Crepe nella tavola periodica – 2) Parte seconda: effetto relativistico diretto.

118_Ununoctium

Tutti gli elementi fino al 116, più l’elemento 118, entrati ufficialmente nella tavola periodica solo nel dicembre del 2015, erano già stati scoperti, e il 117 ha riempito l’ultima casella vuota rimasta nella riga più in basso.
Questo nuovo atomo non ha ancora un nome, perché di solito la comunità scientifica attende una conferma indipendente prima di battezzare un nuovo elemento. Ma, salvo sorprese, il 117 ha ormai occupato il suo posto permanente nella tavola periodica degli elementi.

Siccome i fisici nucleari sono dei ficcanaso, o rompi …. atomi (come preferite), essi continueranno a sintetizzare nuovi elementi, che avranno nuovi tipi di orbitali elettronici, e cercheranno di capirne il comportamento chimico studiando piccole quantità di atomi che hanno vita assai breve.
Questo succede perché gli elementi più pesanti si disintegrano in tempi brevissimi per le forze repulsive dovute alle cariche positive (i protoni) presenti nel nucleo: più è alto il numero atomico (ossia il numero dei protoni del nucleo), maggiori sono le forze repulsive e più breve è la vita del nucleo, che tende a disintegrarsi emettendo radiazioni.

Ma ecco  un altro imprevisto.
Quando il numero atomico è arrivato a valori elevati, si è osservato che alcuni dei nuovi elementi aggiunti non si sono più comportati come richiede la tavola periodica; vale a dire, le loro interazioni chimiche, come il tipo di legame formato con altri atomi, non somigliano a quelle degli altri elementi della stessa colonna sulla tavola periodica.

Faccio un esempio.
Lo stato della materia dell’elemento 118 è sconosciuto. Si sa che è un elemento sintetico radioattivo, probabilmente gassoso a 25 °C.
Infatti ai più attenti di voi non è passato inosservato che l’ultimo livello ha 8 elettroni, ovvero non reagisce chimicamente come i gas nobili.
Per questo si pensa che l’ununoctio 118 abbia le stesse caratteristiche e proprietà fisico-chimiche del gruppo di elementi dei gas nobili in cui è stato inserito. Sarebbe il secondo elemento gassoso radioattivo (insieme al radon) e il primo elemento gassoso semiconduttore.
Tuttavia gli scienziati non riconoscono questo elemento come gas nobile perché non ha le sue caratteristiche chimiche. L’Uuo 118 sarebbe infatti in grado di formare ossidi stabili (UuoO3 e simili) oltre che cloruri e fluoruri. Comunque la sua radioattività determina un’implicita difficoltà nel formare molti composti con altri elementi. Un’altra ipotesi riguarda la forma che l’ununoctio 118 assumerebbe qualora fosse presente in natura: si pensa ad uno stato solido e non gassoso, perciò non presenterebbe le normali caratteristiche dei gas nobili.
Una crepa bella e buona nella tavola periodica.

Qual’è il motivo di questo comportamento?
Il motivo non sta più nel numero dei protoni, ma nella disposizione degli elettroni. Non bastavano le proprietà chimiche come la elettronegatività che lega gli atomi a dare spiegazioni delle anomalie riscontrate. Ci doveva essere una nuova spiegazione.

E’ nella prima metà del XX secolo che gli scienziati capirono che la periodicità degli elementi affonda le radici nella fisica quantistica e, in particolare, nella fisica degli elettroni che orbitano attorno al nucleo.
Le orbite degli elettroni sono un insieme discreto per forma e dimensioni. Atomi con numeri atomici più grandi hanno lo stesso tipo di orbite, od «orbitali», di quelli con numero atomico più piccolo, a cui però se ne aggiungono altri di tipo diverso.

Spiegarlo in quattro parole non è facile, lo faremo in un’altra occasione.
Diciamo che gli elettroni di un atomo sono distribuiti su diverse orbite e livelli, per esempio nel piombo sono così distribuiti sui vari livelli: 2, 8, 18, 32, 18, 4 per un totale di 82 elettroni pari al numero dei protoni. I 4 elettroni sul guscio esterno sono quelli che gli permettono di legarsi con altri atomi.

Ma andiamo avanti.
Quando ci spostiamo da piccoli a grandi numeri atomici, la carica nucleare aumenta a causa dei protoni in più e cominciano i guai.

Con l’aumento della carica nucleare cresce anche la velocità degli elettroni negli orbitali interni.
La ragione è che alcuni degli elettroni in orbita attorno ai nuclei più massicci raggiungono velocità prossime a quella della luce. Nel gergo dei fisici diventano particelle «relativistiche», e di conseguenza gli atomi si comportano diversamente da quanto suggerirebbe la loro posizione nella tavola.
Un bel casino.

