Rammento dai miei tempi di scuola, che gli elementi fossero 94, mentre ora che da pensionato torno a coltivare le amate scienze, scopro sulla tavola periodica di Mendeleev, che gli elementi sono 103. Pongo dunque ad Ulisse le seguenti domande:
1) gli elementi che si sono aggiunti, sono dovuti a scoperte casuali di materiali esistenti in natura, oppure sono materiali sintetici prodotti dalla moderna tecnologia?
2) la costruzione degli atomi, e dunque di eventuali nuovi elementi, è una teoria oppure una realtà, sia pure sperimentale, data dagli acceleratori di massa? Se sì, potreste indicare Link del web, validi per aggiornarsi sulla consistenza di questi studi.
3) a livello teorico, è possibile l’esistenza di elementi atomici ultra pesanti, non dico di isotopi sovraccarichi di neutroni, ma di autentici elementi di protoni ed elettroni, con orbitali oltre l’8, per esempio al 10, e per assurdo al 20 o 100?
Il numero degli elementi chimici finora conosciuti è aumentato negli ultimi anni, è vero. Al momento, la tavola periodica conta addirittura 111 elementi. L’ultimo che è entrato ufficialmente a far parte della tavola periodica è il roentgenio, che si trova nel settimo periodo sotto l'oro, e che dovrebbe avere le stesse proprietà chimiche dei metalli nobili.
Anche se non ancora ufficialmente, altri 7 elementi sono stati scoperti, o quanto meno questo è quello che affermano gli scienziati impegnati nelle rispettive ricerche. L’ultimo di cui è stata annunciata la scoperta è l’elemento 118, che dovrebbe essere un gas nobile.
La questione della scoperta di un nuovo elemento chimico è molto interessante sia dal punto di vista scientifico che teorico e speculativo, sia per capire i meccanismi che portano alla convalida, e alla successiva acquisizione da parte della comunità scientifica, di una scoperta.
Questi nuovi elementi infatti, o più in generale gli elementi cosiddetti transuranici (con numero atomico maggiore dell’uranio) non sono stabili. La loro naturale tendenza a scindersi, in altre parole la loro radioattività, ne determina il tempo di vita medio, che è estremamente breve mano a mano che aumenta il numero atomico. Basti pensare che il tempo di dimezzamento del roentgenio è di circa 1,5 millisecondi. Studiare le proprietà chimiche e fisiche di questi elementi non è semplice, anche per questo motivo.
Un altro problema, connesso alla stabilità di questi elementi, riguarda i metodi utilizzati per produrre, o sintetizzare, elementi che altrimenti in natura non esisterebbero. La sintesi di nuovi elementi avviene in laboratori molto particolari, dotati di acceleratori di particelle, dove fasci di atomi, o di ioni, vengono fatti collidere con bersagli costituiti da atomi di diversa natura. Durante questi esperimenti vengono registrati, con varie tecniche sperimentali, gli eventi successivi alla collisione. In questo modo l’eventuale formazione di nuovi elementi non dovrebbe sfuggire ai numerosi detector, strumenti che misurano energie, velocità, traiettorie e altre quantità utili. Lo scopo di questo enorme apparato strumentale non è solo quello di ricostruire un evento abbastanza raro, come la formazione di un elemento chimico, o semplicemente una collisione tra singoli atomi. Lo scopo è spesso anche quello di convalidare una teoria, provare sperimentalmente quello che i teorici hanno predetto.
Se teoricamente, infatti, la tavola periodica potrebbe essere infinita, sarà solo grazie a esperimenti come questi che verranno le conferme, o le smentite, delle teorie attuali.
Dunque, questi esperimenti sono reali. Eppure, proprio per la delicatezza del problema, prima che un elemento venga ufficializzato, con tanto di nome e simbolo, ci vuole del tempo e soprattutto delle regole da seguire.
Qui entra in ballo la comunità scientifica, con i suoi organi e le sue strutture. Per la chimica, e in particolare per la convalida delle scoperte di nuovi elementi e di nuovi composti chimici esiste la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), un’organizzazione che unisce e rappresenta tutti i chimici del mondo.
Un insieme di rappresentanti dei chimici inorganici, la Inorganic Chemistry Division, ha il compito specifico di valutare i lavori scientifici, i report ed eventuali lavori non pubblicati, che riguardano la scoperta di un nuovo elemento.
Tutti i lavori scientifici dovrebbero seguire delle norme di riproducibilità e di validità dalla procedura sperimentale, tuttavia qualcosa di più è richiesto nel caso della convalida di una scoperta di una certa portata (come di fatto è l’estensione della tavola periodica). I risultati degli esperimenti devono essere chiari e riproducibili, la possibilità di errori sperimentali deve essere ridotta al minimo. In altri termini: la commissione richiede quasi sempre che l’esperimento venga ripetuto in un diverso laboratorio e preferibilmente usando altre tecniche di misura.
Solo dopo aver valutato i risultati ottenuti indipendentemente da vari gruppi di ricerca si procede con la convalida della scoperta. Un esempio di procedura è quella seguita alla scoperta degli elementi da 110 a 112, che si può trovare anche on line, sul sito della IUPAC (On the discovery of the elements 110-112, IUPAC technical report, pubblicato su "Pure Appl. Chem." 73 (6) 959-967, 2001).
Siti utili:
- IUPAC;
- Esempio recente di documento contenente i requisiti necessari alla convalida della scoperta di nuovi elementi chimici è Priority claims for the discovery of elements with atomic number greater than 111, 2006-046-1-200 (sempre sul sito della IUPAC);
- Esempio di tavola periodica aggiornata.