unavventura virtuale alla scoperta degli elementi mancanti germano bonomi liceo scientifico...

Un’avventura virtuale alla scoperta degli

ELEMENTI MANCANTI

Germano Bonomi

Liceo Scientifico Sperimentale Calini, Brescia 19/04/01

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I NUCLEIIntroduzione I

Gli atomi di uno certo elemento hanno lo stesso numero di protoni, ma possono avere un numero diverso di neutroni (N); in questo caso vengono chiamati "isotopi".

In fisica nucleare invece il comportamento di un nucleo è determinato dal numero totale di nucleoni A.

I diversi numeri di massa definiscono le varie specie nucleari, chiamate nuclidi; gli isotopi di un elemento sono perciò nuclidi diversi.

I nuclidi possono essere stabili, instabili (o radioattivi), naturali, ovvero presenti in natura, o artificiali, ovvero prodotti in laboratorio.

I nuclei degli atomi sono composti da nucleoni, ovvero da protoni e da neutroni.

Il numero di protoni nel nucleo è detto "numero atomico" (Z),

la somma del numero di protoni e di neutroni è chiamato "numero di massa" (A).

IL NUCLEO: http://www.ips.it/scuola/concorso_99/radon/radiazioni.html#a LA SCOPERTA DEL NUCLEO: http://www.xmission.com/~dparker/nucleus.html


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I NUCLEIIntroduzione II

I protoni del nucleo sono dotati di carica positiva

I neutroni invece sono neutri

I protoni tendono ad allontanarsi l'uno dall'altro a causa della repulsione elettrostatica.

L’esistenza di un nucleo non sarebbe possibile senza l'intensa forza attrattiva che agisce a breve distanza tra due nucleoni legandoli tra loro (forza nucleare forte).

Per spiegare i nuclei e le loro proprietà sono

stati proposti vari modelli come, per esempio,

quello "a goccia" oppure quello "a shell".

In base a tali modelli i fisici nucleari spiegano

la stabilità di alcuni nuclei caratterizzati da

"numeri magici" di protoni e neutroni (es.

ferro, piombo, ecc.).

LA STRUTTURA DEL NUCLEO: http://library.thinkquest.org/12632/atomic/structure.htmlLA FISICA NUCLEARE: http://books.nap.edu/books/0309062764/html/index.htmlTHE ABC’s OF NUCLEAR SCIENCE: http://www.lbl.gov/abc


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I NUCLEIStoria I

La storia del nucleo inizia con l'esperimento di Ernest Rutherford:

egli bombardò un sottilissimo foglio d'oro (0,00006 cm, ovvero circa 1/1000 di millimetro!!!) con nuclei di elio.

I risultati di quest'esperimento, però, furono sconvolgenti:

le particelle vennero deviate più di quanto si aspettasse, ed alcune di esse invertirono addirittura il loro moto.

Fu l'evento più incredibile che mi fosse mai capitato nella vita. Altrettanto incredibile che se vi fosse capitato di sparare un proiettile da 35 cm su un pezzo di carta velina e questo fosse tornato indietro a

colpirvi

Egli comprese che all'interno dell'atomo c'era qualcosa di molto pesante, il nucleo.

Ma il percorso che portò alla comprensione del nucleo era iniziato qualche anno prima con la scoperta della radioattività nel 1896 da parte di Henri Becquerel.

Egli, per caso, si accorse che una lastra fotografica poteva essere impressionata da radiazioni emesse dall'uranio.

SCOPERTA 100 ANNI FA: http://www.ccr.jussieu.fr/radioactivite/english/discovery.htmDALLA RADIOATTIVITA’ ALLA FISSIONE: http://com.area.trieste.it/prospero/curie/saggio_scientifico/testo1.htm


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I NUCLEIStoria II

Gli studi sulla radioattività furono portati avanti negli anni

successivi dai coniugi Pierre e Marie Curie che scoprirono altri due

elementi radioattivi: il polonio e il radio (1 milione di volte più radioattivo dell’uranio).

Nel 1902, a Montreal, Ernest Rutherford e Frederick Soddy,

mostrarono che l'emissione di radiazione da parte di nuclei

radioattivi era accompagnata dalla trasformazione di un elemento in

un altro:

il sogno degli alchimisti della trasmutazione degli elementi era stato raggiunto.

