Atomi superpesanti dalla Germania

C’è un’isola laggiù, lontano lontano. Per raggiungerla bisogna attraversare un mare costellato di sassi, sui quali è difficile camminare perché, appena posato il piede, subito sprofondano. E’ il sogno dei fisici nucleari. E’ l’isola della stabilità, nella quale gli elementi più pesanti non si trasformano subito in qualcos’altro. E quindi (forse) possono essere usati. Ebbene, ora da Darmstadt arriva la notizia: un altro passo verso l’isola è stato compiuto.
“Atomo” deriva dal greco significa “indivisibile”. Oggi sappiamo che gli atomi, così come li conosciamo grazie alla fisica, sono tutt’altro che indivisibili. Intorno al nucleo atomico ruotano gli elettroni e nel nucleo ci sono altre particelle ancora: protoni e neutroni. E proprio nel nucleo si trova la gran parte della massa atomica. Il numero dei protoni determina l’elemento chimico. Per esempio l’idrogeno ha un solo protone e l’elio ne ha due. Poi, a parità di elemento, il numero di neutroni può cambiare. Il deuterio ha un protone e un neutrone: di fatto è idrogeno, ma più pesante. Il trizio ha sempre un protone ma addirittura due neutroni: ancora idrogeno, ancora più pesante. Deuterio e trizio sono dunque isotopi dell’idrogeno: lo stesso elemento, ma con una massa maggiore. Gli isotopi di molti elementi sono però instabili e decadono: dopo un periodo che dipende dall’elemento e che va da una frazione di secondo fino a migliaia di anni, i loro nuclei si spezzano e si trasformano in elementi più leggeri.
Il più pesante di tutti gli elementi presenti in natura è l’uranio, con 92 protoni e un numero di neutroni variabile fra 140 e 146. Il più massiccio dei suoi isotopi non decade per miliardi di anni: ecco perché ce n’è ancora sulla Terra. Esistono però anche elementi artificiali oltre l’uranio, chiamati “transuranici”, introvabili in natura ma sintetizzati in laboratorio. A oggi, il più pesante ha 118 protoni ed stato battezzato provvisoriamente ununoctio. Tranne il plutonio (con 94 protoni), tutti questi transuranici sopravvivono pochissimo tempo. E non c’è niente da fare: non esiste un espediente o una tecnologia per far durare un isotopo più di quanto dovrebbe per le leggi della fisica. Conseguenza: è difficilissimo studiarli. Peraltro i modelli teorici del nucleo atomico sono estremamente complicati e non forniscono previsioni precise. Quello di cui però tutti i fisici teorici sono convinti è che, aumentando ancora il numero di protoni, si arriverà a un gruppo di elementi davvero stabili, capaci di resistere per mesi, forse anni. Nel grafico protoni-neutroni formano un gruppo compatto, su su verso i 170 protoni: quella è l’isola della stabilità. Già, ma come arrivarci?
Nei giorni scorsi un articolo su “Nature” ha mostrato come i passi verso l’isola siano piccoli ma continui e significativi. I ricercatori dell’Helmholtz Centre for Heavy Ion Research di Darmstadt, in Germania, sono riusciti a produrre alcuni isotopi del nobelio (che ha 102 protoni) e a misurarne con grande precisione la massa. Questo fatto non è banale. Di solito degli elementi transuranici la massa non si misura, ma la si ricava indirettamente dalla somma delle masse dei nuclei che sono stati fatti scontrare per produrli. Solo che una parte della massa viene convertita in energia, quindi il risultato finale è sempre solo una stima. Stavolta invece no. Stavolta i fisici di Darmstadt hanno proprio raccolto una misura diretta e straordinariamente precisa.
Gli scienziati hanno anzitutto sparato degli atomi di calcio contro un bersaglio di piombo. Dalla fusione di una piccola percentuale di nuclei hanno ricavato alcuni isotopi del nobelio, che vivono fra pochi millisecondi e alcuni minuti, insieme a molte altre impurità. Eliminate queste ultime, il nobelio è stato rallentato e inserito in una “trappola di Penning”, dove campi elettrici e magnetici costringevano gli atomi a percorrere orbite dalla forma molto particolare. Dopodiché è bastato (si fa per dire...) misurare la velocità di rotazione e... voilà: con pochi semplici calcoli (che nei testi di fisica si troverebbero “lasciati come esercizio al lettore”) si ricava, stavolta direttamente, la massa degli isotopi. Per dare un’idea della qualità e della difficoltà della misura, diremo che è stato come misurare la massa di una persona da 100 chilogrammi con la precisione del milligrammo.
E poi? Poi questa è la base sulla quale lavorare per proseguire gli studi, anche teorici, sugli elementi transuranici nell’isola della stabilità. Che sono ancora di là da venire, ma ora un po’ più vicini. Serviranno a qualcosa? Non si può saperlo finché non ci si arriva. D’altronde ogni esplorazione è così: se non parti non arrivi, e se non arrivi non sai che cosa ti perdi.