La tavola periodica degli elementi

Il contributo è tratto da Storia della civiltà europea a cura di Umberto Eco, edizione in 75 ebook

Nel corso del Novecento la tavola periodica degli elementi, messa a punto da Mendeleev nel 1869, ha raggiunto progressivamente la sua attuale configurazione. Dopo i gas nobili, viene completata la scoperta delle terre rare. Lo studio del decadimento radioattivo porta un importante contributo alla scoperta di nuovi elementi. Definita l’esistenza degli isotopi, viene stabilito anche quali siano i numeri atomici degli elementi ancora da scoprire: 43, 61, 72, 75, 85, 87, 91. Nei decenni successi tutti i numeri mancanti vengono individuati. La scoperta del primo elemento transuranico, il nettunio (numero 93), risale al 1940. 

Un efficace sistema di classificazione degli elementi

La tavola periodica strutturata da Dmitrij Ivanovic Mendeleev nel 1869, attraversa una fase critica sul finire dell’Ottocento, a causa della scoperta di una nuova categoria di sostanze aeriformi. Nel 1892, John William Strutt, lord Rayleigh , nel corso di una serie di esperimenti sulle densità dei gas volti a verificare la consistenza dell’ipotesi di William Prout sulla composizione dei pesi atomici, scopre che la densità dell’azoto presente nell’atmosfera è maggiore rispetto a quella ordinaria. Separando l’azoto dall’aria atmosferica, Rayleigh ottiene un residuo che mostra uno spettro sconosciuto. Le sue ricerche attraggono ben presto l’attenzione di William Ramsey. Due anni più tardi, nel 1894, i due scienziati comunicano la scoperta di un nuovo gas elementare, pressoché inerte dal punto di vista chimico, che costituisce circa l’1% del volume dell’atmosfera. La sua densità, invece, supera di due volte quella dell’azoto. Il nuovo gas viene chiamato argon (dal greco, inerte). In seguito Ramsey isola altri elementi appartenenti alla famiglia dei cosiddetti gas inerti o “nobili” (così denominati proprio in base al fatto che non reagiscono con altre sostanze per dare composti): l’elio, nel 1895, il krypton, lo xenon ed il neon, nel 1898, questi ultimi in collaborazione con Morris Travers (1872-1961).

La scoperta delle nuove sostanze farà subito emergere il problema della loro classificazione nella tavola periodica, dovuto alla difficoltà di determinare i pesi atomici di elementi così scarsamente reattivi. Tuttavia, grazie a una serie di minuziose e accurate esperienze, i gas nobili potranno essere collocati fra gli alogeni ed i metalli alcalini, confermando ancora una volta la validità della teoria di Mendeleev.

Un’altra strana famiglia di sostanze semplici ha messo i chimici in serio imbarazzo: le cosiddette terre rare, ovvero minerali scarsamente diffusi in natura, costituiti prevalentemente da ossidi. Un buon numero di questi elementi era già stato scoperto fra gli anni Trenta e Quaranta dell’Ottocento dallo svedese Carl Gustav Mosander: lantanio, scandio, ittrio, gadolinio, erbio, terbio. Tra la fine del Ottocento e l’inizio del Novecento la serie viene completata, grazie alle analisi spettroscopiche effettuate sui prodotti del frazionamento chimico degli ossidi delle terre rare: itterbio (1876), olmio (1878), tulio e samario (1879), gadolinio (1880), praseodimio (1885), neodimio (1885), disprosio (1886). Nel 1901 il chimico francese Eugène-Anatole Demarcay individuò l’europio. Infine, nel 1907, ancora un chimico francese, Georges Urbain, scoprì l’ultima delle terre rare, il lutezio, elemento numero 71, così chiamato dall’antico nome della città romana dove oggi si trova Parigi.

