La chimica del Sistema solare

Ritratto di Giuliano Francesco
Il bosone di Higgs, meglio conosciuto dai media col nome di “particella di Dio” permea tutto l’universo, il quale si è formato nei primi tre minuti circa 13, 7 miliardi di anni or sono secondo il Big bang, la teoria cosmologica più accreditata. Questo bosone che deve tale appellativo per motivi commerciali all’editore del libro che il premio Nobel Leon Lederman  inizialmente aveva intitolato “The Goddamn particle” (La particella maledetta), fa da collante a tutte altre particelle subatomiche e ne conferisce la massa.
Premesso che nell’universo esistono le seguenti quattro interazioni, Forte, Elettromagnatica, Debole e Gravitazionale, soltanto le prime tre, e cioè quella forte, quella elettromagnetica e quella debole, interessano le particelle subatomiche. Il leptone è una particella che a tutt’oggi si ritiene fondamentale, cioè che non è formata da altre particelle. I leptoni sono suddivisi in tre famiglie, gli elettroni, i muoni e i tuoni, ad ognuna delle quali è associato un particolare neutrino. Il quark, invece, è un fermione elementare che partecipa all'interazione forte. Esso non si trova mai in isolamento, ma unito ad altri quark (che sono di due tipi, up e down) costituisce le particelle dette adroni, come il protone e il neutrone, costituenti il nucleo atomico. Un protone è costituito da 2 quark up e 1 down mentre un neutrone è costituito da 1 quark up e 2 down .
La famiglia degli adroni è ulteriormente suddivisa in barioni (che sono i già citati protoni e neutroni) e in mesoni, a cui appartengono i pioni e i kaoni cioè coppie quark/antiquark (c’è una terza famiglia, quella dei barioni esotici che trascuriamo per semplicità). Dalla combinazione dei barioni (fin qui rimaniamo nel campo della fisica nucleare) si ottengono i nuclei la cui carica elettrica positiva è neutralizzata dagli elettroni (leptoni) che hanno carica negativa. In base al numero dei protoni costituenti il nucleo si ottengono gli atomi dei vari elementi chimici, che sono un centinaio (esattamente 118 tra naturali e artificiali). Dalla combinazione degli atomi dei diversi elementi chimici (qui siamo, invece, nel campo della chimica) si ottengono le molecole che sono le unità fondamentali che caratterizzano i composti. Senza questi ultimi non ci sarebbe la grande molteplicità di forme e corpi che diversifica l’intero Universo e la vita sulla terra.
La composizione della materia, quindi, deriva dal bosone di Higgs da cui si formano le particelle subatomiche, quark, protoni, neutroni e poi gli atomi e da questi le molecole e poi i miscugli e quindi tutto il resto così come ci appare..
 
Gli atomi dei diversi elementi chimici sono caratterizzati da due parametri che indicano la loro composizione: il numero di massa A e il numero atomico Z. Il primo indica il numero di barioni mentre il secondo indica il numero di protoni presenti nel nucleo. Il numero di massa A è dato, dunque, dalla somma del numero di Z protoni e dei neutroni presenti nel nucleo dell’atomo di un elemento, per cui si ha A - Z = neutroni. Gli atomi che hanno lo stesso numero atomico Z ma diverso numero di neutroni sono i così detti isotopi ma chimicamente hanno lo stesso simbolo e le stesse proprietà in quanto nei processi chimici non si differenziano. Ad ogni numero atomico Z, dunque, corrisponde un elemento chimico indicato da un simbolo, che avendo un nucleo di composizione definita è chiamato nuclìde. Un dato nuclìde X viene rappresentato, in genere, indicando in alto a sinistra del simbolo il numero A e in basso a sinistra il numero Z.
Quando due o più barioni si uniscono per formare un nucleo si sviluppa una grande quantità di energia ΔE corrispondente al difetto di massa Δm = ΔE/ c² dove c è la velocità della luce (pari a circa 300.000 km all’ora).
Con il seguente esempio relativo alla formazione del nucleo del Deuterio, isotopo dell’elemento chimico idrogeno, si comprende quanto grande sia l’energia prodotta nella sintesi di 1 protone e di un neutrone,  la cui massa complessiva è 3,34648· 10¯²g. La massa del Deuterio, tuttavia, è inferiore e pari a 3,34158· 10¯² g, quindi quando si forma un nucleo di Deuterio a causa del difetto di massa Δm = 0,00490·10¯²g si ha lo sviluppo di un’energia ΔE =  0,00441 · 10¯¹¹J.
Per una mole di nuclei di Deuterio(= 2,013 g) si ha ΔE = 26,56 · 10¹º J/mol, una quantità di energia (!) che potrebbe far funzionare per tre giorni una nave come la ormai tristemente famosa Costa Concordia rimasta incagliata nei pressi dell’isola del Giglio.
I nuclìdi dei vari elementi degli elementi chimici si sono formati nell’Universo dapprima per nucleosintesi primordiale e poi, nelle Stelle, per nucleosintesi, detta stellare. Le reazioni nucleari sono di due tipi, quelle esoenergetiche (cioè che sviluppano energia) che portano alla formazione dei nuclìdi fino al ferro Fe (numero di massa A = 26) e quelle endoenergetiche (cioè che richiedono energia) che producono i nuclìdi con numero di massa A > 26. La nucleosintesi (primordiale) è il processo di produzione dei primi elementi chimici mediante processi di fusione nucleare durante le fasi iniziali dell’Universo, nei primi tre minuti dopo il Big Bang, che avvenne tramite la fusione di protoni (o nuclìdi di H) e neutroni.. Dapprima si ebbe la formazione dell‘idrogeno H (A=1), del suo isotopo deuterio D (A=2), quindi degli isotopi dell‘elio He, (A=3 e A=4) e poi dell'isotopo del litio Li (A=7). Mentre nelle Stelle continua ad avvenire la nucleosintesi stellare in cui a temperature variabili tra 10 milioni e 2000 milioni di gradi centigradi si ha una serie di reazioni nucleari esoenergetiche che portano alla formazione degli elementi chimici con Z ≤ 26. I nuclìdi con Z ≥ 26 si ottengono con reazioni a cattura neutronica (endoenergetiche). In sostanza, questi nuclìdi già relativamente pesanti catturano dei neutroni, poi, tramite l’emissione di elettroni (decadimento β-) i neutroni si trasformano in protoni e si formano i nuclìdi mancanti, fino all’uranio.
Francesco Giuliano