gli atomi sono inclini a perdere questo elettrone solitario.,

Al contrario, gli elementi nella colonna di estrema destra hanno tutti insiemi completi di elettroni, e questo significa che sono estremamente non reattivi: da qui il loro nome, i “gas inerti”.

Ma queste regole potrebbero non valere per tutti gli elementi super-pesanti.

Nei loro atomi, gli elettroni vicino al nucleo sono così strettamente legati dal nucleo caricato positivamente che viaggiano a velocità immense. Sono così veloci che sentono gli effetti della teoria della relatività speciale di Einstein, che afferma che gli oggetti che si muovono vicino alla velocità della luce guadagnano massa.,

Di conseguenza, gli elettroni interni diventano più pesanti. Questo ha un effetto a catena sugli elettroni esterni che determinano il comportamento chimico di un elemento, perché gli elettroni “sentono” i movimenti l’uno dell’altro grazie alle loro cariche elettriche.

Ci possono essere alcuni elementi super-pesanti i cui nuclei sono relativamente longevi

Il risultato è che gli effetti “relativistici” possono significare che un elemento super-pesante non si comporta come ci aspetteremmo., Questo sembra essere il caso di rutherfordium (elemento 104) e dubnium (105), ma non per seaborgium (106) o hassium (108).

Anche l’esame di tali effetti è un’impresa tecnica sconcertante. Richiede lo studio del comportamento chimico di una manciata di atomi che esistono solo per pochi secondi.

Inoltre, gli elementi super-pesanti tendono a decadere sempre più velocemente quanto più pesanti diventano. Ciò significa che sta per essere sempre più difficile non solo per studiare la loro chimica, ma anche per farli – o almeno, per rilevarli una volta che abbiamo fatto così.,

Tuttavia, è possibile stimare quanto saranno stabili questi nuclei più grandi, e sembra che dureranno abbastanza a lungo da studiare se li facciamo. Quindi non sembra esserci alcuna ragione in linea di principio per cui non dovremmo marciare verso l’ottava fila della tavola periodica.

In effetti, gli elementi super-pesanti potrebbero non sempre diventare meno stabili quanto più pesanti sono. Ci possono essere alcuni i cui nuclei sono relativamente longevi, esistenti in “isole di stabilità”. Questo dipenderà dal numero di neutroni e dal numero di protoni.,

ora sembra che questa particolare isola di stabilità potrebbe non concretizzarsi fino all’elemento 122

i fisici Nucleari hanno trovato che i protoni e i neutroni nei nuclei sono, come gli elettroni orbitanti, organizzato in conchiglie. I gusci pieni corrispondono a “numeri magici” e portano a nuclei particolarmente stabili.

I nuclei di elio, ossigeno, calcio, stagno e piombo hanno tutti un guscio pieno di protoni, rendendoli particolarmente stabili. I gusci di neutroni riempiti possono anche conferire stabilità., L’isotopo lead-208 è “doppiamente magico”, con gusci pieni di protoni e neutroni.

Per i nuclei super-pesanti, i calcoli che rivelano i numeri magici sono più difficili da fare, quindi è meno chiaro quali siano quei numeri.

Una volta si pensava che due isotopi dell’elemento 114, chiamati flerovium dopo lo scienziato nucleare russo Georgy Flerov, sarebbero doppiamente magici e quindi relativamente stabili. Questi isotopi avevano 184 e 196 neutroni, e sono soprannominati flerovium-298 e flerovium-310.,

Il meglio che possiamo realisticamente sperare è che alcuni atomi rimarranno in giro per alcuni giorni

Tuttavia, ora sembra che questa particolare isola di stabilità potrebbe non materializzarsi fino all’elemento 122.

Tuttavia, il flerovio potrebbe ottenere una certa stabilità dagli effetti del guscio nucleare. Si prevede che Flerovium-298 abbia un’emivita di circa 17 giorni, che è immensa per gli standard degli elementi super-pesanti. L’isotopo più longevo visto finora, flerovium-289, ha un’emivita di soli 2,6 secondi.,

Non è chiaro se qualsiasi elemento super-pesante durerà abbastanza a lungo da essere accumulato in grumi apprezzabili, atomo per atomo. Ma sembra improbabile. Il meglio che possiamo realisticamente sperare è che alcuni atomi rimarranno in giro per alcuni giorni.

Oltre a ciò, arriva un punto in cui gli atomi sono così pesanti che semplicemente non possono esistere?

Il fisico americano Richard Feynman la pensava così. Ha eseguito un calcolo back-of-the-envelope che ha suggerito che era impossibile fare un atomo con 137 protoni nel nucleo.,

A volte coppie di particelle possono nascere dal nulla

Il motivo era che gli elettroni più interni, quelli del primo guscio, non avevano un’orbita stabile. In altre parole, il nucleo dell’elemento 137 non poteva più trattenerli.

Tuttavia, il calcolo di Feynman ha fatto l’approssimazione che il nucleo ha dimensione zero, che ovviamente non lo fa. Quando i calcoli sono fatti in modo più accurato, sembra che nulla di spiacevole accada alle energie degli elettroni più interni fino al numero atomico 173.,

Anche allora gli atomi possono rimanere stabili, ma succede lo stesso qualcosa di strano.

Come tutto il resto a queste piccole scale, tutto si riduce alla meccanica quantistica.

Anche se non c’è fine alla tavola periodica, ci possono essere cose strane che ci aspettano nei suoi limiti più lontani

Questo ci dice, tra le altre cose strane, che coppie di particelle possono talvolta nascere dal nulla., Una delle particelle sarà fatta di materia e l’altra di antimateria: ad esempio, una potrebbe essere un elettrone e l’altra la sua controparte antimateria, un positrone. Normalmente, i due si scontrano immediatamente e si annientano a vicenda.

Si scopre che gli elettroni più interni dell’elemento 173 potrebbero essere in uno stato insolito e instabile che può evocare queste particelle “virtuali”.

Se uno di questi elettroni viene espulso dal suo guscio, ad esempio zapping con una radiografia, lascerà un buco dietro. Questo buco sarà riempito da un elettrone che appare dal nulla., Ma perché questo elettrone si formi, deve formarsi anche un positrone, e questo sarà emesso dall’atomo.

In altre parole, le nuvole di elettroni di questi elementi davvero enormi potrebbero occasionalmente eruttare particelle di antimateria.

Quindi, anche se non c’è fine alla tavola periodica, ci possono essere cose strane che ci aspettano nelle sue parti più lontane. Se esploreremo mai questi elementi estremi è tutta un’altra questione.