Come si sono formati gli elementi chimici?

Quello che ho sempre invidiato agli astrofisici è la loro capacità di studiare la materia e di leggere il passato guardando il cielo. E così tutto diventa più affascinante, forse perché l’incessante ribollire, scontrarsi ed esplodere di corpi nell’universo si trasforma qui, sulla Terra, nell’incanto di un silente cielo stellato.
Sono stata perciò molto contenta quando Francesco, un mio ex studente con un po’ di nostalgia per la chimica, mi ha suggerito di scrivere qualcosa sulla formazione degli elementi chimici. Un’ ottima occasione per dare un’occhiata lassù, nelle immensità dell’ Universo, dove tutte le storie hanno avuto inizio.
E per raccontare questa storia, bisogna andare davvero indietro nel tempo, ben oltre Adamo ed Eva e arrivare a circa 14 miliardi di anni fa. E’proprio lì che gli scienziati collocano l’evento che ha dato origine all’ Universo, il Big Bang, come lo definì ironicamente, negli anni ’50, Fred Hoyle, fiero sostenitore dell’Universo Stazionario. Dopo quell’esplosione, se i fisici hanno dovuto far trascorrere  10 ^-42  secondi (Tempo di Planck ) prima poter iniziare con le ipotesi, i chimici hanno atteso almeno 300000 anni prima che le particelle si decidessero a formare almeno un atomo e dar loro un po’ di materia su cui riflettere! All’ epoca infatti, 300000 anni fa, si stima che la temperatura fosse circa 3000K. Prima di quella temperatura, si erano già formati i nuclei degli elementi più leggeri quali idrogeno, deuterio ed elio, ma elettroni e protoni non erano ancora legati.

Gli elettroni, quindi, scorazzavano liberamente ostacolando i fotoni che non potevano muoversi in linea retta. Perciò, la luce si comportava come fa oggi quando c’è una fitta nebbia e le goccioline impediscono ai fotoni di muoversi in linea retta per lunghi tratti. L’ effetto  lo possiamo ammirare in questi giorni: quella coltre grigiastra, magica per i romantici a piedi, devastante per gli automobilisti di qualsiasi indole. E così doveva essere l’universo, opaco anche se sicuramente più caldo e frenetico di un’alba autunnale nella pianura Padana.
Quando finalmente la temperatura arrivò a 3000K. gli elettroni vennero catturati definitivamente dai nuclei e si ebbero così due eventi fantastici: la materia si trovò ad essere costituita per la gran parte da atomi di idrogeno e la luce fu liberata. Da allora, la radiazione di fondo permea tutto l’universo portandoci un’impronta del Big Bang.

In principio c’era l’idrogeno. E non molto altro. Ok, c’erano anche un po’ di elio, un po’ di litio, e un po’ di quella forma pesante d’ idrogeno che si chiama deuterio. Ma non c’erano carbonio, ossigeno, azoto, zolfo, fosforo, calcio, sodio eccetera e tutti quegli elementi senza i quali noi non potremmo esistere. E invece eccoci qui, noi esseri umani, che oggi conosciamo ben  centodieci elementi chimici in grado di formare addirittura miliardi di composti.

              Steve Miller – la chimica del cosmo- 2014 edizioni Dedalo

Come hanno fatto dunque a formarsi tutti gli altri elementi? Per avere una chimica un po’ più succosa di quella sfornata dal Big Bang bisogna avere una gran pazienza e aspettare che si formino le stelle.
Circa 100 milioni di anni dopo il Big Bang nel nostro Universo non era improbabile incontrare dense nubi di gas capaci di generare le future stelle. La formazione degli astri è il frutto della competizione fra la gravità che tende a schiacciare una stella sul suo centro e la pressione prodotta dalla materia riscaldata dalle reazioni nucleari. che avvengono all’interno della stella stessa.
Queste reazioni trasformano idrogeno in elio secondo 2 meccanismi chiamati ciclo protone -protone e ciclo CNO (carbonio, azoto, ossigeno). Quest’ ultimo avviene nelle stelle in cui si è già formato carbonio che funge così da catalizzatore. In tutti e due casi il bilancio complessivo è

4 ¹H ->⁴He + 2e + + 2v + raggi γ

Se la stella è sufficientemente pesante ( massa almeno 2 volte quella del sole), una volta esaurito l’idrogeno, darà vita a una gigante rossa che potrà continuare le reazioni di fusione nucleare, fondendo l’elio secondo un meccanismo chiamato triplo alfa, che vede tra i suoi scopritori Fred Hoyle, lo scettico del Big Bang, scienziato e scrittore di bellissimi libri di fantascienza.

