origine degli elementi - tavola periodica

L’origine degli elementi: la fucina primordiale

Chi siamo, dove andiamo, da dove veniamo: non mi vengono in mente altre domande più esistenzial-adolescenziali di queste tre. E per molti versi, più frustranti. Eppure almeno a una di queste domande la risposta oggi esiste, ed è quella sulle nostre origini: da dove veniamo, noi e tutto ciò che ci circonda?

Secondo le teorie oggi più accettate e consolidate, gli atomi di cui siamo fatti io, voi e tutti gli altri, così come la materia che ci circonda, sono stati fabbricati nelle fucine più poetiche che potreste immaginare: le stelle. Quasi tutti – e questo quasi lo chiariremo meglio fra poco – gli atomi naturali, ossia quelli non creati dall’uomo in laboratorio, si sono formati, mattoncino dopo mattoncino, in fantasmagoriche reazioni nucleari che hanno avuto luogo in località del cosmo più o meno remote, caratterizzate da condizioni di temperatura e pressione estreme.

origine degli elementi - universo primordiale

L’origine degli elementi, detta anche nucleosintesi, parte ovviamente dall’elemento più semplice: l’idrogeno. Tutto l’idrogeno di cui disponiamo, nel cosmo, si è formato nei primi minuti di vita dell’Universo, successivamente ai quali sono state fissate le abbondanze degli elementi più leggeri e dei loro isotopi. Nei primi minuti dopo il Big Bang, infatti, l’Universo era così caldo e denso che i protoni e neutroni, creatisi appena qualche istante prima in una proporzione di circa sette a uno, cominciarono a combinarsi fra loro. Ma cosa vuol dire “combinarsi”, quando si sta parlando di particelle (quasi) elementari?

In condizioni di temperatura e pressione elevatissime, un protone e un neutrone riescono ad avvicinarsi abbastanza perché l’interazione forte, che come dice il suo nome è molto intensa ma ha una portata cortissima, si affretti ad appiccicarli uno all’altro: ecco così formato un nucleo atomico, il più semplice possibile. Si tratta di un nucleo di deuterio, un isotopo stabile dell’idrogeno, più pesante di quest’ultimo, detto anche idrogeno-2.

I nuclei di deuterio, incontrando un protone libero, possono dare origine a un nucleo di elio-3 (un isotopo dell’elio molto raro): l’interazione forte che tende a unire protoni e neutroni ha infatti la meglio sulla repulsione elettrostatica, che di per sé terrebbe invece lontani i due protoni (dotati della stessa carica elettrica). Per lo stesso gioco di disequilibrio, i nuclei di elio-3 non chiedono di meglio che di fondersi con un secondo neutrone, dando così alla luce un nucleo di elio-4, l’elemento che noi tutti conosciamo grazie alle bombolette per gonfiare i palloncini che, se inalato, storpia la voce in modi molto divertenti.

balloons

Dopo questi primi momenti di vita, l’Universo ha iniziato a raffreddarsi, tanto che a venti minuti dall’inizio dell’espansione non poteva più verificarsi alcuna reazione nucleare come quelle sopra descritte. Al termine di questa nucleosintesi primordiale, fase durata poco più di una quindicina di minuti, le abbondanze relative degli isotopi erano state fissate per decine di milioni di anni a venire: idrogeno-1 (circa il 92% dei nuclei) ed elio-4 (circa l’8%), con tracce di altri isotopi stabili come il deuterio, l’elio-3, il litio-6 e il litio-7.

Isotopi come il trizio (idrogeno-3), il berillio-7 e il berillio-8 sono invece instabili, e quando si formano tendono a disintegrarsi e a decadere in forme stabili (quelle citate sopra). E’ proprio perché il berillio-8 è instabile che la nucleosintesi primordiale a un certo punto si è “fermata”: i nuclei instabili hanno una vita troppo breve e, di conseguenza, non possono venire coinvolti in reazioni tali da produrre nuclei di elementi più complessi. E come vedremo, questo fatto ha avuto conseguenze assolutamente notevoli.

Noi però sappiamo che la tavola periodica è composta di decine e decine di elementi: se non sono stati formati nei primi momenti di vita dell’Universo, allora quando e dove?

Come nei migliori astrophysical thrillers, la risposta nella prossima puntata.

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