17/10/17

Il neutrone: il vero Re Mida *

Le nuove, fantastiche osservazioni, non solo elettromagnetiche, della fusione di due stelle di neutroni ha messo in evidenza il processo s, ossia quello in grado di costruire elementi più pesanti del ferro. Tra questi c’è l’oro e i media stanno già ridimensionando la straordinaria scoperta a una quasi banale trasformazione di ferro in oro. Sarebbe stata solo una conferma di un processo già ben noto e di una teoria piuttosto solida. No, l’interesse va ben oltre, come ho già cercato di dimostrare. In ogni modo, colgo l’occasione per estrarre un piccolo pezzo dal mio libro ultra divulgativo “Rosetta e le tre sorelle” che spiega in parole semplicissime sia il processo r che quello s. Magari a qualcuno verrà voglia di comprarlo…

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Un’antica leggenda parla del celebre Re Mida che riusciva a tramutare in oro tutto ciò che toccava. Una leggenda umana e nient’altro. Per le stelle, invece, è una realtà!

Il processo r

Sappiamo molto bene che le stelle più massicce non riescono a formare nuclei più pesanti di quelli del ferro. Questo elemento, infatti, è il più stabile che si conosca e non esiste temperatura e pressione in grado di farlo fondere, ossia trasformarlo in qualcosa di più pesante. Eppure, si sa benissimo che in qualche modo l’Universo deve essere riuscito ad andare oltre. Chi non sa, infatti, che in Natura esistono l’oro, l’argento, il piombo, il mercurio, il rame, lo zinco, il platino, l’uranio, ecc. Il nostro stesso corpo li contiene in piccole quantità. Gli elementi chimici naturali sono 92, mentre il ferro è solo il numero 26. Come  ha fatto l’Universo a creare gli elementi tra il numero 26 e il 92? Presto detto: ha cambiato tecnica, non più fusione nucleare, ma cattura di neutroni all’interno dei nuclei atomici.

I neutroni, benché a carica nulla, sono estremamente importanti nell’Universo, in quanto si trasformano velocemente, in solo otto minuti, in protoni. Se riuscissimo a trasformare i neutroni in protoni, all’interno di un nucleo atomico, potremmo tranquillamente costruire elementi più pesanti del ferro.  Il nucleo di ferro ha 26 protoni, ma l’uranio ne ha ben 92. Ricordiamo, infatti, che un elemento chimico è caratterizzato solo dal numero dei protoni contenuti nel suo nucleo. Gli eventuali neutroni servono, normalmente, solo ad aggiungere massa e a formare isotopi.

Tuttavia, malgrado i neutroni stiano all’interno dei nuclei, essi non si trasformano in protoni.

Un momento, un momento… poco fa abbiamo detto che i neutroni si trasformano in protoni in soli otto minuti. Adesso, affermiamo esattamente il contrario. Quale mistero è mai questo?

La trasformazione di neutroni in protoni (si chiama decadimento beta) non può capitare normalmente all’interno delle stelle, dato che bisogna avere a disposizione un’energia spaventosa, in grado di cambiare drasticamente le condizioni in cui si trovano le particelle. Non è cosa facile. Nella fusione, che le stelle usano per formare elementi sempre più pesanti, si va praticamente “in discesa” fino al ferro: basta riscaldare e fondere. Ora, invece, comincia la salita: bisogna fornire “qualcosa” per andare avanti. In condizioni normali i neutroni si trovano soltanto nei nuclei atomici strettamente abbracciati ai protoni. Il nocciolo stellare non è, però, sempre in condizioni normali. A volte, in situazioni peculiari, si creano neutroni un po’ dappertutto, che sono liberi di muoversi.

