La parola elemento si riferisce a una specie atomica caratterizzata da un dato numero atomico, cioè un particolare valore del numero di protoni nel nucleo, a sua volta uguale, in un atomo neutro, al numero di elettroni atomici. Specie caratterizzate anche da un dato numero di neutroni nel nucleo sono chiamate "nuclidi", e, come noto, diversi nuclidi con lo stesso numero atomico sono detti isotopi dello stesso elemento. Esiste in natura un numero dell'ordine del centinaio di elementi, ma un numero molto più elevato di nuclidi, alcuni dei quali stabili, altri radioattivi.

Forzando, quindi, un pò il senso della domanda, vedremo come si producono i nuclidi artificiali, piuttosto che gli elementi artificiali. Per venire al significato della parola "artificiali", potremmo considerarla il contrario di "naturali", indicando quindi quelli che non si rinvengono normalmente in natura.

La maggior parte dei nuclidi esistenti sul nostro pianeta sono stati prodotti alcuni miliardi di anni fa, al tempo della formazione del sistema solare. Il fatto che osserviamo una grande varietà di elementi, e non siamo fatti solo di Idrogeno ed Elio, ci indica che il nostro Sole è una stella di "seconda generazione", nel senso che la nube protostellare da cui si è formata la stella conteneva non soltanto elementi prodotti nel big bang, ma incorporava elementi più pesanti, prodotti a loro volta nella nucleosintesi di un'altra stella e disseminati nello spazio dalla esplosione di supernova che ne caratterizzò la fine.

Possiamo quindi affermare a buon diritto che siamo "polvere di stelle". Un'altra considerazione che scaturisce da quanto detto è quella che ci indurrebbe a ritenere che tutti i radionuclidi (nuclidi radioattivi) con vita media molto inferiore all'età del sistema solare non dovrebbero esistere "naturalmente", in quanto quasi totalmente scomparsi a causa del loro decadimento radioattivo.

In realtà, oltre ai radionuclidi "primordiali" e ai loro prodotti di decadimento, noi osserviamo radionuclidi con vite medie relativamente brevi: questo è il primo esempio di radionuclidi prodotti "semi-artificialmente", nel senso che reazioni nucleari indotte da particelle presenti nell'ambiente (radiazione cosmica, particelle emesse da nuclidi radioattivi) che colpiscono nuclidi stabili naturali sono responsabili della loro formazione. A questi vanno aggiunti quelli prodotti da attività antropiche, cioè da reazioni nucleari indotte da particelle prodotte da dispositivi costruiti ad hoc (reattori nucleari, acceleratori, ecc), sia per scopi di ricerca sia per scopi applicativi, quali la produzione di energia, la diagnostica o la terapia medica, il controllo di procedimenti industriali o il trattamento di materiali, ecc — per non parlare delle sciagurate applicazioni militari.

In tutti questi casi, si realizza in un certo senso il sogno degli antichi alchimisti: trasformare un dato elemento chimico in un altro con caratteristiche (e valore, in certi casi) diverse da quelle di partenza. È bene chiarire che, sebbene la trasformazione prodotta coinvolge il nucleo atomico, il cui numero atomico e/o il numero di massa viene variato dall'assorbimento di alcune particelle nucleari e dall'emissione di altre, il risultato della reazione è la formazione di un atomo diverso da quello di partenza (in quanto gli elettroni atomici si ridistribuiscono tra i partners della reazione): si ha quindi una vera e propria variazione delle proprietà chimiche della materia (che dipendono dalla configurazione elettronica e solo molto debolmente dalla struttura del nucleo), anche se le quantità che si riescono a produrre sono tali da vanificare la speranza che l'investimento, in termini di aumento del valore commerciale del prodotto, possa risultare in un guadagno.

E veniamo infine alla domanda originaria in senso stretto: è possibile, e come, produrre elementi artificiali, nel senso di "creare" materia in una forma non presente in natura? In altre parole, è possibile estendere la tavola di Mendeleev al di là di quella che la natura ci mette sotto gli occhi tutti i giorni, cioè produrre elementi chimici con un numero atomico diverso da quelli che costituiscono il mondo ordinario?

In linea di principio non vi è nessun motivo per il quale, così come una reazione nucleare permette di trasformare un elemento noto in un altro anch'esso noto, ciò non debba avvenire avendo come risultato un elemento "esotico".

In realtà, ciò ha a che vedere con le leggi fondamentali che governano la stabilità nucleare.

In ultima analisi un nucleo atomico è un aggregato di un certo numero di protoni e neutroni, tenuti insieme essenzialmente dalla forza nucleare (o "forte"), attrattiva alle piccole distanze. Non è però possibile una combinazione qualunque del numero di protoni e neutroni: la competizione tra forze attrattive tra i "nucleoni" (termine che denota indifferentemente i neutroni e i protoni) e le forze repulsive coulombiane tra le cariche positive (i protoni) fa sì che per un dato numero di protoni solo alcuni isotopi dell'elemento individuato da tale numero siano legati, possano cioè sopravvivere come un tutt'uno, anche se per un tempo molto breve. Saranno stabili gli isotopi che riescono a sopravvivere indefinitamente, radioattivi quelli che si trasformano spontaneamente in altri nuclidi, emettendo radiazioni direttamente o indirettamente ionizzanti.

