TRANSURANICI, ELEMENTI

TRANSURANICI, ELEMENTI

(App. III, II, p. 973; App. IV, III, p. 667)

Nella precedente Appendice solo un cenno è stato fatto agli e.t. di numero atomico 104 e 105, allora da poco ottenuti. Pertanto daremo qui le notizie riguardanti gli e.t. a partire da quello di numero atomico 104. Con l'e.t. 103 si chiude la serie degli attinidi, cioè degli elementi aventi l'orbita elettronica 5f completa, di 14 elettroni. Gli attinidi sono caratterizzati da una forte somiglianza con gli elementi delle terre rare (lantanidi); infatti i singoli elementi con numero atomico da 90 a 103 presentano comportamento chimico simile a quello dei corrispondenti del gruppo da 58 a 71. Per i transattinidi, cioè per quelli di numero atomico da 104 a 118, è lecito prevedere una somiglianza coi corrispondenti della serie che comincia con il 72 (afnio) e termina con l'86 (radon). Questa previsione è confermata dagli e.t. finora ottenuti in quantità sufficiente a valutarne le principali proprietà chimiche; così per l'elemento 104, il dodicesimo degli e.t. e il primo oltre la serie degli attinidi, si sono trovate analogie di comportamento chimico con l'afnio, e per l'elemento 105 con il tantalio; per gli altri e.t. finora prodotti (106-108) le quantità attualmente disponibili non sono sufficienti a una valutazione, anche approssimata, delle loro proprietà chimiche.

I primi elementi, dal 93 al 101, sono stati ottenuti in reattori nucleari bombardando elementi pesanti con neutroni lenti (o con elementi leggeri), con emissione β. Così il primo e.t., il nettunio-93, fu ottenuto bombardando l'uranio con neutroni, mentre con bombardamento con deuterio si ottenne il plutonio e dal bombardamento del plutonio con neutroni derivò l'americio-95 e con elio il curio-96. Questo sistema presenta una limitazione poiché al crescere del peso dei bersagli si ottengono nuclidi con periodi di dimezzamento sempre più brevi. Per gli elementi superiori si è ricorso al bombardamento con particelle cariche accelerate artificialmente. I risultati migliori si ottengono usando come bersagli elementi di numero atomico e di massa il più grande possibile e come proiettili ioni di numero atomico possibilmente elevato. Bombardando in acceleratori californio-98, di massa 249, con ioni azoto od ossigeno si sono ottenuti rispettivamente gli elementi 105 e 106. Con questo sistema il numero dei nuclidi che si formano è però limitato e ciò rende difficile, se non impossibile, l'esame delle proprietà chimiche.

Gli elementi da numero atomico 101 a 106, scoperti fra il 1955 e il 1974, furono ottenuti sia in USA, al Lawrence Berkeley laboratory, sia in URSS, al Centro di ricerche nucleari di Dubna. Mano a mano che si cercava di produrre nuovi elementi si presentavano nuove difficoltà, che hanno spinto a ricercare sistemi di produzione e d'identificazione sempre migliori. Così al crescere del numero atomico i nuclidi ottenuti si presentavano sempre meno stabili, con tempi di dimezzamento più brevi fino ad arrivare a frazioni piccolissime di s. Cresceva anche la difficoltà di produzione e il sistema che partiva dal bombardamento di bersagli di massa la più elevata possibile (quindi nuclei di attinidi) presentava sempre maggiori difficoltà perché non era facile disporre di nuclidi in quantità sufficiente da utilizzare come bersaglio.

