Scienza

La Tavola Periodica degli Elementi dal Big Bang a oggi

In una infografica la formazione degli elementi che popolano la nostra Tavola Periodica da 15 minuti a 8 miliardi di anni dopo il Big Bang.

Il 2019 è l'Anno Internazionale della Tavola Periodica degli Elementi Chimici, un appuntamento dovuto al capolavoro dello scienziato russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev (solo Mendeleev, per gli studenti di tutto il mondo), che il 6 marzo 1869 presentò alla Società Chimica Russa la relazione L'interdipendenza fra le proprietà dei pesi atomici degli elementi che, a differenza di illustri lavori precedenti (Meyer e Newlands, rispettivamente nel 1864 e nel 1865), permetteva di fare previsioni su nuovi elementi non ancora scoperti e che vennero poi individuati.

In questa prima occasione per parlarne presentiamo un lavoro molto interessante di Jennifer Johnson (Ohio State University) sugli elementi presenti nell'Universo in alcune fasi della sua evoluzione, da 15 minuti dopo il Big Bang a 8 miliardi di anni dopo, che mostra quanto sia cambiato il Cosmo in questo lasso di tempo - cambiamento che non ha fine, grazie (o a causa, a seconda dei punti di vista) del ciclo di vita e di morte delle stelle. Qui sotto, una infografica composta dal lavoro della Johnson con la nostra guida alla lettura: l'articolo prosegue più avanti.

Tavola Periodica degli elementi, Big Bang, stelle, formazione degli elementi chimici, nucleosintesi
Clicca sull'immagine per ingrandirla. Qui sotto la guida alla lettura (l'articolo continua più in basso). © Jennifer Johnson / Elab. L. Bignami, Focus.it

Guida alla lettura della Tavola Periodica rapportata all'età dell'Universo. Dopo il Big Bang c'erano giusto idrogeno, elio e litio: poi, a "grandi passi", gli elementi che progressivamente si sono aggiunti. La cronologia è rappresentata dai colori: in blu gli elementi generati dal Big Bang; in rosa quelli formati dall'azione dei raggi cosmici sugli elementi esistenti; in verde quelli generati dall'esplosione delle prime stelle massicce; in arancione gli elementi generati dalla fusione di stelle di neutroni in collisione; in giallo quelli nati da stelle di piccola massa; in azzurro gli elementi generati dall'esplosione delle nane bianche. Se 8 miliardi di anni dopo il Big Bang un lontano antenato di Mendeleev avesse anticipato il suo lavoro, avrebbe composto una tavola molto simile a quella odierna: nell'ultima parte dell'infografica sono indicati in grigio elementi dei quali non c'è traccia nota nell'Universo, perché, essendo altamente radiottivi, decadono molto rapidamente in altri elementi noti.

Dal Big Bang alla nucleosintesi. All'Universo bastarono 15 minuti per generare gli elementi più semplici... giusto tre: idrogeno, elio e tracce di litio. Niente reazioni chimiche, nessuna molecola complessa...

Oggi, quasi 14 miliardi di anni dopo, il 2 per cento dell'idrogeno e dell'elio dell'Universo si è trasformato nella vasta gamma di elementi classificati nella Tavola Periodica: progressivamente, la trasformazione ha permesso la nascita della chimica complessa e, in definitiva, della biologia. Il processo di produzione di nuovi elementi è chiamato nucleosintesi: le stelle sono le uniche responsabili della nucleosintesi degli elementi più complessi dell'elio.

La nucleosintesi al Big Bang è stata molto diversa da quella stellare: la prima durò pochi "istanti" e produsse idrogeno ed elio, e piccole quantità di litio, la seconda è lenta e va avanti da miliardi di anni, a partire da quando, 100 milioni di anni dopo il Big Bang, «le prime stelle iniziarono a sintetizzare carbonio, ossigeno e altri elementi», afferma Jennifer Johnson, «e nell'arco dei miliardi di anni successivi altre stelle hanno provveduto a popolare la nostra attuale Tavola Periodica».

Tavola Periodica degli elementi
La Tavola Periodica degli Elementi oggi (da Wikipedia). Per approfondire: completata la settima riga della Tavola Periodica (da Focus.it). © Antonio Ciccolella / WikiMedia Commons

All'inizio dell'Universo la maggior parte delle stelle era massiccia. In esse il processo di fusione atomica - ossia di trasformazione dell'idrogeno in elio, dell'elio in carbonio, del carbonio in magnesio, sodio e neon - è più rapido rispetto a quelle con massa minore. Perciò in poche centinaia di milioni di anni vi fu un notevole aumento di tali elementi.

Alla fine della loro vita, esaurito il "carburante", quelle stelle esplodevano in supernove generando elementi più pesanti, dall'ossigeno al silicio, fino al selenio. Poi, elementi con un numero di protoni ancora maggiore, ossia ancora più pesanti, si formavano quando stelle di neutroni (quel che rimane di stelle massicce esplose) si scontravano e fondevano tra loro: quegli eventi hanno generato elementi quali il rodio, lo xeno, l'uranio, passando per l'oro e il platino.

Una fotogallery su Focus.it: l'Atlante dei colori delle stelle

La genesi infinita. Le stelle di massa più piccola, come il nostro Sole, a fine vita si trasformano in nane bianche (dopo una serie di eventi piuttosto catastrofici per il loro circondario): questi oggetti, quando si scontrano e si fondono con altre stelle generano elementi quali il calcio e il ferro. «La cosa più interessante e affascinante», afferma Johnson, «è vedere quanti processi stellari siano necessari per avere tutti gli elementi chimici che conosciamo: è incredibile immaginarsi la storia e il numero di stelle che li hanno forgiati, e a come ancora oggi il processo non sia terminato.»

12 febbraio 2019 Luigi Bignami
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