Riassumiamo brevemente: il neutrone è una particella molto particolare, da un lato fortunata e dall’altra sfavorita dalla sorte. Non avendo carica elettrica può superare tranquillamente, in condizioni favorevoli, le barriere che i protoni  sollevano verso particelle di uguale carica. Il suo “passaporto” gli permette di entrare dove vuole. Però, ha anche un difetto: se è libero e non è legato ai protoni di un nucleo atomico, si trasforma in soli otto minuti in un protone. Tanta fortuna per sopravvivere così poco… Eppure, questa sfortuna è proprio la fortuna degli elementi pesanti. Nel nocciolo di una gigante si formano un sacco di neutroni liberi (con solo otto minuti di tempo prima di trasformarsi), che hanno anche libera entrata all’interno dei nuclei atomici del ferro (e non solo, come vedrete).

Dove sta il gioco di prestigio? Fare entrare un neutrone dentro a un nucleo atomico come estraneo, senza che nessuno se l’aspetti. Se riesce a stare in quella situazione da “intruso” per otto minuti e non viene catturato dai protoni si trasforma in protone. Sembra un’impresa facile, ma invece è estremamente difficile. Normalmente, i neutroni non possono entrare a piacimento. Ci vogliono condizioni particolari, in cui regni il caos e i nuclei atomici non riescano a reagire immediatamente all’entrata dell’intruso.

Bisogna anche avere un tempismo perfetto: il neutrone libero, appena formatosi, deve entrare, entro otto minuti, in un nucleo atomico di ferro. La sua entrata deve essere rapida, inattesa e prendere in contropiede i protoni del nucleo. Se essi lo catturassero, cancellerebbero anche la sua capacità di trasformazione. Non sarebbe più “libero” e rimarrebbe neutrone per sempre. Nei suoi otto minuti di libertà, il neutrone deve, quindi, riuscire a entrare all’interno di un nucleo senza essere catturato. Solo a quel punto può lasciare che il suo destino si compia e diventare, come per magia, un protone.

Riassumiamo questo delicatissimo procedimento nella Fig. 1

Figura 1
Figura 1

In (1), il neutrone nasce libero dall’unione di un protone e un elettrone. A quel punto scatta il cronometro. Ha otto minuti per decadere in protone. In (2) riesce a entrare, date le condizioni favorevoli che esistono nel nocciolo, in un nucleo di ferro. Deve resistere e non essere catturato fino allo scadere degli otto minuti. Poi, in (3), finalmente, può trasformarsi in protone. Il nucleo di ferro è diventato un nucleo di un elemento più pesante, avendo un protone in più.

Questa situazione è perfetta, ma essenzialmente teorica. Si rischierebbe di non avere successo.

Cosa deve avvenire, in pratica, perché si verifichi il gioco di prestigio? Basta far entrare nel nucleo un grande numero di neutroni “estranei”. Se ne entrassero pochi, i protoni riuscirebbero a reagire, a catturarli, a non farli trasformare e a creare soltanto degli isotopi più pesanti. Tuttavia, se i neutroni che si sono aggiunti sono tanti, il nucleo non riesce a catturarli tutti. A quel punto basta resistere otto minuti. Se ci si riesce, i neutroni in soprannumero si trasformano (ossia decadono) in protoni, producendo un elemento con un numero più alto di protoni. In questo modo si può andare ben oltre al ferro. La strada è aperta verso l’argento, l’oro, il platino e anche l’uranio, il più pesante tra tutti. L’Universo è un vero prestigiatore!

Quando e come nascono queste condizioni così particolari e sconvolgenti?

Durante l’esplosione di una stella (tipo supernova) che abbia già creato al suo interno un gran numero di nuclei di ferro, nella confusione generale, si producono un mucchio di neutroni liberi. Le loro velocità e il loro numero sono impressionanti. E’ una vera e propria corsa di queste particelle alla ricerca di una nuova casa. In queste condizioni, non hanno problemi a superare la barriera dei protoni e ad affollarsi all’interno dei nuclei atomici. Qualcuno è costretto a sistemarsi, ma la maggior parte riesce a decadere e trasformarsi in protoni. Il gioco è fatto. Le supernove sono riuscite a realizzare un’altra meraviglia!