Questo effetto provoca una contrazione delle dimensioni degli orbitali più interni e li rende più stabili. Il restringimento ha un effetto a cascata sugli altri orbitali, che si contraggono anch’essi, inclusi gli orbitali di «valenza», i più esterni, che determinano le proprietà chimiche degli elementi.
Tutti questi fenomeni vanno sotto il nome di “effetto relativistico diretto” che, in generale, aumenta con la carica del nucleo di ciascun atomo.

atom-photoParallelamente altri effetti di natura opposta complicano la faccenda.
Mentre l’effetto relativistico diretto stabilizza certi orbitali, un altro effetto relativistico «indiretto» destabilizza gli elettroni su livelli più alti (d e f). È una specie di schermo elettrostatico da parte degli elettroni dei livelli più bassi (s e p), le cui cariche negative neutralizzano in parte l’attrazione della carica positiva del nucleo. Per questo motivo il nucleo sembra esercitare sugli elettroni distanti un’attrazione minore, anziché maggiore.

Cosa significa questo? – mi domanda il mio cane che comincia a dare segni di impazienza.

Significa che non è chiaro se anche per gli atomi molto pesanti sia valido il principio per cui gli elementi della stessa colonna si comportano in modo simile.

Fino a poco tempo fa, il comportamento dei nuovi elementi rispettava quello previsto sulla base della loro posizione sulla tavola periodica. Ma poi sono cominciate le brutte sorprese (o forse le più interessanti).
Alcuni esperimenti sulla chimica degli ultimi elementi scoperti hanno mostrato le prime minacciose crepe nella regola periodica.

Già gli esperimenti effettuati negli anni novanta su atomi “super massicci” avevano suggerito che questi elementi non hanno le proprietà corrispondenti alla loro posizione sulla tavola periodica.
Secondo la legge periodica, invece, questi elementi avrebbero dovuto comportarsi come quelli che nella tavola sono sopra di loro.
E non è facile osservarli.

Gli elementi superpesanti, infatti, sono in genere molto instabili e decadono in elementi più leggeri in meno di un secondo. Gli studiosi si limitano soprattutto a osservare il risultato del decadimento nucleare, che fornisce informazioni sulla fisica e sulla chimica del nucleo. In questa fase della ricerca è impossibile indagare le proprietà chimiche con il metodo tradizionale, mettendo le sostanze in una provetta e osservandone le reazioni con altre sostanze.

È opinione condivisa che, se il numero di protoni supera un certo limite, il nucleo non riesce a formarsi neanche per un breve istante.
Questo lascia supporre che la tavola periodica abbia un limite massimo di estensione.
Quanti?

Alcuni ricercatori hanno tenuto conto del volume del nucleo, e ritengono che l’elemento finale avrà un numero atomico pari a 172 o 173.
E non è chiaro se il principio per cui gli elementi nella stessa colonna della tavola periodica hanno un comportamento simile sia valido anche per atomi molto pesanti.

A questo punto il mio cane che ha perso la pazienza,  sbotta.
“Allora qual è il motivo di continuare a sintetizzare nuovi atomi quando decadono istantaneamete, quando non hanno proprietà chimiche assimilabili ai corrispondenti della colonna superiore e forse non appartengono nemmeno alla tavola periodica.
Non è più facile tenerli sparati come una classe a parte?”

Mi domando se il mio cane non abbia ragione. Ma poi rifletto, nessun scienziato darebbe ragione alla parola di un cane.


 

Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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6 risposte a Crepe nella tavola periodica – 2) Parte seconda: effetto relativistico diretto.

  1. Rebecca Antolini ha detto:

    Non riesco comprendere niente… da giorni non sono capace a leggere e comprendere qualsiasi contenuto di testo leggermente prolungata… la memori non c’è arriva.. secondo me sono forse stressata.. porta pazienza …😉

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    • bruce ha detto:

      Ciao Rebecca, Sistemato e messo a letto papà.
      Non posso darti torto, per capire bisogna avere già alcune conoscenze, L’unica cosa da capire è che certi atomi prodotti sinteticamente si comportano in modo strano. E Bleff mi dice allora che senso ha andarli a produrre se poi non capiamo il loro stato della materia. Ma gli scienziati sono fatti così: se non rompono …. gli atomi non sono contenti. Ciao, ora vado a cucinare qualcosa per me.

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      • Rebecca Antolini ha detto:

        Non è solo questo dell’avere un po di conoscenza al riguardo della fisica, io in questi giorni non riesco concentrarmi… per esempio penso una cosa e dico un’altra le memoria istantanea non risponde corretto a volte mi dimentico cose penna fatti… figurati che riesco leggere tutto e sapere poi di cosa parlavi al inizio .. forse e il stress non so… o il inizio della SM mi manca solo questo … un abbraccio al tuo papà😉

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  2. bruce ha detto:

    Cara Rebecca brutte notizie per te.
    Equitalia ha scovato il tuo yoth nascosto nella darsena della mia città.
    http://wp.me/a16AGB-3UK

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