mercoledì, Dicembre 11, 2019
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Come sono nati gli elementi chimici

Continua la nostra serie di articoli sugli elementi della tavola periodica. Prima della vita, qualcos’altro ha dovuto aver origine: gli elementi chimici. Ma come si sono formati? Chi è arrivato per primo?

Vi siete mai chiesti come ha avuto origine quello che ci circonda? E non intendo computer, alberi, scrivanie e mezzi di trasporto, ma gli elementi di cui tutto ciò che ho menzionato è costituito. Qualcuno, da reminiscenze scolastiche, potrebbe esclamare: “si sono formati nelle stelle!”. Ma vengono davvero tutti da lì gli elementi? E le stelle, allora, come sono nate? Proviamo allora a fare un po’ d’ordine e a capire cosa è comparso prima e come.

Dagli atomi alle stelle

È facile considerare l’astronomia come la scienza che studia oggetti molto grandi, posti a distanze ancora più macroscopiche: potrebbe stupire, quindi, che gli astronomi si mettano a studiare anche oggetti piccoli – microscopici, anzi, come le particelle subatomiche. Eppure, questo ha perfettamente senso se si pensa che la fisica che funziona sulla Terra funziona nello stesso modo anche nel resto dell’universo e che quest’ultimo è omogeneo e isotropo (ovvero sembra lo stesso in ogni direzione). Insomma, il posto che noi occupiamo sul nostro pianeta non ha nulla di così unico o speciale, astronomicamente parlando, perciò studiare gli atomi sulla Terra può fornire indicazioni utili sulla nascita degli elementi nell’intero universo.

Il nucleo degli atomi – idrogeno a parte, per quello faremo un discorso speciale – è costituito da particelle di carica positiva – i protoni – e particelle senza carica elettrica – i neutroni. L’idrogeno invece è l’atomo più semplice: il suo nucleo è costituito semplicemente da un protone. Attorno a ogni nucleo si trova una nuvola di vorticanti particelle provviste di carica negativa, gli elettroni. Tutto quello che possiamo vedere nell’universo è formato da questi tre minuscoli costituenti che, uniti in varie combinazioni, vanno a formare gli elementi chimici.

I primi arrivati

In principio fu il Big Bang. Subito dopo, l’universo era estremamente caldo e denso. Non appena iniziò a raffreddarsi, le condizioni diventarono compatibili con la formazione di materia: un secondo dopo il grande evento, era già pieno di protoni, neutroni ed elettroni. Dopo qualche minuto, protoni e neutroni iniziarono a combinarsi, formando i primi nuclei (era della nucleosintesi): oltre all’idrogeno, di cui abbiamo detto prima, deuterio (un isotopo dell’idrogeno, il suo nucleo è formato da un protone e un neutrone), elio e quantità minime di litio.

elementi chimici

Furono necessari, però, ben 380 000 anni perché l’universo si raffreddasse a sufficienza per permettere la formazione dei primi atomi, durante l’era della ricombinazione, con la cattura degli elettroni in orbita intorno ai nuclei. Oltre a essere i primi a formarsi, elio e idrogeno sono tuttora gli elementi più abbondanti.

La famiglia si allarga (ma con calma)

Due soli elementi (il litio era così raro da poter essere trascurato, in questa fase) sono una lista di ingredienti un po’ troppo breve per formare un intero universo. Per formarne altri si sarebbero dovuti scontrare e unire i nuclei presenti, ma elio+idrogeno ed elio+elio (rispettivamente nuclei di cinque e otto particelle) erano combinazioni instabili. Allo stesso modo, anche due protoni non potevano stare insieme. L’universo sembrava essersi “bloccato”. Ma, 400 milioni di anni dopo il Big Bang, nuvole di gas iniziarono a collassare, fino a formare le prime stelle e le galassie.

Furono proprio le stelle a portare avanti il lavoro iniziato dal Big Bang: l’elevata temperatura, di circa 100 milioni di gradi, e l’enorme quantità di atomi presenti permisero di uscire dall’impasse. In questo modo il berillio-8, instabile e che decade quasi istantaneamente, nato da due nuclei di elio, ha potuto catturare un nucleo di elio, permettendo di arrivare al carbonio. Questo fu solo l’inizio, nei successivi milioni di anni, le stelle riuscirono a fondere nuclei sempre più pesanti. Gli elementi ottenuti vennero proiettati nello spazio con i venti stellari o con l’esplosione delle stelle come supernove. Questo tipo di processo ha fatto sì che ferro, carbonio, ossigeno e altri costituenti della vita iniziassero a esistere, così come il nostro Sistema Solare.

Ma anche i neutroni hanno avuto il loro ruolo: con il processo di cattura lenta (detto processo s, dalla parola inglese slow, che significa lento) un atomo stabile viene colpito da un neutrone e lo “incorpora” nel suo nucleo. A quel punto, essendo instabile, decade tramite un processo detto decadimento beta, nel quale uno dei neutroni emette un elettrone trasformandosi in un protone – diventando l’elemento di numero atomico successivo. Descritto così può sembrare un procedimento banale, ma la difficoltà risiedeva nel fatto che non ci sono moltissimi neutroni disponibili in giro: quelli non legati decadono in un protone nel giro di dieci minuti circa. Quindi si devono creare le giuste condizioni perché questo avvenga: per esempio, nei dintorni di una stella formatasi dai resti di una supernova, che tende a emettere flussi di neutroni. Per quanto il processo sia lento, si ritiene che circa la metà dei metalli pesanti, fino al piombo, si sia formata così.

Oltre al processo di cattura lenta dei neutroni ne esiste anche uno chiamato r, dall’inglese rapid, veloce. Di solito si verifica all’interno delle supernove, dove è presente un grande numero di neutroni: nuclei atomici pesanti (dal ferro in su) catturano neutroni in rapida successione, dando origine a un gran numero di elementi pesanti. Dai più leggeri e semplici ai più complessi e pesanti, la storia degli elementi copre diversi milioni di anni, e in quanto a complicazioni non ha nulla da invidiare a quella di nazioni e regnanti…


Leggi anche: Collezionisti di elementi

Articolo pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.   

Fotografia: Pixabay

Giulia Negri
Comunicatrice della scienza, grande appassionata di animali e mangiatrice di libri. Nata sotto il segno dell'atomo, dopo gli studi in fisica ha frequentato il Master in Comunicazione della Scienza “Franco Prattico” della SISSA di Trieste. Ama le videointerviste e cura il blog di recensioni di libri e divulgazione scientifica “La rana che russa” dal 2014. Ha lavorato al CERN, in editoria scolastica e nell'organizzazione di eventi scientifici; gioca con la creatività per raccontare la scienza e renderla un piatto per tutti.

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