I ricercatori sovietici, che accusarono questa difficoltà, studiarono la possibilità di utilizzare come bersagli elementi un po' meno pesanti impiegando come proiettili ioni un po' più pesanti; così per l'elemento 105 partirono da americio e neon e per l'elemento successivo pensarono di usare un elemento a numero atomico inferiore, il piombo, e come proiettile un elemento più pesante, il cromo; il sistema venne chiamato di ''fusione fredda'' (denominazione che non ha nulla a che vedere con quella che nel 1989 ha sollevato tanto scalpore; v. in questa Appendice), perché le energie di eccitazione dei nuovi nuclei sono minori di quelle dei nuclei prodotti nel bombardamento con ioni leggeri di bersagli a massa molto più elevata. Il sistema ha richiesto un acceleratore capace di produrre intensi fasci di proiettili, dell'ordine di 3.10¹² al s. Questi fasci di proiettili sono lanciati su un bersaglio disposto su un disco ruotante. Il numero degli urti efficaci è estremamente piccolo; P. Armbruster nel caso dell'elemento 111 calcola che si verifichi, mediamente, ogni 10¹⁸ proiettili che colpiscono il bersaglio.

Il sistema è stato poi largamente utilizzato dal gruppo di ricercatori tedeschi del GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) di Darmstadt, per la preparazione degli elementi da 107 a 111, dato che anch'essi non disponevano di quantità sufficiente di elementi molto pesanti. Il sistema si svolge in due fasi: inizialmente i proiettili si combinano con gli atomi del bersaglio dando origine al nuovo nucleo eccitato, che poi emettendo neutroni si ''raffredda'', perde energia, arrivando allo stato fondamentale, non eccitato. Poiché il numero dei nuclidi che si formano, come pure il loro tempo di raffreddamento e di dimezzamento, è estremamente ridotto, per separarli dall'enorme numero di proiettili che li accompagnano i ricercatori del GSI hanno messo a punto un dispositivo, il ''filtro di velocità'', che sfrutta la differenza di velocità esistente fra proiettili e nuclidi, data la loro differenza di massa. Il fascio di proiettili e i nuclidi che viaggiano nella stessa direzione, con velocità differente, vengono per la gran parte separati attraversando una serie di generatori di campi magnetici ed elettrici: i nuclidi arrivano a un sistema di rilevatori a silicio, che fornisce con precisione i dati relativi a energia, posizione e tempo di arrivo sia dei nuclidi di nuova formazione sia di quelli che si generano nel decadimento dei precedenti per emissione di particelle α: il sistema contiene anche detectors a germanio, per rilevare fissioni con emissione di radiazioni γ. Si possono così avere i dati necessari per costruire la catena di decadimento dei nuovi nuclidi in base alla quale se ne può stabilire numero atomico e massa (v. App. IV, iii, p. 667). Il sistema ha consentito l'identificazione di nuovi nuclidi, anche se ne erano disponibili solo pochi atomi (uno per l'elemento 109 e tre per il 108).

L'esiguo numero di atomi ottenuti per i nuovi elementi non poteva consentire di studiarne le proprietà chimiche con i soliti sistemi, ma si è arrivati a superare anche questa difficoltà. Sono infatti in atto in diversi paesi ricerche per arrivare a sofisticati sistemi cromatografici, nei quali è possibile introdurre i singoli atomi trasportati da correnti gassose e portati in soluzione, per trattamento con acidi, in modo da compararne la velocità di eluizione con quella di altri atomi (per es. gli omologhi) e da avere indicazioni per il collocamento dei nuovi elementi nel sistema periodico; altri sistemi consentono di comparare altre caratteristiche (volatilità, solubilità, ecc.).

L'identificazione dell'elemento 104 fu annunciata nel 1964 da G.N. Flerov e collaboratori del Centro di ricerche di Dubna; essi dichiararono di averlo ottenuto nel loro ciclotrone per ioni pesanti, bombardando plutonio-242 con ioni neon-22 di energia 113-115 MeV:

²⁴²Pu+²²Ne→²⁶⁰n,104+4 neutroni.

Gli atomi prodotti nel bombardamento, rimbalzati fuori del bersaglio, venivano fermati su un nastro di nichel che passava avanti a un detector lasciandovi una traccia, visibile al microscopio, della fissione. La distribuzione delle tracce era determinata dal tempo di dimezzamento. Risultava difficile assegnare le tracce all'elemento 104 poiché nel bombardamento se ne produceva un numero estremamente limitato, mediamente una ogni 5 ore d'irradiazione. Nonostante l'incertezza legata all'aleatorietà dei risultati, i ricercatori sovietici annunciarono la scoperta dell'elemento 104. Due anni dopo cercarono di portare altri elementi in appoggio alla scoperta, in particolare prove d'identificazione chimica dell'elemento che permettevano di assegnargli un tempo di dimezzamento di 0,3 s.