Questo gioco di prestigio viene chiamato processo r, o di “cattura veloce”. Come abbiamo sicuramente capito, il vero segreto sta nel catturare il maggior numero di neutroni prima che questi si trasformino spontaneamente in protoni nello spazio libero: lo possono fare (anzi devono farlo) solo quando sono già all’interno dei nuclei di ferro o di elementi ancora più pesanti. Se ve ne sono tanti e viaggiano velocemente, gli otto minuti sono più che sufficienti a far sì che molti di loro riescano nell’impresa.

Se poi facciamo unire insieme due stelle di neutroni (resti di supernova) esse lo fanno producendo un caos ancora più terrificante (kilonova) e i neutroni liberi diventano una vera moltitudine. Gli elementi più pesanti del ferro crescono a dismisura!

E’ chiaro, ora, il motivo per cui è ben difficile che il Re Mida abbia mai potuto trasformare veramente tutto ciò che toccava in oro? Elementare: non era in grado di creare una supernova nel suo laboratorio segreto, né, tantomeno, una kilonova!

La magia del processo di cattura veloce merita di essere riassunta attraverso la semplice Fig. 2. In alto, un nucleo di ferro viene avvicinato da due neutroni “vagabondi” (di colore bianco, tanto per identificare meglio gli “estranei”). Hanno solo otto minuti per non trasformarsi in protoni. Sono pochi e il nucleo di ferro non ha difficoltà a catturarli velocemente entrambi. La trasformazione non avviene e il nucleo di ferro costruisce “solo” un isotopo più pesante. In basso, invece, si presentano ben nove neutroni. Il nucleo fa quello che può e ne riesce a catturare cinque (che si attaccano a sinistra). Per gli altri quattro, i minuti passano inesorabili e alla fine si trasformano in protoni prima di attaccarsi al nucleo (nella parte destra). Il ferro ha guadagnato quattro protoni ed è diventato zinco. Un nuovo elemento pesante si è formato grazie ai neutroni!

 

Figura 2
Figura 2

A questo punto, vale la pena spiegare un altro piccolo “gioco di prestigio”.

Il processo s

Grandi esplosioni, “grandi” (o meglio “pesanti”) elementi. Piccole esplosioni, “piccoli” (o meglio “leggeri”) elementi. Esiste, infatti, un altro processo in grado di produrre elementi più pesanti del ferro. Non fa un granché, ma è sempre meglio che niente. Le stelle come il Sole mostrano anch’esse una fine (o meglio “trasformazione” finale) non proprio tranquilla. Quando non hanno più combustibile si raffreddano e diventano nane bianche. In questa fase si producono neutroni liberi. Non tanti e nemmeno troppo veloci. Tuttavia, bastano perché qualcuno di loro si infili nei nuclei di quel poco ferro che queste stelle avevano recuperato dalle loro antenate esplose precedentemente e riesca ad arrivare al decadimento in protone. Attraverso questa “cattura lenta”  o processo s  si formano elementi come il bario, il rame, l’osmio e qualcun altro.

 

Può darsi che il ripetere continuamente che la nuova scoperta ha individuato intere terre di oro, di platino, ecc., faccia venire voglia a qualcuno di immaginarsi un viaggio fino alla nostra kilonova. Lasciamoglielo credere, senza dirgli che pur andando alla velocità della luce impiegherebbe ben 130 milioni di anni. Tuttavia, il mito di Re Mida, la kilonova e l’accanimento dei media verso la parte più “ricca” della scoperta, mi hanno fatto tornare in mente una storia fantastica di Zio Paperone e di Paperino (opera del grande Carl Barks): “Zio Paperone e la Luna a 24 carati”, di cui riporto le scene finali (di una  profonda morale).