Stabile o radioattivo che sia, un nuclide deve la sua possibilità di esistenza, oltre che alle forze nucleari e coulombiane, anche a delle proprietà quantistiche che ne influenzano l'energia di legame in relazione al numero di protoni e neutroni che lo costituiscono. I protoni e i neutroni, ad esempio, preferiscono accoppiarsi a due a due (interazione di "pairing") e formare delle configurazioni che sono caratterizzate da gruppi di certi numeri di essi (gli "strati", che danno luogo ai numeri "magici").

Per tale motivo, se noi disegniamo su un grafico, nel quale in ordinata riportiamo il numero di neutroni N e in ascissa il numero di protoni Z, un quadratino per ciascuno dei nuclidi conosciuti, vedremo che essi si raggruppano intorno alla "valle di stabilità" sul fondo della quale si trovano gli isotopi stabili, mentre sui suoi fianchi si distribuiscono quelli radioattivi. Il fondo valle non giace lungo la diagonale principale del piano N-Z, ma piega verso l'alto, a causa del fatto che, quanto più grande è il numero di protoni carichi positivamente, tanto più grande deve essere il rapporto N/Z per compensare l'aumento della repulsione colombiana (eccesso neutronico).

La valle di stabilità è delimitata lateralmente dalle cosiddette "drip lines", le linee al di là delle quali le combinazioni Z-N non corrispondono a nuclidi legati. La posizione esatta di queste linee non è a tutt'oggi completamente nota, in quanto la parte della valle di stabilità che è stata finora esplorata sperimentalmente è una frazione relativamente piccola, e le previsioni teoriche sono basate su leggi, stabilite sulla base dei dati misurati in prossimità del fondo valle, che potrebbero non essere rigorosamente valide allontanandosi dal fondo. I fisici nucleari parlano di "terra incognita" quando si riferiscono alla zona periferica della valle, ed una delle avventure più affascinanti della fisica nucleare moderna è proprio la sua esplorazione.

Per quanto ne sappiamo fino a oggi, questa terra incognita somiglia a una penisola, nel senso che non esistono al suo interno soluzioni di continuità, ma una previsione teorica accreditata fino a poco tempo fa lasciava ritenere che al largo di questa penisola potesse esistere un'isola di stabilità (anche se i risultati più recenti fanno piuttosto pensare ad un allungamento della punta di una penisola).

Fuori di metafora, ciò vorrebbe dire rispondere alla domanda da cui siamo partiti dicendo che produrre elementi artificiali sarebbe estremamente difficile, in quanto, se è vero che si calcola che nuclei con numero atomico intorno a Z=114 e N=184 possono essere legati, è anche vero che per raggiungerli bisogna attraversare il mare, cioè scavalcare la zona immediatamente superiore a Z=92 (quella degli elementi "transuranici", essendo l'Uranio l'elemento con più alto Z reperibile in natura), oltre la quale non esisterebbero nuclei legati.

Si intuisce facilmente come, se questo è vero, non sia possibile sfruttare reazioni indotte da particelle leggere (p.e. protoni, neutroni o particelle alfa) per produrre quelli che ormai sono chiamati familiarmente i superpesanti. In alcuni laboratori in Germania, Francia, Russia e Stati Uniti è stata quindi utilizzata una tecnica che consiste nel provocare la collisione tra due nuclei pesanti e nell'analizzare i prodotti della reazione di "fusione" tra di essi.

Il problema, in questo tipo di indagine, risiede nel fatto che parte dell'energia associata al moto del nucleo proiettile contro il nucleo bersaglio viene trattenuta dal sistema sotto forma di energia interna (o di eccitazione, simile a quella dissipata sotto forma di calore quando un proiettile si conficca nel bersaglio), mentre la parte restante rimane sotto forma di energia traslazionale del sistema composto (analoga al rinculo del bersaglio). Il rapporto tra le due è determinato dalle leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto, mentre la loro somma non può essere troppo piccola a causa della forza repulsiva tra i nuclei collidenti che impedirebbe loro di avvicinarsi abbastanza da innescare la fusione. Il sistema composto, se altamente eccitato, tende a emettere particelle e quindi a dar luogo a un prodotto finale della reazione più leggero, e quindi più lontano dalla zona di interesse.

Per minimizzare questo effetto vengono utilizzati proiettili di energia relativamente bassa, in modo che la fusione sia sufficientemente "fredda". Anche la scelta del nucleo proiettile e di quello bersaglio riveste una particolare importanza, in quanto il numero atomico e il numero di massa del sistema composto risultano dalla somma dei corrispondenti valori di Z ed N del proiettile e del bersaglio. La posizione di questo quadratino nel piano N-Z determina il tipo di particelle che il nucleo composto emetterà prima di formare il residuo finale legato, e quindi la direzione che assumerà muovendosi nel piano.

In questo modo sono stati scoperti gli elementi fino a Z=112 e, recentemente gli elementi 116 e 118.

In realtà la produzione di questi ultimi due è stata smentita dagli stessi autori che ne avevano pubblicato la scoperta (un gruppo del Laboratorio Nazionale di Berkeley in California), a seguito di contestazioni al loro articolo mosse da altri ricercatori. Sembra si sia trattato di un caso di "frode scientifica" che, se confermata, mostrerebbe come la corsa agli elementi artificiali non ha perso, dai tempi degli alchimisti, il suo interesse materiale, anche se il valore venale del nuovo elemento assume un carattere diverso da quello originario.