CRONACA

Bilance di precisione per nuclei superpesanti

M. Bock et al., Nature 463, 785-788(11 February 2010

Per la prima volta è stata misurata direttamente la massa del nucleo di un elemento transuranico, il nobelio, uno di quegli elementi, cioè, più pesanti dell’uranio e che generalmente essendo troppo instabili sfuggono alle misure dirette.

NOTIZIE – Si tratta del risultato di una lunga collaborazione a cui hanno partecipato oltre una ventina di ricercatori e realizzata a Darmstadt, in Germania, presso il GSI, tra gli istituti più autorevoli nel campo della ricerca in fisica nucleare. È qui infatti che tra il 1981 ed il 1996 sono stati sintetizzati per la prima volta gli elementi con numero atomico dal 107 al 112. A questi elementi sono stati dati nomi un po’ bizzarri e talvolta difficili da pronunciare: 107 bohrium, 108 hassium, 109 meitnerium, 110 darmstadtium (proprio in onore alla città di Darmstadt) e l’ultimo elemento, il 111, è stato nominato roentgenium.
Se guardiamo alla tavola periodica, che organizza tutti gli elementi a seconda del loro numero atomico e ne descrive così in modo straordinario anche le caratteristiche chimiche e fisiche, gli ultimi elementi stabili, cioè che rimangono tali e non si trasformano dopo un tempo più o meno lungo in altri elementi, sono il piombo (con numero atomico 82) e il bismuto (con numero atomico 83). Andando oltre, tutti gli elementi sono instabili, con tempi di decadimento che vanno dalle centinaia di anni ai mesi per ridursi a frazioni di secondo quando si arriva agli elementi estremamente pesanti. In mezzo troviamo l’uranio (con numero atomico 92), che pur essendo instabile ha un tempo di decadimento dell’ordine dei miliardi di anni, confrontabile con l’età della Terra, e quindi presente tuttora in natura.
Gli elementi più pesanti dell’uranio sono tutti artificiali, vuol dire che sono stati creati all’interno di reattori nucleari, bombardando con intensi flussi di neutroni l’uranio 238 e i nuclei che vengono successivamente prodotti fino ad arrivare al fermio (con numero atomico 100). Fin qui è relativamente semplice misurare le caratteristiche fisiche dei nuclei prodotti, come la massa, perché gli elementi rimangono sé stessi per un tempo sufficientemente lungo. Gli elementi oltre il fermio hanno una vita troppo breve per essere utilizzati per la sintesi artificiale di elementi più pesanti tramite intensi bombardamenti di neutroni.
E qui arriviamo finalmente alla novità della ricerca, pubblicata su Nature proprio ieri. È stata misurata in modo diretto e con estrema precisione la massa di tre isotopi del nobelio (numero atomico 102): nobelio 252, nobelio 253 e nobelio 254.
Come è stato possibile? La procedura è stata più o meno la seguente.
Alcuni bersagli di piombo 206, piombo 207 e piombo 208 (tutti stabili) vengono bombardati con dei proiettili di calcio 48. Bersaglio e proiettile fondono tra loro formando un sistema nucleare composto, assimilabile metaforicamente a una pentola in ebollizione. Tale pentola si raffredda (sempre metaforicamente) evaporando dei neutroni. Il sistema nucleare che rimane alla fine di questo processo di evaporazione viene chiamato residuo di evaporazione, e tra i vari residui che vengono prodotti troviamo gli isotopi del nobelio da misurare.
Purtroppo gli eventi di fusione-evaporazione che producono nobelio 252, nobelio 253 e nobelio 254 sono una minima parte: circa uno ogni dieci miliardi tra tutte le reazioni che possono avvenire tra proiettile e bersaglio! Si tratta quindi di separare il nobelio dal resto che non interessa. Lo si fa con un filtro di velocità: un separatore elettromagnetico lungo una decina di metri e costituito da una sequenza di campi elettrici e magnetici, che permette di selezionare i residui di evaporazione e di separarli a seconda della loro velocità.
I nuclei di nobelio, usciti dal filtro, sono però ancora in moto. Bisogna fermarli. Si fanno entrare in una cella gassosa riempita di elio (finora il tutto è stato fatto in un vuoto quasi confrontabile con quello dello spazio cosmico!) e poi estratti con un opportuno potenziale elettrico. I nuclei vengono quindi guidati lungo una serie di elettrodi e raggruppati sul fondo di una buca di potenziale. Alla fine vengono sparati all’esterno della buca e iniettati in una trappola elettromagnetica. Qui il moto dei nuclei di nobelio è manipolato in modo da misurare il rapporto tra la loro carica elettrica e la massa.
Questo permette di misurare la massa dei nuclei iniettati all’interno della trappola con estrema precisione, purché sia stato misurato con la massima precisione, sia prima che dopo il passaggio del nobelio, il campo magnetico applicato.
Il risultato è stato raggiunto nell’unico posto al mondo dove c’è attualmente a disposizione tutta l’attrezzatura necessaria, il GSI di Darmstadt, appunto: la combinazione di filtro di velocità, di trappola elettromagnetica e… ovviamente le persone competenti, come Marco Mazzocco che mi ha raccontato tutte queste cose, e che al tempo dell’esperimento faceva il ricercatore post-dottorato proprio a Darmstadt. Ora ha un assegno di ricerca del Dipartimento di Fisica dell’Università di Padova ed è associato alla sezione INFN di Padova e spera di poter continuare la sua carriera scientifica nel suo paese natale.
Ma perché tutta questa fatica per misurare la massa degli isotopi del nobelio? Oltre al fatto che è di indubbia soddisfazione riuscire in un’impresa così difficile e a capire un po’ meglio come è fatta la materia, questa misura diretta della massa del nobelio permette di avere maggiori garanzie anche sulle misure indirette di altri nuclei talmente instabili da non poter misurare la loro massa direttamente. Confrontando i risultati diretti con le misure indirette ottenute precedentemente per il nobelio si osserva infatti un’estrema coerenza, fatto che dimostra l’affidabilità dei metodi indiretti.
Inoltre spiana la strada alla ricerca dell’isola sommersa di stabilità: si tratta di una serie di elementi superpesanti i cui nuclei sarebbero, secondo le previsioni teoriche, particolarmente stabili. Sinora sono stati prodotti artificialmente elementi fino al numero atomico 118, mentre l’isola, sommersa perché ancora non si conoscono i prodotti per cui rimane invisibile, potrebbe corrispondere al numero atomico 126 o forse 120. La ricerca di questa isola è già da parecchi anni uno tra i maggiori obiettivi della fisica nucleare.

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