3 ⁴He -> ¹²C + raggi γ

Con la fusione di tre nuclei di elio, si forma  il prezioso carbonio che, usando le parole di Primo Levi, qui inizia la sua “lunghissima storia cosmica”
Quando l’elio si esaurisce, può iniziare la fusione del carbonio con formazione di ossigeno e neon: il nucleo della stella si contrae, arrivando a temperature di  10⁹ K.   Poi, per cattura di particelle α (nuclei di elio) si formano Si, S, Ar, Ca.
Per la formazioni degli elementi più pesanti bisogna raggiungere temperature di 4×10⁹ K. Si avrà allora la fusione diretta dei nuclei. Così vengono prodotti tutti gli elementi chimici, fino al ferro.

²⁸Si + n⁴He -> elementi pesanti fino a ⁵⁶Fe + γ

Quando l’ultimo ciclo di reazioni produce  Fe, il processo di fusione è così poco efficiente da non essere più in grado di contrastare la contrazione gravitazionale.

Nel grafico è mostrata l’energia di legame per nucleone, cioè il rapporto tra l’energia di legame e il numero A di nucleoni che formano il nucleo dei vari elementi in funzione di A.
L’energia di legame aumenta con l’aumentare di A e raggiunge un valore massimo in corrispondenza di 56 . cioè del ferro. Gli atomi con A in questa zona son quindi quelli più stabili. Quelli sia da una parte che dall’altra presentano un eccesso di massa che può essere rilasciato in forma di energia , andando verso il centro della curva.
Cioè due atomi leggeri si possono fondere formando atomi più pesanti ( fusione) o un atomo pesante si può scindere formando atomi più leggeri. (fissione). I processi di fusione quindi si arrestano con la formazione del ferro.

A questo punto la stella collassa con un enorme aumento di densità e di temperatura che provoca un esplosione di inaudita violenza ( supernova) disseminando nello spazio gli elementi chimici formatisi.
La formazione degli elementi più pesanti del ferro avviene principalmente per cattura di neutroni seguiti da successivi decadimenti radioattivi da parte dei nuclei di media massa formatisi all’interno delle stelle. Questo può accadere molto lentamente (migliaia di anni) all’interno delle giganti rosse oppure, tramite processi rapidi ( pochi secondi) durante la fase esplosiva delle supernove.Una conferma sperimentale della formazione degli elementi nelle stelle, viene dall’osservazione delle righe di Tecnezio presenti nella luce proveniente da alcune giganti rosse. Tale elemento ha un periodo di vita breve e non è presente nella crosta terrestre, ma viene prodotto artificialmente. Tenendo presente che le giganti rosse sono certamente molto più antiche della Terra, è impossibile che questo atomo, eventualmente presente all’origine, non sia nel tempo decaduto. Quindi l’unica spiegazione plausibile della sua presenza è che in queste stelle avvengano reazioni nucleari che lo producono.
Ecco come sono distribuiti gli elementi nell’ Universo

Interessante vedere a cosa corrisponde quello spicchio verde quasi invisibile chiamato ALTRO
ossigeno (0,104%),
carbonio (0,046%),
neon (0,013)
ferro (0,011)
azoto (0,009)
silicio (0,007)
magnesio (0,006)
zolfo (0,004).
In rosso gli elementi essenziali per la vita. Piuttosto rari, non vi pare?
Al termine di questo quadro, appena abbozzato, sulla vita cosmica degli elementi, vi propongo un video stupendo che non potete assolutamente ignorare. “Nascita e morte delle stelle” un viaggio spettacolare attraverso le meraviglie dell’ Universo.

Torniamo ora  sul nostro pianeta: tutti gli elementi  qui presenti, sono stati prodotti lassù, tra le stelle e sulla Terra  sono così distribuiti

Una cosa mi colpisce: il carbonio, che forma il 18% del nostro corpo, in figura è catalogato come altri . Rappresenta infatti,  solo lo 0,03% dell’atmosfera e lo 0,094 % della crosta terrestre.  Pochissimo, eppure così presente nella nostra vita. Solo dando un’ occhiata al mio studio, lo scopro travestito da libri, librerie, plastiche e tessuti   di ogni tipo e se  non mi sono ancora assiderata o non mi nutro cibi crudi,  lo devo al metano, composto del carbonio, che mi fornisce il calore necessario. Sembra davvero impossibile che la vita, in tutti i suoi aspetti, sia nelle mani di un elemento così raro!

Nell’ immaginario collettivo è però lui, Au l’elemento  prezioso per eccellenza e così, come ho iniziato, finisco questo post con l’oro,  proponendovi un frammento di una lunga poesia “ Ode to crystallizzation”  scritta da uno scrittore americano, John Updike e che comparve nel gennaio del 1985, sul New Yorker.