Nucleosintesi

Nucleosintesi Processo di formazione degli elementi chimici attraverso reazioni di fusione nucleare legate a fenomeni astrofisici; non sono noti altri meccanismi fisici o chimici attraverso i quali possano essersi formati gli elementi esistenti in natura. Tali reazioni nucleari si possono dividere in due grandi gruppi, a seconda che siano avvenute nelle prime fasi di vita dell’universo (nucleosintesi cosmologica) o all’interno dei nuclei delle stelle (nucleosintesi stellare), dove si verificano ancora oggi.

La formazione dei primi elementi chimici dell’universo ebbe inizio circa tre minuti dopo il Big Bang: tramite la fusione di protoni (che in pratica rappresentano i nuclei dell’idrogeno) e neutroni, iniziarono a formarsi i nuclei degli elementi più semplici e leggeri e dei loro isotopi, ad esempio il deuterio e l’elio. Le reazioni che li produssero sono state studiate per la prima volta dai fisici George Gamow e Ralph Alpher all’inizio degli anni Quaranta. Questi, insieme a Hans Bethe, pubblicarono nel 1948 la cosiddetta “Teoria a-β-g”, dall’assonanza dei cognomi dei tre scienziati (Alpher, Bethe e Gamow) con le prime tre lettere dell’alfabeto greco. Alla base della teoria vi era l’ipotesi che in origine la materia fosse formata da neutroni, una parte dei quali sarebbe poi decaduta in protoni; questi, ricombinandosi con i neutroni rimasti, avrebbero creato tutti gli elementi chimici della tavola periodica, dall’elio fino all’uranio.

Successive revisioni della teoria mostrarono tuttavia che gli elementi più pesanti dell’elio difficilmente si sarebbero potuti formare per nucleosintesi cosmologica. Nel 1966, un gruppo di fisici guidato dal britannico Fred Hoyle calcolò che nei primi minuti di vita dell’universo, circa il 27% di tutta la materia esistente si trasformò in elio e che, poco dopo, si formò una piccola percentuale di litio, il terzo elemento della tavola periodica. Di tutto l’elio presente nel cosmo ai nostri giorni, si ritiene che circa il 90% abbia avuto origine in quella fase, e che soltanto il restante 10% sia stato sintetizzato in epoche successive.

Tutti gli elementi chimici che seguono l’elio e il litio nella tavola periodica si sono formati (e tuttora si formano) all’interno delle stelle. In una stella di massa media, come il Sole, avvengono diverse catene di reazioni nucleari, la principale delle quali è nota come reazione protone-protone e avviene a temperature dell’ordine di 10-20 milioni di gradi. Lo schema della reazione protone-protone è il seguente:

p+p → D+e+ν+g

D+p → 3He+g

3He+3He → 4He+p+p+g

dove p indica il protone, D il deuterio, e il positrone, ν il neutrino elettronico, g l’energia prodotta nella reazione, 3He l’isotopo dell’elio che ha un solo neutrone nel nucleo e 4He il normale nucleo dell’elio. Tale ciclo di reazioni, quindi, dà come risultato netto la formazione di un nucleo di elio a partire da quattro protoni, con un rilascio di energia pari a circa 600 miliardi di calorie.

I nuclei degli elementi successivi, fino al ferro – ventiseiesimo elemento della tavola periodica – si formano in reazioni complesse all’interno di stelle più massicce del Sole. Le reazioni nucleari per la formazione degli elementi successivi al ferro, invece, non avvengono spontaneamente, perché sono endotermiche (richiedono energia per avvenire), e non esotermiche come le precedenti. Gli astrofisici ritengono che questi nuclei si producano nel corso delle esplosioni di supernova, attraverso un processo noto come cattura neutronica. In sostanza, i nuclei di elementi già relativamente pesanti catturano dei neutroni, che li rendono ancora più massicci. Poi, tramite l’emissione di elettroni (decadimento beta meno) i neutroni si trasformano in protoni e si formano i nuclei degli elementi mancanti, fino all’uranio.

Tutto ciò porta a due tipi di considerazioni: da un lato, l’universo è in continua trasformazione dal punto di vista chimico, e quindi le attuali abbondanze degli elementi sono molto diverse da quelle che erano presenti poco dopo il Big-Bang; dall’altro, tutti gli atomi che compongono la realtà che ci circonda (un tavolo, un pianeta, lo stesso corpo umano) sono stati sintetizzati miliardi di anni fa all’interno di stelle, che li hanno poi rilasciati nello spazio esplodendo come supernovae.