‎In collaborazione con un team internazionale di ricercatori, la Michigan State University ha contribuito a creare la versione più leggera al mondo fino ad oggi del magnesio.‎

Gli atomi di uno stesso elemento non sono tutti uguali: alcuni sono più pesanti, perché nel loro nucleo contengono più neutroni rispetto ad altri. La presenza di queste particelle non influenza il comportamento dell’elemento a livello chimico, che rimane lo stesso perché conserva lo stesso numero di protoni (ed è questo numero che lo posiziona in una precisa casella nella tavola periodica degli elementi).

Atomi con stesso numero di protoni ma differente numero di neutroni sono detti isotopi. Il magnesio più diffuso in natura ne ha 12 dei primi e sette dei secondi. Ma gli scienziati sono stati in grado di produrne uno più leggero, con soli 6 neutroni nel nucleo.

‎Forgiato presso il ‎‎National Superconducting Cyclotron Laboratory‎‎ della Michigan State University, o NSCL, questo isotopo è così instabile che cade a pezzi prima che gli scienziati possano misurarlo direttamente. Ma può aiutare i ricercatori a capire meglio come sono fatti gli atomi che determinano la nostra esistenza.‎

‎Guidato da ricercatori dell’Università di Pechino in Cina, il team comprendeva scienziati della Washington University di St. Louis, MSU e altre istituzioni.‎

‎”Una delle grandi domande che mi interessano è da dove provengono gli elementi dell’universo”, ha detto ‎‎Kyle Brown,‎‎ assistente professore di chimica presso la Facility for Rare Isotope Beams, o FRIB. Brown è stato uno dei leader del nuovo studio, pubblicato online il 22 dicembre dalla rivista ‎‎ ‎‎Physical Review Letters‎‎.‎

‎”Come sono fatti questi elementi? Come avvengono questi processi?” si è chiesto Brown.‎ ‎Il nuovo isotopo non risponderà a queste domande da solo, ma può aiutare a perfezionare le teorie e i modelli che gli scienziati sviluppano per spiegare tali misteri.‎

‎La Terra è piena di magnesio naturale, forgiato molto tempo fa nelle stelle, che da allora è diventato un componente chiave delle nostre diete e dei minerali nella crosta del pianeta. Ma questo magnesio è stabile. Il suo nucleo atomico non cade a pezzi.‎

‎Il nuovo isotopo di magnesio, tuttavia, è troppo instabile per essere trovato in natura. Ma usando acceleratori di particelle per creare isotopi sempre più esotici come questo, gli scienziati possono spingere i limiti dei modelli che aiutano a spiegare come tutti i nuclei sono costruiti e rimangono insieme.‎

‎Questo, a sua volta, aiuta a prevedere cosa succede in ambienti cosmici estremi che potremmo non essere mai in grado di imitare o misurare direttamente dalla Terra.‎

‎”Testando questi modelli e rendendoli sempre migliori, possiamo estrapolare come funzionano le cose dove non possiamo misurarle”, ha detto Brown.

‎NSCL ha aiutato gli scienziati di tutto il mondo a migliorare la comprensione dell’universo da parte dell’umanità dal 1982. FRIB continuerà questa tradizione quando gli esperimenti inizieranno nel 2022. FRIB è una struttura utente del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, o DOE-SC, che supporta la missione del DOE-SC Office of Nuclear Physics.‎

‎”FRIB misurerà molte cose che non siamo stati in grado di misurare in passato”, ha detto Brown. “In realtà abbiamo un esperimento approvato impostato per l’esecuzione a FRIB. E dovremmo essere in grado di creare un altro nucleo che non è mai stato creato prima”.‎

‎Dirigendosi verso quell’esperimento futuro, Brown è stato coinvolto in quattro diversi progetti che hanno realizzato nuovi isotopi. Ciò include il più recente, che è noto come magnesio-18.‎

‎Tutti gli atomi di magnesio hanno 12 protoni all’interno dei loro nuclei. In precedenza, la versione più leggera del magnesio aveva 7 neutroni, dandogli un totale di 19 protoni e neutroni – da qui la sua designazione come magnesio-19.‎

‎Per produrre magnesio-18, che è più leggero perché manca un neutrone, il team ha iniziato con una versione stabile di magnesio, magnesio-24. Il ciclotrone di NSCL ha accelerato un fascio di nuclei di magnesio-24 a circa la metà della velocità della luce e ha inviato quel raggio in un bersaglio, che è una lamina metallica fatta dall’elemento berillio. E questo è stato solo il primo passo.‎

‎”Quella collisione ti dà un sacco di isotopi diversi più leggeri del magnesio-24″, ha detto Brown. “Ma da quella zuppa, possiamo selezionare l’isotopo che vogliamo”.‎

‎In questo caso, quell’isotopo è il magnesio-20. Questa versione è instabile, il che significa che decade, di solito entro decimi di secondo. Quindi il team ha fatto sì che il magnesio-20 si scontri con un altro bersaglio di berillio a circa 30 metri di distanza.‎ ‎”Ma viaggia a metà della velocità della luce”, ha detto Brown. “E ci arriva dunque abbastanza rapidamente.”‎

‎È quella successiva collisione che crea il magnesio-18, che ha una vita lunga un millesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo. È un tempo così breve che il magnesio-18 non si ammanta di elettroni per diventare un atomo a tutti gli effetti prima di cadere a pezzi. Esiste solo come nucleo nudo.‎

‎In effetti, è così breve il suo tempo di vita che il magnesio-18 non lascia mai il bersaglio del berillio. Il nuovo isotopo decade ‎‎all’interno‎‎ del bersaglio.‎

‎Ciò significa che gli scienziati non possono esaminare direttamente l’isotopo, ma possono caratterizzare i segni rivelatori del suo decadimento. Il magnesio-18 prima espelle due protoni dal suo nucleo per diventare neon-16, che poi espelle altri due protoni per diventare ossigeno-14. Analizzando i protoni e l’ossigeno che sfuggono al bersaglio, il team può dedurre le proprietà del magnesio-18.‎

‎”Questo è stato un lavoro di squadra. Tutti hanno lavorato molto duramente su questo progetto”, ha detto Brown. “È piuttosto eccitante. Non capita tutti i giorni di scoprire un nuovo isotopo”.‎

‎Detto questo, gli scienziati stanno aggiungendo nuove voci ogni anno all’elenco degli isotopi noti, che si contano a migliaia.‎

‎”Stiamo aggiungendo gocce a un secchio, ma sono gocce importanti”, ha detto Brown. “E posso dire ai miei genitori che ho contribuito a scoprire questo nucleo che nessun altro ha mai visto prima”.‎

 

 

Immagine: S. M. Wang/Fudan University and Facility for Rare Isotope Beams

Foto crediti: Envato Elelents (ove non diversamente specificato)

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