Il numero magico che rende gli atomi stabili

Anche nella chimica c’è un pizzico di magia. Non è legata a illusionisti o prestigiatori, naturalmente, ma alle particelle atomiche: sono definiti infatti “magici” i numeri di protoni e neutroni che rendono stabili i nuclei degli elementi. La lista di numeri magici noti finora è piuttosto esigua: la buona notizia è che un’équipe di ricercatori della Università di Tokyo e del nostro Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ne ha appena scoperto un altro. Gli scienziati hanno infatti mostrato che gli isotopi di calcio con trentaquattro neutroni nel nucleo sono di gran lunga più stabili rispetto a quelli che ne hanno anche solo uno in più o in meno. Secondo gli autori del lavoro, pubblicato su Nature, la scoperta aiuterà a tracciare un quadro più completo dei complessi meccanismi che regolano la stabilità degli atomi.

I nuclei atomici, com’è noto, sono composti di protoni e neutroni, che tendono a disporsi in “gusci” concentrici, ognuno dei quali può ospitare solo un certo numero di particelle ed è caratterizzato da un livello energetico diverso. Il “numero magico” di particelle è quello che riempie completamente i gusci senza lasciare spazio vuoto, il che rende il nucleo più stabile e longevo rispetto agli altri. Finora sono noti sette numeri magici (2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126) e non è semplice individuarne di nuovi, soprattutto per i nuclei instabili – quelli in cui c’è un forte squilibrio tra protoni e neutroni. E, tra l’altro, qualcosa ancora non torna. Il magnesio-32, per esempio, ha 12 protoni e 20 neutroni. Nonostante il 20 sia un numero magico, l’elemento non è stabile come ci si aspetta: è evidente che alla teoria manca qualcosa di fondamentale.

I ricercatori hanno lavorato sul calcio-54, con 20 protoni e 34 neutroni. Poiché l’elemento non si reperisce facilmente in natura, è stato necessario crearlo in laboratorio: usando l’acceleratore di particelle del Riken Nishina Center, gli scienziati hanno “sparato” un fascio di nuclei di scandio-55 contro un bersaglio di berillio. La collisione ha “tirato via” un protone dal nucleo di scandio, creando lo sfuggente calcio-54. Completo di trentaquattro protoni. L’équipe ha quindi misurato la quantità di energia che separava il nucleo dal cosiddetto stato eccitato, quello in cui una particella viene portata nel “guscio” successivo e poi lasciata tornare indietro. Le leggi della meccanica quantistica prevedono infatti che a ogni “guscio” sia associata un’energia ben precisa:  maggiore è la differenza tra le energie di due gusci, più è difficile portare una particella da un guscio all’altro. “Nel caso del calcio-54, il primo livello eccitato ha energia piuttosto alta”, spiega David Steppenbeck, uno degli autori dell’articolo. Di conseguenza, è energeticamente vantaggioso per il calcio-54 rimanere nella sua “configurazione base”, il che vuol dire che l’elemento è stabile. In virù di questo, il 34 è stato elevato al rango di numero magico.

C’è un’altra ragione che rende il calcio-54 particolarmente interessante. Si tratta di un isotopo (gli atomi di uno stesso elemento che differiscono tra loro solo per il numero di neutroni) radioattivo, che quindi tende a decadere, cioè a trasformarsi in particelle più piccole: in virtù del fatto che è così stabile, il suo tempo di decadimento è dell’ordine dei millisecondi, piuttosto lungo se comparato alle scale temporale tipiche delle reazioni nucleari. Per questa sua “longevità”, secondo gli scienziati, l’elemento potrebbe avere un ruolo determinante nei processi che hanno luogo all’interno delle stelle, dove si creano gli elementi pesanti dell’universo. I ricercatori hanno ora intenzione di proseguire le ricerche per approfondire ulteriormente le proprietà di quest’elemento. E, eventualmente, tirare fuori dal cilindro altri numeri magici.

Riferimenti: Nature doi:10.1038/nature12522

Credits immagine: dr Satoshi Takeuchi

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