Gli elementi radioattivi

Un contributo alla scoperta di nuovi elementi venne dallo studio dei prodotti del decadimento radioattivo. Sulla scia della scoperta, effettuata nel 1895 da Wilhelm Conrad Röntgen , di un nuovo tipo di radiazioni capaci di attraversare la materia (i cosiddetti raggi X) il fisico francese Antoine-Henri Becquerel cerca di capire se le radiazioni emesse dalle sostanze fluorescenti sulle quali sta lavorando possano comprendere anche i raggi di Röntgen. Studiando la fluorescenza di un particolare sale d’uranio, Becquerel scopre che esso emette una radiazione capace di annerire le lastre fotografiche. L’uranio, uno degli elementi più importanti nella storia della scienza novecentesca, scoperto dal chimico e mineralogista Martin Heinrich Klaproth, al quale si deve anche la scoperta dello zirconio (1789), del titanio (1795) del cerio (1803), una delle terre rare.

La ricercatrice polacca Marie Sklodowska, a Parigi dal 1891, approfondisce insieme al marito, il fisico francese Pierre Curie (1859-1906), le osservazioni di Becquerel, dimostrando che tale radiazione è sempre proporzionale alla quantità di uranio presente nei diversi composti da lei studiati. Le radiazioni risultano di tipo positivo e negativo. Quelle positive, sicuramente più massicce, vegono chiamate raggi alfa; quelle più leggere a carica negativa, raggi beta. Nel 1898 Pierre e Marie Curie dimostrano che anche il torio (un metallo pesante come l’uranio) produce radiazioni. Viene così coniato il termine radioattività. Altri elementi che emettono radiazioni maggiori rispetto a quelle derivate dall’uranio vennero isolati nello stesso anno: a luglio, il polonio (nome assegnato in onore del paese natale di Marie), a dicembre il radio, così chiamato per la sua forte radioattività. Marie Curie riceve il premio Nobel per la chimica nel 1911.

Nel 1899 André-Louis Debierne scopre che i minerali di uranio contengono un altro elemento, l’attinio. Tuttavia, le ricerche successive dimostrano che esiste un limite all’individuazione di nuovi elementi attraverso l’analisi del decadimento radioattivo. Fra il 1910 ed il 1911, il chimico inglese Frederick Soddy, premio Nobel per la chimica nel 1921, definisce l’esistenza degli isotopi, ovvero atomi con uguale numero atomico, ma diverso numero di massa. Il termine isotopo (dal greco, “stesso luogo”), viene coniato da Soddy proprio per spiegare l’esistenza di un numero di sostanze radioattive assai superiore ai posti disponibili nel sistema periodico degli elementi. Soddy ipotizza che il sistema periodico possa ospitare in una data posizione due o più sostanze simili, distinguibili fra loro soltanto per le proprietà radioattive. Molte sostanze considerate come elementi vengono dunque riconosciute quali isotopi di elementi già noti.

In questi anni si arriva anche a stabilire in maniera precisa e definitiva quali fossero gli elementi mancanti nella tavola periodica. Nel 1906 il fisico inglese Charles Glover Barkla dimostra che i raggi X sono radiazioni elettromagnetiche, stabilendo anche che quanto maggiore è il peso molecolare dei gas, tanto maggiore risulta la dispersione dei raggi X. In sostanza, l’emissione di raggi X caratteristici viene riconosciuta come una proprietà fondamentale dell’atomo. Barkla scopre che elementi con pesi atomici elevati danno luogo a una radiazione ancora più penetrante. Distingue quindi due tipi di raggi X, la radiazione K (maggiore) e la radiazione L (minore).