I ricercatori di Berkeley, A. Ghiorso e collaboratori, nutrendo perplessità circa la validità dei risultati cercarono di riconfermarli usando mezzi più efficienti, ma arrivarono a concludere che le prove condotte a Dubna non erano tali da poter fornire un'identificazione sicura del nuovo elemento. Solo nel 1969 i ricercatori di Berkeley potevano annunciare di avere ottenuto, senza dubbi, due isotopi dell'elemento 104, di massa rispettivamente 257 e 259, bombardando atomi di californio-249 con proiettili ¹²C e ¹³C in un acceleratore lineare a ioni pesanti; il loro tempo di dimezzamento è stato valutato in 4,5 e 3 s e le loro masse attraverso l'emissione di particelle α sono arrivate a quelle dei noti nuclidi del nobelio-253 e 255. Un terzo isotopo dell'elemento 104, con tempo di dimezzamento più lungo, circa 65 s, è stato successivamente ottenuto, sempre a Berkeley, bombardando curio-248 con ioni ¹⁸O e con questo sono state fatte prove, mediante scambio ionico, del comportamento chimico che hanno indicato che l'elemento, in soluzione acquosa, si comporta come l'hafnio. La scoperta dell'isotopo 257 è stata confermata da ricerche indipendenti condotte da ricercatori del Laboratorio nazionale di Oak Ridge, mentre a Berkeley, attraverso altre prove, fu messa ancora in dubbio la validità dell'identificazione dell'elemento da parte dei ricercatori russi.

L'elemento 105 è stato pure ottenuto dal gruppo di ricercatori di A. Ghiorso nel marzo del 1970 bombardando 60 microgrammi di californio-249 con ioni azoto ¹⁵N di 84 MeV. Fin dal 1968 i ricercatori di Dubna, G.N. Flerov e collaboratori, avevano annunciato di avere ottenuto due isotopi dell'elemento 105 bombardando l'americio-243 con ioni neon ²²Ne; l'isotopo di massa 261 aveva un tempo di dimezzamento di 3 s mentre l'altro, con massa 260, di 0,01 s.

I risultati dei ricercatori sovietici furono contestati dai ricercatori statunitensi per diverse ragioni (l'energia d'eccitazione è troppo bassa; il prodotto di decadimento dell'isotopo 261 non ha le caratteristiche del lawrencio-256, come ipotizzato dai ricercatori sovietici, e non può avere costituito una valida base di correlazione per determinare la massa dell'isotopo). Ghiorso e collaboratori hanno ottenuto, per l'elemento 105, anche un isotopo di massa 262, oltre a quello iniziale di massa 260. Per gli isotopi fu riscontrato comportamento chimico analogo a quello dell'omologo superiore tallio (numero atomico 73).

L'elemento 106 è stato ottenuto e identificato contemporaneamente dai gruppi di ricerca di Berkeley e di Dubna nel 1974. In USA la ricerca è stata condotta nell'acceleratore lineare di ioni superpesanti bombardando 259 microgrammi di californio-249 con ioni ¹⁸O di energia 95 MeV e d'intensità di 3.10¹² ioni al s:

²⁴⁹Cf+¹⁸O→²⁶³n,106+4 neutroni.

Il bersaglio era sistemato su una ruota e i nuovi elementi emergenti dal bersaglio erano asportati da una corrente di elio verso dei detectors che rilevavano i dati necessari per tracciare la catena di decadimento del nuovo nuclide. Nelle prove furono raccolti 73 isotopi dell'elemento 106 di massa 263. A Dubna i ricercatori sovietici usarono come bersaglio piombo 207 e 208 e come proiettili ioni pesanti, ⁵⁴Cr, di energia 280 MeV con intensità di 2.10¹¹ ioni al s; nella reazione venivano emessi due o tre neutroni usando rispettivamente piombo 207 o 208. Anche a Dubna i ricercatori disponevano il bersaglio su un disco ruotante; alla distanza di 3 mm si trovavano i detectors che registravano il decadimento per fissione spontanea, attraverso i frammenti espulsi che consentivano l'identificazione del nuovo nuclide. Furono riportate, per l'isotopo ²⁵⁹106, 51 fissioni spontanee.

