Mendeleev nel 1897. Fonte: Wikipedia, pubblico dominio
Il geniale e irrequieto scienziato russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev non fu il primo a cercare di sistematizzare in un elenco ordinato tutte le informazioni sulla sessantina di elementi chimici conosciuti all’epoca, negli anni ’60 dell’Ottocento. Ma la sua tavola periodica degli elementi, presentata il 6 marzo 1869 alla neofondata Società chimica russa, era l’unica a fornire un sistema di classificazione, basato sui pesi atomici, che permettesse di prevedere le caratteristiche di elementi chimici ancora da scoprire, come fu verificato in breve tempo.
Per celebrare i 150 anni di questo capolavoro della scienza, l’Unesco ha dichiarato il 2019 Anno internazionale della tavola periodica degli elementi chimici. Un’opera di genio ancora in fase di completamento, poiché il numero degli elementi chimici conosciuti continua ad aumentare: gli ultimi quattro – tutti prodotti in laboratorio – sono stati infatti inseriti nel novembre 2016. E che continua a riservare sorprese, come la recente scoperta che la superconduttività di un composto si potrebbe desumere dalla disposizione degli elementi costituenti nella tavola di Mendeleev.
Gli astrofisici hanno una sviluppato una loro versione di tavola periodica degli elementi, basata sull’origine degli elementi stessi. Come quella creata da Jennifer Johnson della Ohio State University tempo fa e ora inserita in un articolo pubblicato oggi su Science in cui la ricercatrice spiega come la composizione dell’universo sia cambiata nel tempo e continui a mutare tutt’ora grazie al ciclo di vita e di morte delle stelle.
«Per 100 milioni di anni dopo il Big Bang c’erano solo idrogeno, elio e litio», spiega Johnson. «Poi hanno iniziato a venire sintetizzati carbonio, ossigeno e altri elementi davvero importanti. Ora siamo all’apice del popolamento della tabella periodica».
Origine degli elementi nel Sistema solare. Crediti: Jennifer Johnson
Si ritiene che la nucleosintesi primordiale ebbe inizio con il Big Bang, circa 13.7 miliardi di anni fa, dove furono creati gli elementi più leggeri (e più abbondanti) nell’universo, idrogeno ed elio, assieme a una parte del litio. Per un centinaio di milioni di anni dopo il Big Bang, questi tre elementi furono gli unici costituenti del cosmo.
Con l’accensione delle prime stelle ebbero poi origine tutti gli altri elementi più pesanti di idrogeno ed elio, che gli astrofisici denominano metalli. Questo avvenne, e avviene tuttora, tramite processi di nucleosintesi stellare e di nucleosintesi delle supernove, a seconda anche della massa stellare.
Nelle stelle massicce il processo di fusione è più rapido rispetto a quelle con massa minore. Queste stelle “obese” fondono idrogeno ed elio in carbonio, poi carbonio in magnesio, sodio, neon. Alla fine della loro vita, quando si esaurisce il carburante, esplodono in supernove contribuendo a popolare la tavola periodica e lo spazio attorno a loro con elementi dall’ossigeno al silicio, e fino al selenio.
Jennifer Johnson. Crediti: Ohio State University, Kevin Fitzsimons
Il nucleo collassato di una stella massiccia può dare origine a una stella di neutroni. La fusione di due stelle di neutroni, come si è sperimentato recentemente, porta alla creazione di diversi elementi più pesanti del ferro, atomi formati attraverso la nucleosintesi da processo r, dove la lettera ‘r’ sta per rapido. Elementi come il rodio, lo xeno, fino all’uranio, inclusi l’oro e il platino.
Le stelle di piccola massa, come il Sole, dopo un’esistenza più lunga e tranquilla rispetto a quelle di stazza maggiore, lasciano una cosiddetta stella nana bianca come residuo. Le nane bianche possono arrivare a fondersi con altre stelle ed esplodere, sintetizzando ed immettendo in circolo ulteriori elementi chimici, come calcio e ferro.
«Una delle cose che trovo più interessanti è vedere come siano necessari diversi processi processi affinché le stelle producano tutti gli elementi chimici, ed è interessante notare come questi processi siano distribuiti lungo la tavola periodica», commenta Johnson. «Quando pensiamo a tutti gli elementi presenti nell’universo, è stimolante pensare a quante stelle li hanno forgiati. E non solo stelle giganti esplose in supernove, ma anche stelline simili al nostro Sole. A ben pensarci, ci vuole una discreta varietà di stelle per avere tutti gli elementi chimici».