 

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8 commenti

  1. Arturo Lorenzo

    Caro Vincenzo, una domanda da studentello alle prime armi nell'argomento ma desideroso di capire :lol: : trattandosi di stelle di neutroni, da dove salta fuori il ferro che poi, in caso di kilonova, viene trasformato in metalli piu' pesanti ? Le stelle di neutroni, se e' cosi', contengono anche ferro, oltre ai neutroni, come residuo della precedente evoluzione stellare ? O e' ferro derivante dalla cattura di materia nei paraggi della stella di neutroni ? In ogni caso, mi pare di capire che, dunque, una stella di neutroni e' composta anche da materia ordinaria (ferro) . E' cosi' ?

  2. caro Arturo,

    la tua domanda è tutto fuorché banale! e ti ringrazio per averla fatta...

    Immaginiamo una supernova normale che esplode... ovviamente, lei scaraventa fuori di sé atomi di ferro che subiscono il processo r. Ciò che rimane è una stella di neutroni. In poche prole la materia va verso uno stato degenere che aumenta andando verso il nocciolo. Gli strati superficiali, al limite, conterranno un numero maggiore di neutroni (isotopi).L'esplosione di una kilonova ha, comunque, a disposizione del ferro molto pesante che non vede l'ora di trasformarsi in qualcosa di ancora più pesante, visti i neutroni che ci sono in giro (decadimento beta meno). Nella kilonova, anche nuclei più o meno pesanti subiscono velocemente trasformazioni, anche attraverso cattura di elettroni (viene a fagiolo l'articolo sul decadimento di ieri). Insomma, una fabbrica molto attrezzate e rapida!

  3. Sister

    Ma in una stella di neutroni è vero che lo spazio tra gli atomi o all'interno degli atomi non esiste più, data la mostruosa densità?

  4. Caro Sister,

    sicuramente si è molto ridotto, ma spazio ce n'è ancora... come dice il grande Feynman (C'è tanto spazio laggiù in fondo...) :wink:

  5. luigi

    Gentile Prof. Zappalà, mi interessa molto questo argomento sulla produzione di elementi più pesanti del Fe secondo i due processi da Lei descritti. Quando circa due settimane fa alcune riviste on line, ad esempio Focus, riportavano l'evento a circa 130 milioni di anni luce con il quale si è formata una Kilonova a seguito della coalescenza di due pulsar, esse ponevano con enfasi la formazione di elementi massicci quali l'Au o il Pt da elementi più leggeri. In particolare negli articoli si affermava che l'oro o il platino, siano stati "forgiati" per effetto del decadimento di elementi come il cesio o il tellurio. Come è possibile che dal decadimento di questi elementi si possano formare elementi ben più pesanti ovvero aventi un numero atomico maggiore ?

     

  6. Fiore

    Il Cesio(55,133) incorpora tramite il processo r 62 neutroni e diventa Cesio(55,195) ,23 neutroni subiscono il decadimento β trasformandosi in protoni con l’emissione di altrettanti elettroni per cui si trasforma in Platino(78,195)

     

     

  7. caro Luigi,

    come confermato dall'esempio di Fiore, quello che conta è il processo r. Tuttavia, non c'è bisogno di salire a piccoli scalini verso elementi pesanti: si può fare anche con salti notevoli. Venga pure un decadimento che porta a elementi più leggeri (e libera elettroni, ossia energia), ma poi subentra il processo r e via con i pesi massimi.

    Nel caos dell'esplosione e della trasformazione può capitare di tutto, anche decadimenti, ma il vero maestro dei giochi è poi il processo r che può avvenire solo in quelle condizioni. Inoltre, non tutti gli elementi lavorano nello stesso modo, qualcuno, magari più leggero, si trasforma in peso massimo meglio di uno più pesante.

    Comunque resta il fatto che il processo r non è un decadimento...

  8. luigi

    OK Professore, la ringrazio per le sue delucidazioni.

     

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