La nucleosintesi degli elementi

4. Produzione degli elementi di massa intermedia

di Gruppi Italiani Astrofisica Nucleare Teorica e Sperimentale

La produzione degli elementi più pesanti dell'elio è complicata dal fatto che non esistono nuclei stabili in natura aventi massa atomica A=5 ed A=8. Quindi non si può immaginare di produrre elementi più pesanti dell’elio attraverso semplici catture protoniche (cioè reazioni nucleari in cui un protone si fonde con un nucleo di elio).
Nel 1951, prima Ernst Opik, e poi in modo più dettagliato Edwin Salpeter (premio Crafoord 1997), formularono l’ipotesi che nelle stelle Giganti l’energia necessaria per controbilanciare la gravità provenisse dalla combustione di 3 nuclei di elio, che fondendosi insieme creano un nucleo di carbonio (12C). Per questo tipo di reazione è necessaria una temperatura più alta di quella richiesta per la combustione dell’idrogeno poiché la repulsione coulombiana tra nuclei di elio (Z=2) è maggiore di quella che si esercita tra nuclei di idrogeno (Z=1). Più pesante è il nucleo da produrre, più protoni avrà: la barriera coulombiana da superare sarà dunque più alta e per superarla servono temperature maggiori, che la stella può raggiungere solo dopo un certo tempo. Per questo motivo nelle stelle si susseguono le combustioni degli elementi dal più leggero (H) al più pesante (Fe), una dietro l'altra e non avvengono contemporaneamente.


La combustione dell'elio avviene in due fasi successive:
- due particelle α (il nome storico per indicare i nuclei di elio) si fondono in un nucleo di 8Be;
- il 8Be a sua volta cattura un’altra particella α, producendo 12C.


Il problema connesso a questa sequenza di reazioni sta nel tempo di vita del 8Be, che è instabile, cioè si si scinde in due particelle α dopo soli 2x1016 secondi (ossia in un intervallo di tempo di 20 milionesimi di miliardesimo di secondo) dalla sua formazione. La soluzione a questo problema fu proposta nel 1953 dal cosmologo inglese Fred Hoyle (anche lui premio Crafoord nel 1997), che ipotizzò l’esistenza di un livello energetico risonante nella struttura atomica del 12C. Questo stato risonante fu confermato sperimentalmente in seguito nei laboratori Kellogg del California Institute of Technology, dal gruppo di fisici nucleari guidato da William Fowler (Premio Nobel 1983). A questo livello è stato assegnato in passato l’epiteto di “livello della vita”, perché l'esistenza del carbonio ha reso possibile lo sviluppo della vita, per come la conosciamo.

La biologia umana, infatti, si basa sul ciclo del carbonio. In questa maniera, producendo il 12C a partire da 3 nuclei di elio, si aggira il problema legato agli elementi instabili di massa A=5 e A=8. Così, se le temperature (cioè la massa della stella) lo permettono, si possono innescare altre reazioni nucleari. Per esempio dalla fusione di 12C ed elio si produce 16O. Ecco dunque la nucleosintesi dell’ossigeno! Questo significa, per esempio, che le molecole di un bicchiere d’acqua, H2O, sono il risultato di due eventi astrofisici del tutto diversi. Per i 2/3 gli atomi provengono dal Big Bang e per 1/3 gli atomi provengono dalla fusione di elio nelle stelle massicce.
La nucleosintesi cosmica non si riduce agli elementi descritti finora. Infatti, nelle stelle con massa sufficientemente grande (almeno 10 volte la massa del Sole), la temperatura centrale è sufficientemente alta da innescare una nutrita sequenza di reazioni nucleari di fusione di particelle α. Di conseguenza, elementi sempre più pesanti vengono sintetizzati: neon (20Ne), magnesio (24Mg), silicio (28Si), zolfo (32S), argon (36Ar), calcio (40Ca), titanio (44Ti), cromo (48Cr), ferro (52Fe) ed infine nichel (56Ni). Quest’ultimo isotopo è instabile e decade, in 56Co che a sua volta decade nell’isotopo stabile 56Fe.

Nella figura possiamo vedere la massa per nucleone (protoni e neutrioni) dei vari elementi, che dà indicazione sull’instabilità degli elementi stessi rispetto al loro numero di protoni e neutroni. Il ferro, che nella figura sta in basso, è dunque tra i nuclei più stabili, e tende a non essere “disturbato” da altre reazioni nucleari. Dunque la produzione di nuclei più pesanti del 56Fe attraverso processi nucleari tra particelle cariche (come quelli precedentemente descritti) richiede energia, invece di produrne (il processo in questo caso si dice “endoenergetico”). Inoltre, all’aumentare della carica dei reagenti (ossia il numero di protoni dei due nuclei), aumenta anche la loro repulsione Coulombiana. Di conseguenza, non è possibile produrre elementi più pesanti del ferro attraverso reazioni tra particelle cariche.

 

Immagine estratta da http://www.oa-abruzzo.inaf.it/CRISTALLO/periodictable2019_ita.html

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