Dopo di loro altri fisici (tra cui i coniugi Joliot, Otto Hahn e Lise Meitner)

proseguirono lo studio della radioattività e della struttura del nucleo

MARIE CURIE: http://campus.sede.enea.it/netpaper/nebbia3.htmLISE MEITNER: http://campus.sede.enea.it/netpaper/Nebbia7.htmIL FUOCO DEL RADIO: http://com.area.trieste.it/prospero/curie/default.htm


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Oggi conosciamo più di 2500 specie di nuclei differenti.

Di essi solo 280, una piccola frazione, sono stabili e compongono la quasi totalità della materia che ci circonda.

Un nucleo non stabile subisce un processo di decadimento emettendo radiazioni e, in alcuni casi, trasformandosi in un altro nucleo.

I principali processi di decadimento radioattivo sono tre ( ).

I NUCLEI La radioattività I

Altri tipi di decadimento sono:

la fissione spontanea in cui il nucleo si spezza in due nuclei figli con massa circa pari alla metà

il decadimento beta+ () in cui un nucleo emette un positrone ed un neutrino, il numero atomico diminuisce di 1 ed il numero di massa rimane inalterato.

LA RADIOATTIVITA’: http://utenti.romascuola.net/smsanguillara/ricerche.htmLA MEDICINA NUCLEARE: http://www.unipd.it/nucmed/TF/TF.index.ita.html


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I NUCLEI La radioattività II

alfa (): il nucleo emette una particella alfa composta da due protoni e da due neutroni, riducendo così il suo numero atomico di 2 ed il numero di massa di 4;

beta- (-): il nucleo emette una particella beta- (elettrone) ed un antineutrino, aumentando il numero atomico di 1 e lasciando inalterato il numero di massa;

gamma(): il nucleo passa ad una configurazione di energia inferiore emettendo un raggio gamma (fotone), lasciando invariati numero atomico e numero di massa.


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I NUCLEI La legge del decadimento I

vita

vitavita

tT

NeNtNt

693.0

37,0)(1

2/1

01

0

vita

vitavita

tT

NeNtNt

693.0

37,0)(1

2/1

01

0

tempo didimezzamento

tempo didimezzamento

tempo divita mediotempo di

vita medio

Il tempo necessario affinché metà di un certo insieme di nuclei radioattivi decada

viene detto tempo di dimezzamento.

In natura si osservano tempi di dimezzamento che variano da

frazioni di secondo a miliardi di anni.


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I NUCLEI La legge del decadimento II


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I NUCLEI La carta dei nuclidi I

Un metodo molto usato per mostrare graficamente la stabilità dei nuclei e degli isotopi

è la carta dei nuclidi.

In tale rappresentazione i nuclidi vengono disposti in funzione del loro

numero di protoni Z, in ordinata, e del loro numero di neutroni N in

ascissa. Gli isotopi ed i nuclei stabili si trovano nella sottile striscia

marcata in nero; i nuclei al di fuori della "valle di stabilità" sono la

stragrande maggioranza e fanno parte del cosiddetto "mare di

instabilità".

Per numeri atomici bassi, la configurazione più stabile è quella con A=2Z,

mentre per valori di Z maggiori tutti i nuclidi, stabili o instabili,

hanno più neutroni che protoni.

CARTA DEI NUCLIDI INTERATTIVA: http://www.dne.bnl.gov/CoN/index.htmlTAVOLA DEGLI ISOTOPI: http://isotopes.lbl.gov/isotopes/decay/par_z.htm


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I NUCLEI La carta dei nuclidi II

Gli isotopi al di sotto della banda di stabilità

tendono ad eliminare l'eccesso di

neutroni mediante decadimento

beta-; quelli che si trovano

al di sopra invece decadono

prevalentemente via

beta+.

Il decadimento alfa permette a tutti gli elementi oltre il bismuto (Z=83) di eliminare i

protoni in sovrappiù che li rendono instabili.

Dal 1966 si ipotizza che esista una isola di stabilità al cui centro dovrebbe trovarsi un

isotopo dell'elemento 114 con 184 neutroni.

DETTAGLIATISSIMA CARTA DEI NUCLIDI: http://fidabs.ing.unibs.it/em/ita\nuclei\greatch.pdf


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GLI ELEMENTI MANCANTI Introduzione I

La grande idea di Mendeleev e di Meyer fu quella di presupporre uno schema prestabilito in cui introdurre gli elementi conosciuti, e non il viceversa.