Utilizzando il sistema, sopra ricordato, della fusione fredda proposta e applicata dai ricercatori sovietici nel 1976, i ricercatori del GSI nel 1981 sintetizzarono e identificarono in maniera chiara l'elemento 107. Le prove condotte a Dubna erano state effettuate usando come bersaglio bismuto-209 e come proiettili ioni ⁵⁴Cr con energia 290 MeV; furono rilevate tracce di fissioni attribuite all'isotopo ²⁶¹n,107 che decade, in parte spontaneamente e in parte per emissione α, con tempo di dimezzamento dell'ordine di millisecondi. Quest'assegnazione delle tracce all'elemento 107 era basata su ipotesi che non poterono essere dimostrate in maniera non ambigua al momento dell'annunciata scoperta. Cosa che invece fecero a Darmstadt i ricercatori del GSI sull'isotopo ²⁶²n,107, usando un sistema di separazione di nuova concezione, il filtro di velocità, sopra ricordato.

Il bersaglio usato era sempre Bi-209 e i proiettili ioni ⁵⁴Cr d'intensità 10¹² ioni/s. Per far diminuire la temperatura del bersaglio, il bismuto disposto su un disco era fatto ruotare alla velocità di 10 m/s. Dai dati raccolti fu ricavata una catena di decadimento di sei gradini, con emissione fra l'uno e l'altro di una particella α, che portava al californio-246. Tutte le catene di decadimento rilevate portarono sempre all'isotopo ²⁶²107. In seguito, nel 1983, a Dubna i ricercatori sovietici ripeterono le prove utilizzando un ciclotrone diverso (da 4 m anziché da 3,10) e ottennero la produzione dell'isotopo ²⁶²107 ma non di quello ²⁶¹107 che ritenevano di avere prodotto nel 1976.

Anche l'elemento 108 è stato ottenuto e identificato a Darmstadt nel 1984 dallo stesso gruppo di ricercatori guidati da Armbruster. L'isotopo ²⁶⁵n,108 fu ottenuto per fusione bombardando piombo-208 con ioni ⁵⁸Fe: l'isotopo presenta un tempo di dimezzamento di 2 millisecondi e decade con emissione di particelle α. Analoghe esperienze furono condotte a Dubna irradiando piombo-207 e 208 e bismuto 209 con proiettili di ferro-58 e di manganese-55. Si ottennero gli isotopi ²⁶³n,108 e ²⁶⁴n,108 e anche il ²⁶⁵n,108, conferma dei risultati di Darmstadt.

A seguito delle ricerche che avevano portato alla scoperta dell'elemento 107 il gruppo di ricercatori tedeschi ottenne nel 1982 anche la formazione dell'elemento 109. Questo fu prodotto col solito sistema, da bersagli di bismuto-209 e proiettili di ferro-58; il tempo d'irradiazione fu di 250 ore.

Dei 10¹¹ urti prodotti solo uno avrebbe portato alla produzione di un atomo 109. Anche con questo solo atomo i ricercatori del GSI considerarono molto probabile l'ottenimento del nuovo nuclide. Nel 1984 a Dubna, con una dose di irraggiamento 10 volte superiore, i ricercatori Y.T. Oganessian e collaboratori ottennero dal californio-246 un nuovo isotopo dell'elemento 104 (di massa 258) e l'isotopo dell'elemento 109, già identificato dai ricercatori del GSI.

Il 9 novembre 1994 i ricercatori di Darmstadt annunciarono di avere ottenuto tre atomi (ai quali se ne aggiunse subito un quarto) dell'elemento 110, per fusione di nuclei di piombo-208 con nichel-62 di elevata energia, con emissione di un neutrone. Il primo atomo prodotto è esistito per 393 microsecondi e poi è decaduto per emissione α arrivando al ²⁵⁷n,104. La formazione del nuovo elemento si è dimostrata un evento molto raro, anche usando un flusso di tre trilioni di proiettili al s.

