Elementi superpesanti: la caccia all'isola di stabilità della tavola periodica

La tavola periodica che troviamo appesa nelle aule scolastiche non è un monumento immutabile: continua a crescere. Negli ultimi decenni i fisici hanno aggiunto in fondo a quella griglia gli elementi superpesanti, atomi giganteschi che non esistono in natura e vivono per frazioni di secondo. L'ultimo, l'oganesson, chiude oggi la settima riga. Ma la vera caccia è a un territorio leggendario: la cosiddetta "isola di stabilità", dove potrebbero nascondersi elementi superpesanti capaci di durare molto più a lungo.

Atomi che non esistono in natura

Tutti gli elementi fino all'uranio (numero atomico 92) si trovano, almeno in tracce, in natura. Oltre l'uranio comincia il regno degli elementi transuranici, che vanno creati artificialmente. Più un nucleo è grande, più è instabile: la repulsione elettrica tra i tanti protoni tende a farlo a pezzi. Per fabbricare gli elementi più pesanti, i fisici usano enormi acceleratori che scagliano ioni leggeri contro bersagli di atomi pesanti, sperando che ogni tanto due nuclei si fondano in uno solo, ancora più grande. È un processo rarissimo: a volte si producono pochi atomi nel giro di settimane di bombardamento.

Questi atomi colossali sono anche effimeri: molti degli elementi superpesanti decadono in millisecondi o addirittura microsecondi, rendendo difficilissimo persino dimostrarne l'esistenza. Gran parte delle scoperte sono frutto del lavoro di pochi grandi centri: l'istituto JINR di Dubna in Russia, il GSI in Germania, i laboratori statunitensi come Berkeley e Livermore, e il giapponese RIKEN, che ha sintetizzato il nihonio, elemento 113.

Oganesson, il gigante numero 118

Il punto di arrivo attuale della tavola periodica è l'oganesson, elemento con numero atomico 118, sintetizzato per la prima volta nei primi anni 2000 a Dubna grazie alla collaborazione tra fisici russi e statunitensi. Ufficialmente riconosciuto e battezzato dall'IUPAC nel 2016, prende il nome dal fisico russo Jurij Oganessian, pioniere della sintesi degli elementi superpesanti. È uno dei pochissimi elementi della tavola periodica intitolati a una persona ancora in vita al momento della denominazione.

L'oganesson è formalmente collocato nel gruppo dei gas nobili, ma è talmente instabile e se ne sono prodotti così pochi atomi che le sue reali proprietà chimiche restano in gran parte teoriche. La sua vita media si misura in frazioni di millisecondo. Eppure la sua sintesi ha dimostrato che è possibile spingersi fino a nuclei con quasi 300 particelle, un risultato che fino a pochi decenni fa sembrava impensabile.

L'isola di stabilità

Qui entra in gioco una delle idee più affascinanti della fisica nucleare. Secondo la teoria, i nuclei sono più stabili quando contengono certi "numeri magici" di protoni e neutroni, che riempiono completamente i loro gusci interni, un po' come i gas nobili hanno gusci elettronici completi. La maggior parte degli elementi superpesanti finora creati ha vite brevissime, ma i calcoli suggeriscono che, raggiungendo la giusta combinazione di protoni e neutroni, potrebbe esistere una "isola di stabilità": una regione in cui elementi superpesanti vivrebbero non per microsecondi, ma per minuti, giorni o forse anni.

L'idea fu sviluppata negli anni Sessanta da fisici come Glenn Seaborg. Raggiungere quell'isola è oggi uno degli obiettivi principali della ricerca: significherebbe poter finalmente studiare la chimica di questi elementi, e mettere alla prova le nostre teorie sulla struttura del nucleo atomico. Il problema è produrre nuclei abbastanza ricchi di neutroni, una sfida tecnica enorme che richiede nuovi acceleratori e nuovi metodi di sintesi.

Una frontiera ancora aperta

La corsa non è finita. I laboratori di tutto il mondo stanno tentando di sintetizzare gli elementi 119 e 120, che inaugurerebbero l'ottava riga della tavola periodica. Ogni nuovo elemento richiede anni di esperimenti, strumenti sempre più sofisticati e una collaborazione internazionale strettissima, perché la scoperta deve essere confermata in modo indipendente prima del riconoscimento ufficiale, come stabilito dalle rigide regole della comunità chimica internazionale.

Gli elementi superpesanti non hanno applicazioni pratiche immediate: nessuno costruirà mai un oggetto in oganesson. Il loro valore è puramente conoscitivo. Studiarli significa esplorare i limiti estremi di ciò che la materia può essere, capire fino a che punto un nucleo atomico può tenersi insieme e mettere alla prova le leggi fondamentali della fisica. La tavola periodica, lungi dall'essere un capitolo chiuso, resta una delle frontiere più vive della scienza: una mappa che l'umanità sta ancora disegnando, un elemento alla volta.