Nel 1913 l’inglese Henry Gwyn Jeffreys Moseley dimostra che la radiazione X diminuisce di lunghezza d’onda e aumenta di frequenza con il crescere del peso degli elementi. In base a questo principio, se gli elementi fossero disposti in ordine crescente di carica nucleare, troverebbero la loro giusta collocazione all’interno della tavola periodica di Mendeleev. Moseley conferma così sperimentalmente l’idea dell’uguaglianza, formulata teoricamente in quegli anni, fra carica del nucleo e numero d’ordine. Secondo Moseley, è la carica del nucleo che va a rappresentare il numero atomico. Per l’atomo esiste una grandezza fondamentale che aumenta regolarmente nel passaggio da un elemento a quello vicino. Questa grandezza può essere solo la carica positiva del nucleo centrale. Stabilendo che le proprietà chimiche vengono governate dal numero d’ordine dell’elemento, Moseley definisce anche chiaramente quali fossero i numeri degli elementi chimici ancora da scoprire compresi fra quello dell’idrogeno (1) e quello dell’uranio (92): 43, 61, 72, 75, 85, 87, 91.

Nel 1917 Otto Hahn e Lise Meitner , destinati a essere protagonisti nelle vicende che porteranno alla realizzazione della bomba atomica, scoprono l’elemento 91, dimostrando che un elemento veramente nuovo decadeva in attinio. Lo chiamano protoattinio (“prima dell’attinio”).

Nel 1923 il chimico di origine ungherese Georg Karl von Hevesy – già premio Nobel 1943 per la scoperta dei traccianti radioattivi – in collaborazione con il fisico olandese Dirk Coster, utilizzando un metodo di analisi ai raggi X, scopre l’elemento 72, che chiama afnio, dal nome latino di Copenaghen. La difficoltà nell’individuare l’afnio sta nel fatto che, pur non trattandosi di elemento particolarmente raro, è molto simile allo zirconio (che si trova subito al di sopra nel sistema periodico), e si trova soltanto associato ad esso.

Nel 1925 Walter Karl Friedrich Noddack e Ida Eva Takke, due chimici tedeschi, scoprono l’elemento con il numero atomico 75. Lo chiamano renio, dal fiume Reno.

Nel frattempo, anche la comprensione della tavola periodica degli elementi inizia ad avvalersi degli sviluppi dell’interpretazione quantistica della realtà. Nel 1925 il fisico teorico svizzero di origine austriaca Wolfgang Pauli giunge alla formulazione del principio di esclusione, che vuole che due elettroni non possono mai occupare lo stesso stato quantico. È il principio in base al quale gli elettroni tendono ad avere una distribuzione ben ordinata, che spiega anche la forma della tavola periodica di Mendeleev. Gli elettroni, man mano che vengono saturati gli strati a livelli energetici inferiori, vanno a occupare i livelli energetici più alti. Aumentando il livello energetico, gli elettroni diventano sempre più debolmente legati al nucleo e danno luogo alla valenza chimica.

All’inizio degli anni Trenta restano da scoprire gli elementi con numero atomico 43, 61, 85, 87. Nel 1925 Noddack e Takke annunciano anche la scoperta del numero 43, che chiamano masurio. Tuttavia la loro analisi è destinata a rivelarsi errata. Nel 1934 i coniugi Jean-Frédéric Joliot e Irène Curie, figlia maggiore di Marie, utilizzando il bombardamento dei nuclei atomici con neutroni, scoprono la possibilità di produrre la radioattività in maniera artificiale, rendendo radioattiva una certa quantità di alluminio, elemento non radioattivo.

Enrico Fermi , alla guida del gruppo di via Panisperna, a Roma, comprende immediatamente le straordinarie possibilità di analisi legate all’uso di radiazioni formate da neutroni. Fermi scopre che sono soprattutto i neutroni lenti a penetrare con facilità nei nuclei. Sottoponendo la maggior parte dei nuclei conosciuti all’azione di neutroni rallentati da uno strato di acqua o paraffina, il fisico italiano riesce a ottenere un gran numero di isotopi radioattivi artificiali. Nel 1934 Fermi bombarda il nucleo dell’uranio nel tentativo di creare l’elemento numero 93. Grazie a questo e ad altri esperimenti, il 10 dicembre 1938 Fermi riceve a Stoccolma il premio Nobel per la fisica per “la scoperta di nuove sostanze radioattive appartenenti all’intero campo degli elementi”. In realtà, Fermi aveva prodotto la scissione dei nuclei atomici.

