La tavola periodica è uno strumento fondamentale per la chimica e la fisica, che ci permette di classificare e studiare gli elementi che compongono la materia, tuttavia potrebbe non essere completa, e potrebbero esistere elementi al di fuori di essa, con proprietà e caratteristiche ancora da scoprire.
Questa è l’ipotesi di un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Arizona, che ha pubblicato uno studio sulla densità di massa degli elementi superpesanti, ovvero quelli con un numero atomico (Z) superiore a 110 (Z>110).
La densità di massa come indicatore di nuovi elementi
La densità di massa è una grandezza fisica che misura la quantità di massa in un dato volume, più un oggetto è denso, più massa contiene nello stesso spazio, tra l’altro essa varia in base al numero di protoni e neutroni nel nucleo, e alla distribuzione degli elettroni negli orbitali.
In generale, gli elementi con un numero atomico più alto tendono ad avere una densità di massa maggiore, ma non sempre è così. Alcuni elementi, infatti, hanno una struttura nucleare più stabile e compatta, che li rende più densi di altri elementi con un numero atomico simile.
Gli elementi più densi conosciuti sono l’osmio (Z=76) e l’iridio (Z=77), che hanno una densità di massa di circa 22,6 g/cm³, questi elementi sono stabili e si trovano naturalmente sulla Terra, ma sono molto rari e preziosi. Gli elementi con un numero atomico superiore a 92, invece, sono tutti artificiali e instabili, e si decompongono rapidamente in elementi più leggeri.
L’elemento più denso sintetizzato finora è l’oganesson (Z=118), che ha un numero atomico di 118 e una densità di massa stimata di circa 4,90-5,10 g/cm³, tuttavia ha un’emivita di soli 0,7 millisecondi, il che significa che si trasforma in altri elementi in meno di un millesimo di secondo.
Gli scienziati ritengono che esistano delle isole di stabilità nucleare, ovvero regioni della tavola periodica dove gli elementi superpesanti potrebbero avere un’emivita più lunga e una densità di massa più elevata. Una di queste isole si troverebbe vicino al numero atomico 164, dove gli elementi potrebbero avere una densità di massa compresa tra 36 e 68 g/cm³, questi elementi, però, non sono mai stati osservati né prodotti in laboratorio, e le loro proprietà sono solo teoriche.
La scoperta degli asteroidi densi
La ricerca degli elementi superpesanti al di fuori della tavola periodica ha ricevuto una spinta inaspettata dall’osservazione degli asteroidi, i corpi celesti che orbitano intorno al Sole, principalmente nella fascia tra Marte e Giove. Gli asteroidi sono formati da vari tipi di materiali, tra cui roccia, metallo, ghiaccio e polvere, e la loro densità di massa dipende dalla loro composizione e dalla loro storia evolutiva, e può variare da meno di 1 g/cm³ a più di 8 g/cm³.
Tuttavia, alcuni asteroidi hanno mostrato una densità di massa insolitamente alta, superiore a quella di qualsiasi elemento conosciuto, uno di questi è l’asteroide 33 Polyhymnia, che ha una densità di massa di circa 75 g/cm³.
Questo valore è superiore a quello dell’osmio, l’elemento stabile più denso presente in natura, e anche a quello dell’oganesson, l’elemento sintetico più denso nella tavola periodica, ma come è possibile che un asteroide abbia una densità di massa così elevata?
Questa domanda ha incuriosito i ricercatori dell’Università dell’Arizona, che hanno ipotizzato che l’asteroide 33 Polyhymnia potesse contenere elementi superpesanti al di fuori della tavola periodica, con una densità di massa maggiore di quella degli elementi familiari.
Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno utilizzato un modello matematico chiamato modello relativistico dell’atomo Thomas-Fermi, che permette di calcolare la densità di massa degli elementi in base al numero atomico e al numero di massa, e con questo modello, i ricercatori hanno stimato la densità di massa degli elementi con un numero atomico compreso tra 110 e 200, e hanno confrontato i risultati con la densità di massa dell’asteroide 33 Polyhymnia.
La possibilità di elementi sconosciuti negli asteroidi
I risultati dello studio hanno mostrato che nessuno degli elementi con un numero atomico inferiore a 164 ha una densità di massa sufficiente a spiegare quella dell’asteroide 33 Polyhymnia, ed anche se alcuni di questi elementi potrebbero essere abbastanza stabili da esistere negli asteroidi, la loro densità di massa è inferiore a quella dell’osmio o dell’oganesson.
Tuttavia, gli elementi con un numero atomico vicino a 164, che appartengono all’isola teorica di stabilità nucleare, hanno una densità di massa compresa tra 36 e 68 g/cm³, e potrebbero essere dei candidati plausibili per la composizione dell’asteroide 33 Polyhymnia.
Se una parte significativa dell’asteroide fosse costituita da questi metalli superpesanti, la sua densità di massa potrebbe avvicinarsi al valore misurato sperimentalmente. Questa scoperta suggerisce che gli elementi superpesanti al di fuori della tavola periodica potrebbero esistere nei nuclei di alcuni asteroidi densi, e potrebbero essere ottenuti con tecniche di estrazione spaziale.
Questi elementi potrebbero avere applicazioni in vari campi della scienza e della tecnologia, e potrebbero aprire nuove frontiere della conoscenza, ad ogni modo si tratta di una possibilità ancora molto speculativa, che richiede ulteriori studi e conferme sperimentali. Al momento, gli elementi superpesanti rimangono un mistero da svelare, e sono stati soprannominati “unobtainium”, ovvero “inottenibile”.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista The European Physical Journal Plus, ed è firmato da Jan Rafelski, Patrick M. Hohensee, Marek A. Janik e David A. Clark, e se confermata, questa scoperta potrebbe avere implicazioni importanti per la fisica, la chimica e l’astronomia, e potrebbe aprire la possibilità di ottenere elementi superpesanti dall’interno del nostro Sistema Solare.
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