I loro predecessori invece avevano cercato invano di disporre gli elementi conosciuti in modo da formare una tabella.

In altre parole entrambi, prima idearono la tabella ed in un secondo momento

inserirono i 63 elementi allora conosciuti.

ABBONDANZA DEGLI ELEMENTI: http://www.chim1.unifi.it/dida/tabelle/Crosta.htm MISSING FROM THE EARTH: http://www.cs.colorado.edu/~lindsay/creation/isotope_list.htmlLA FISICA DEGLI ATOMI MANCANTI: http://www.energyscience.co.uk/bib/1987a.htmALCHIMIA MODERNA: http://web.columbia.edu/itc/chemistry/chem-c1403/text_chapters/nukes.html

In questo modo si accorsero che alcune caselle erano vuote.

Essi predissero l'esistenza, e di alcuni di loro anche le proprietà, di questi

elementi mancanti. Mendeleev per esempio predisse l'esistenza di 3 elementi

che lui chiamò eka-boro, eka-alluminio e eka-silicio e che oggi sono conosciuti

con i nomi scandio, gallio e germanio


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GLI ELEMENTI MANCANTI Introduzione II

Con il passare degli anni la tavola periodica venne modificata e perfezionata, in base alle nuove conoscenze in chimica e fisica, ospitando via via i nuovi elementi scoperti.

Pur tuttavia una serie di elementi continuò a mancare per parecchi anni.

Tali elementi radioattivi infatti non

esistono in natura, se non in percentuali

infinitesime. La loro scoperta è dovuta al

fatto che sono stati successivamente

prodotti artificialmente in laboratorio

Tali elementi sono il tecnezio, il promezio e gli elementi

transuranici (gli elementi con numero atomico maggiore di 92).


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GLI ELEMENTI MANCANTI Tecnezio

L'elemento con numero atomico 43, la cui esistenza fu predetta in base alla tavola periodica, fu erroneamente creduto scoperto nel 1925 da W. Noddack, I. Tacke e O. Berg, e fu chiamato masurio (dal nome della città prussiana Masuren).

In realtà fu scoperto da Carlo Perrier e Emilio Segre in Italia nel 1937. L'elemento era però stato prodotto presso il laboratorio di Berkeley da E. Lawrence. Egli aveva bombardato del molibdeno con atomi di deuterio e poi lo aveva spedito in Italia ai due ricercatori.

Il tecnezio fu il primo elemento prodotto artificialmente, infatti il suo nome deriva dal greco technetos, che significa appunto artificiale. Dopo la sua scoperta lo si cercò in natura.

Numero atomico: 43, Peso atomico: 97.91, Simbolo: Tc

Finalmente nel 1962 l'isotopo tecnezio 99 fu isolato, in quantità bassissime, ed identificato in una miniera africana ricca di uranio per merito di B.T. Kenna e P.K. Kuroda. Si trattava di un prodotto della fissione spontanea dell'uranio 238.

Se esiste sulla terra la concentrazione deve essere infinitesima.

Ad oggi si conoscono molti isotopi del tecnezio con massa atomica da 79 a 147, nessuno dei quali stabili (T<4.2 milioni di anni).

Ha un colore grigio-argento ed il prezzo è di circa 60$ al grammo. Viene utilizzato per ricerche nel campo medico.

TECHNETIUM WORLD: http://web.mit.edu/chichest/www/home.html


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GLI ELEMENTI MANCANTI Promezio

L'elemento con numero atomico 61 fu predetto da Branner nel 1902. Nel 1941 produssero nuovi nuclidi radioattivi bombardando neodimio e paseodimio con neutroni, atomi di deuterio e particelle alfa.

Probabilmente alcuni di essi avevano numero atomico 61, ma la difficoltà di separare le terre rare una dall'altra resero impossibile una verifica sperimentale.

Solo nel 1945 J.A. Marinsky, L.E. Glendenin e C.D. Coryell riuscirono ad isolarlo ed identificarlo.

Gli fu dato il nome di promezio dal nome di Prometeo, l'eroe mitologico che rubò il fuoco agli dei per donarlo agli uomini.

Sono stati prodotti molti isotopi con peso atomico da 120 a 205 (T<17.7 anni).

La ricerca di promezio in natura non ha avuto successo; sembra probabile che il promezio sia completamente inesistente sulla terra.