L’idea di Fermi di produrre l’elemento 93 attraverso il bombardamento dell’uranio con neutroni produsse comunque dei risultati importanti nell’ambito della scoperta di nuovi elementi. Emilio Segrè pensa infatti che sia possibile ottenere l’elemento 43 – che sembra difficilmente rintracciabile per via naturale, visto anche il fallimento di Noddack e Takke – bombardando l’elemento 42, il molibdeno. Nel 1937 Segrè bombarda il molibdeno con deutoni, ovvero nuclei atomici dell’idrogeno pesante, o deuterio, scoperto nel 1931 dal chimico statunitense Harold Clayton Urey , premio Nobel per la chimica nel 1934. Così facendo scopre il tecnezio (dal greco “artificiale”).

Nel 1939 il fisico francese Marguerite Perey, lavorando sull’attinio, scopre un’attività beta, non riconducibile a nessun elemento conosciuto. In questo modo riesce a isolare l’elemento 87, che chiama francio, in onore della sua nazione.

La scoperta degli elementi transuranici

Il 1940 è un anno particolarmente importante nella storia della chimica. Non solo Segrè riesce a ottenere (ma la conferma definitiva avvenne soltanto dopo la fine della seconda guerra mondiale), l’elemento 85, l’astato (“instabile”), che appartiene allo stesso gruppo di fluoro, cloro, bromo e iodio, ma vengono per la prima volta realmente individuati degli elementi transuranici. Nel 1940 i fisici statunitensi Edwin Mattison McMillan e Philip Hauge Abelson, analizzando l’uranio bombardato con neutroni, scoprono una particella beta con un periodo di dimezzamento di 2,3 giorni, che li conduce all’isolamento dell’elemento 93. Lo chiamano nettunio, per il semplice motivo che Nettuno era nel sistema solare il pianeta dopo Urano. Non molto tempo dopo, un gruppo di ricerca che comprende anche McMillan, ma facente capo a Glenn Theodore Seaborg, scopre l’elemento 94, che viene chiamato, ovviamente, plutonio.

Seaborg (che riceve il Nobel insieme a McMillan nel 1951), comprende che gli elementi transuranici possono essere interpretati come parte di una serie analoga a quella delle terre rare (di cui resta da scoprire ancora il 61, il promezio, isolato nel 1945), che vengono chiamate lantanidi, dal nome del primo elemento della serie, il lantanio (numero 57). Il secondo gruppo, gli attinidi, va dall’89 (l’attinio) all’elemento 103. Dunque mancano ancora a quest’epoca nove elementi per completare questa serie.

Negli anni successivi diversi gruppi di ricerca sotto il coordinamento di Seaborg portano avanti con successo la creazione e la definizione di nuovi elementi transuranici mancanti: l’americio (95), il curio (96), il berkelio (97), il californio (98), l’einsteinio (99), il fermio (100).

Il completamento del gruppo degli attinidi si realizza nel 1961 con la scoperta del laurenzio (103), successivamente all’isolamento del mendelevio (101) nel 1955 e del nobelio (102) nel 1957.

Nei decenni successivi la lista degli elementi transuranici continua ad allungarsi, fino ad arrivare all’attuale numero 110, individuato in Russia nel 1987. Per alcune delle scoperte realizzate nel periodo della guerra fredda, non è facile determinare l’attribuzione della scoperta di un determinato elemento. Un isotopo dell’elemento 104, ad esempio, è ottenuto per la prima volta nel 1964 in Unione Sovietica e denominato kurchatovio (dal nome del fisico, Igor Kurčatov, che nel 1946 realizza la pila atomica in URSS). L’elemento vero e proprio, il rutherfordio, è ottenuto da Albert Ghiorso (1915-2010) e Glenn Seaborg. Oggi la scoperta viene attribuita a entrambi ma il nome ufficiale resta quello assegnatogli dagli statunitensi.