Appena un mese dopo la produzione dell'elemento 110 i ricercatori del GSI potevano annunciare (8 dicembre 1994) di avere ottenuto tre atomi dell'elemento 111 bombardando per diversi giorni il solito bersaglio ruotante di bismuto-209 con nichel-64. L'atomo ottenuto dimostra un tempo di dimezzamento di 1,5 millisecondi seguito dall'emissione di un neutrone. Dalla catena di decadimento rilevata è stata attribuita al nuovo nuclide la massa 272. La fusione di piombo e nichel avviene con emissione di un neutrone. Ai primi quattro isotopi, di massa 269, ne seguirono poche settimane dopo nove di massa 271, ottenuti impiegando l'isotopo del nichel-64. Durante questa ricerca oltre all'elemento 111 i ricercatori del GSI hanno ottenuto un nuovo isotopo dell'elemento 110, di massa 271, e isotopi degli elementi 107 e 109, di massa rispettivamente 264 e 268.

Il nome dei nuovi elementi, fino al numero 103, è stato proposto dagli scopritori degli elementi stessi o dai centri di ricerca di cui essi facevano parte; tali nomi sono stati poi accettati e convalidati dalla IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), deputata a questo compito. Per gli elementi 104-106, per i quali la priorità della scoperta è stata rivendicata sia dal gruppo statunitense di Berkeley sia da quello sovietico di Dubna, l'assegnazione del nome è stata ritardata, in attesa di una risoluzione della disputa sorta fra i due centri di ricerca. Un Comitato internazionale stabilì che il merito spettasse a entrambi i contendenti, ma poi la IUPAC accettò per gli elementi 104 e 105 i nomi che erano stati proposti dai ricercatori sovietici. Per l'elemento 106 il gruppo di Berkeley propose un nome che si rifaceva a G.T. Seaborg (v. App. III, ii, p. 689; IV, iii, p. 298), al quale si deve la scoperta di diversi elementi, ma la IUPAC non ha accettato la proposta.

In una riunione della IUPAC tenuta in Ungheria il 31 agosto 1994 i 20 membri presenti hanno votato alla quasi unanimità per gli elementi 101-109 i nomi riportati nella terza colonna della tab. con i relativi simboli. Nell'ultima colonna della tab. sono elencati i nomi proposti dai gruppi di ricercatori che ne erano stati gli scopritori (o che si ritenevano tali). I nomi ufficialmente stabiliti per i nuovi elementi hanno sollevato però le proteste dell'American Chemical Society che ha riaffermato la validità dei nomi Rutherfordium per il 104, Hahnium per il 105, Seaborgium per il 106, Nielsbohrium per il 107, Hassium per il 108, Meitnerium per il 109. Per gli elementi 110 e 111 non sono stati ancora proposti nomi. Recentemente la IUPAC ha stabilito di posporre al 1997 la decisione sui nomi da assegnare agli elementi 101-109, lasciando tempo fino al 31 maggio 1996 per accettare critiche e proposte in merito. Nel frattempo però un gruppo dei membri della IUPAC dei tre paesi più direttamente interessati al problema (USA, Russia, Germania) avrebbero raggiunto un compromesso sui nomi da assegnare agli elementi 104-109, adottando i seguenti: 104, Dubnium; 105, Joliotium; 106, Seaborgium; 107, Nielsbohrium; 108, Hahnium; 109, Meitnerium.

Bibl.: P. Armbruster, The discovery of element 108, in Endeavour, 8, 2 (1985); G.T. Seaborg, The elements beyond uranium, New York 1990; D.C. Hoffman, The heaviest elements, in Chemical Engineering News, 2, 5 (1994); M. Freemantle, Heavy-ion Research Insitute explores limits of periodic table, ibid., 3, 3 (1995); Id., ibid., 21, 8 (1995).