Nel 1963 si riuscì a produrre 10 grammi di promezio da un reattore nucleare. Tuttavia si conosce poco delle proprietà di tale elemento.

Numero atomico: 61, Peso atomico: 144.91, Simbolo: Pm

PROMEZIO: http://www.chim1.unifi.it/dida/elementi/promezio.htm


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GLI ELEMENTI MANCANTI I transuranici I

Gli elementi transuranici sono gli elementi con numero atomico superiore a quello dell'uranio, ovvero maggiore di 92.

I primi tentativi per sintetizzare tali elementi furono compiuti nel 1934 bombardando l'uranio con neutroni (scoperti due anni prima da J. Chadwick).

Enrico Fermi pensò in effetti di esserci riuscito, mentre invece aveva generato il processo di fissione dell'uranio.

Il primo di tali elementi fu scoperto nel 1940 da E. M. McMillan e P.H. Abelson nel 1940 a Berkeley e fu chiamato nettunio.

Nello stesso anno G. Seaborg (che ha partecipato alla scoperta di ben 11 elementi transuranici) scoprì il successivo elemento, il plutonio.


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GLI ELEMENTI MANCANTI I transuranici II

Nei quindici anni successivi vennero via via scoperti gli elementi sino al 101.

Gli elementi dal 102 al 106 vennero scoperti tra il 1958 e il 1974 facendo collidere fasci di alta intensità costituiti da ioni di elementi leggeri con elementi di numero atomico compreso tra 94 e 98.

Agli inizi degli anni '80, un gruppo di ricerca dell'Istituto di Darmstadt, utilizzando una

nuova tecnica che induceva la fusione tra ioni pesanti accelerati e nuclei leggeri, scoprì gli

elementi 107, 108 e 109;

ci vollero due settimane di lavoro per ottenere un singolo atomo dell'elemento 109, ora

chiamato meitnerio.

Tutti gli elementi transuranici, a parte il plutonio ed il nettunio presenti in piccolissime percentuali, sono elementi artificiali che ai giorni nostri

non esistono sulla terra.

UN TRIBUTO A FERMI: http://www.parlamento.it/att/ddl/r2605a.htmSEABORG HITS: http://www-ia1.lbl.gov/seaborg/hits.htmSCOPERTE DI ELEMENTI: http://enews.lbl.gov/Science-Articles/Archive/new-elements-here.html


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GLI ELEMENTI MANCANTI I nuovi elementi I

Con "nuovi elementi" vengono indicati gli elementi sintetizzati in laboratorio che non

hanno ancora un nome, ovvero quelli prodotti artificialmente con numero atomico maggiore

di 109 e scoperti dopo il 1994.

In tale anno venne deciso dalla International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)

il nome degli elementi con numero atomico compreso tra 102 e 109.

Gli elementi 110, 111, e 112 vennero scoperti nel 1994 e 1996 a Darmstadt (Germania).

I nuovi elementi, seguendo la regola proposta dalla IUPAC legano il loro nome al numero atomico; per esempio l'elemento 110 viene detto ununnilium, dal latino Un(uno)un(uno)nilium(zero).

Negli ultimi anni (dal 1998 al 2000) a Dubna e a Berkeley sono stati sintetizzati tre nuovi elementi con numero atomico 114, 116, e 118.

GLI ELEMENTI 116 E 118: http://enews.lbl.gov/Science-Articles/Archive/elements-116-118.html


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GLI ELEMENTI MANCANTI I nuovi elementi II

I nuclidi con numero atomico maggiore di 106 sono particolarmente instabili.

Via via che ci si avvicina al numero "magico" 114 però gli elementi mostrano una maggiore tendenza alla stabilità.

Dal 1966 si prevede l'esistenza di una isola di stabilità centrata attorno al nuclide con 114 protoni e 184 neutroni.

Tale teoria contraddiceva una altra teoria per cui la stabilità degli elementi sintetizzati sarebbe diminuita sensibilmente al crescere del numero atomico.

A sostegno dell'esistenza dell'isola di stabilità i fisici di Dubna hanno sintetizzato l'elemento 114 con 175 neutroni, e scoperto che vive 1000 volte più a lungo di quello con 174 neutroni.

Ipotizzano di essere ai margini di tale isola.


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GLI ELEMENTI MANCANTI http://fidabs.ing.unibs.it/em

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