==================================================== Origine
e distribuzione degli elementi ==================================================== Illustriamo come si sono formati gli elementi e per quale motivo li si rinviene con la loro caratteristica incidenza in natura, sia sulla terra che nel cosmo. L'osservazione astrofisica che l'universo si espande ha dato origine all'idea che 13 miliardi di anni fa tutta la massa-energia (E = mc2) fosse concentrata in una regione puntiforme, la quale esplose durante quello che è stato detto l’ Hot Big Bang, la Grande Esplosione. Espansione
dell’Universo ¯ Circa 13 miliardi di anni fa
tutta la massa-energia era
concentrata in una regione puntiforme (raggio < 0.01 mm, d = 1098
g cm-1, T = 1032 K)
¯
Big Bang ® 1 secondo: T 1010 K
neutroni,
protoni ed elettroni
equilibrio neutroni Û protoni
2 secondi:
Rapporto stabile
25% neutroni, 75% protoni
>2 secondi:
intervengono la forza Forte e la forza Elettromagnetica, D e He
1H + 1n
® 2H (D) Elio
2H + 1n
®3H
3H + 1H ®4He oppure 2H + 1H
®3He 3He
+ 1n ®4He
fino a
esaurimento dei neutroni.
10-500
secondi: 25% della materia 4He e
minima frazione di 2H. Massa atomica
limitata a 4.
>500
secondi: Scendendo T tutti i protoni danno
atomi
di H. Densità Universo ca. 1000
volte maggiore di una attuale galassia. Cominciarono a condensare nuvole di gas He e H per
effetti gravitazionali. A T < 107 K varie reazioni
termonucleari (hydrogen burning)
che globalmente danno:
41H
® 4He
+ 2e+ + 2n +
Energia ==================================================== ==================================================== Gli sviluppi successivi vanno considerate
nell’ambito dei processi di evoluzione
stellare (T
interne alle stelle da 107 a 108 K) che produssero
elementi più pesanti.
Distribuzione
degli elementi nell'universo Nell'arco di alcune ore dopo l'inizio dell'universo T era già caduta di tanto da permettere che la maggior parte della materia fosse presente nella forma di atomi di H (89%) e di He (11%). H ed He rimangono gli elementi più abbondanti
dell'universo (Vedi).
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La distribuzione degli elementi non è uniforme. Ad esempio l’incidenza
naturale sulla Terra dei vari elementi appare poco correlata con la
loro incidenza naturale nel
cosmo. Criteri generali: 1.
L’abbondanza diminuisce approssimativamente in modo esponenziale al crescere
del numero di massa A fino ad A circa 100 (Z = 43). Dopo la
diminuzione diviene più graduale. 2.
Vi e’ un netto picco attorno
a Z = 23-28 (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni), con un massimo per il Fe (circa 103
più abbondante di quanto atteso). 3.
D (deuterio),
Li, Be, B
sono rari
confrontati con i vicini. 4.
Fino a Z = 21 (Sc) i nuclei con A divisibile per 4 sono più abbondanti, es. 16O, 20Ne,
24Mg, 28Si, 32S, 36Ar e 40Ca.
(regola di Oddo, 1914). 5.
Atomi con A pari
sono più abbondanti di quelli con A
dispari.
Così vale in genere anche per Z. Qualunque teoria
della nucleosintesi
non può esimersi dal tener conto di questo andamento.
Nucleosintesi
degli elementi leggeri Nelle prime stelle H e He che si addensavano insieme
incominciarono a fondersi. Si formarono gli elementi di numero atomico uguale o minore di 26 (Fe). Tali processi di fusione nucleare vanno sotto il nome di «combustione dell’elio» (helium burning):
24He ® 8Be
+
g 8Be +
4He ® 12C
+
g 12C + 1H ® 13N
® 13C + e+ + n Nelle stelle più pesanti (T > 6 x 108
K) e’ possibile il ciclo
carbonio-azoto
CN: 12C + 1H ® 13N 13N ® 13C + e+ + n 13C + 1H ® 14N
+
g 14N + 1H ® 15O
+ g 15O ® 15N
+ e+ + n 15N + 1H ® 12C
+ 4He Produce 4He
da
4 1H; è
quindi un processo
catalizzatato (da C) di hydrogen burning. ==================================================== La fase dell'evoluzione
stellare legata al ciclo
dell'elio produce elementi di massa
multipla di 4
e non sfocia nella formazione di Li, Be
e B
come prodotti terminali stabili.
L'origine di questi tre elementi è incerta;
derivano probabilmente da una frammentazione
(spallation) di nuclei di C, N ed O. Altri processi, come il carbon burning
e oxygen burning producono altri elementi più pesanti, come: 12C + 12C ® 20Ne + 4He 16O
+ 16O ® 28Si +
4He L'abbondante
presenza di Fe
nell'universo si accorda con il fatto che esso possiede il nucleo dotato
della massima
stabilità. L'energia
di legame per nucleone EN = Dm
c2/N del 56Fe
è la massima tra tutti gli elementi (Vedi).
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Nucleosintesi
degli elementi pesanti Gli elementi più pesanti del ferro derivano
da una varietà di
processi,
fra i quali la cattura
dei neutroni
derivanti dalla disintegrazione degli elementi più leggeri in base a
reazioni come 23Ne + a
®
26Mg + n Con un flusso
intenso di neutroni, come in una supernova
(l'esplosione di una stella), un nucleo può catturare più neutroni e
divenire un isotopo progressivamente più pesante (spesso instabile).
L’isotopo emetterà quindi un elettrone dal proprio nucleo
sotto forma di particella
b-,
aumentando Z di una unità e trasformandosi in un nuovo elemento. Esempio, da Mo (Z = 42) a Tc (Z = 43):
98Mo
+ n ® 99Mo + g
¯
99Tc + b- + n Il nucleo
figlio,
prodotto di una reazione nucleare può assorbire
un altro neutrone, e il processo continuare, costruendo gli
elementi più pesanti. Dei circa 108 elementi,
90
sono naturali (i primi 92,
fino a U, meno Tc e Pm);
non ci sono isotopi stabili con Z
> 83 (Bi).
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=================================================== Distribuzione
degli elementi sulla terra =================================================== La chimica inorganica si è sviluppata con gli
elementi così come si trovano distribuiti
sul nostro pianeta. La differenziazione della distribuzione terrestre degli elementi (vedi) deriva dai processi
geologici di formazione del pianeta.
Può essere utile
il concetto geochimico
di volatilità. Un elemento è volatile come tale
(es. i gas nobili) o perchè forma minerali
volatili nelle condizioni dell'era
seguita alla condensazione
della Terra.
volatili: C, alogeni, Hg, Cd, Ga, Ge, Pb, Bi, Zn non volatili: Fe,
Co, Ni, Si, Be, Ca Gli elementi meno volatili
(in senso geochimico) sono distribuiti sulla Terra come nell'Universo
(vedi le meteoriti). I più
volatili sono
molto diminuiti rispetto alla loro presenza nel cosmo, per
le alte temperature raggiunte nella formazione della Terra. La
composizione terrestre in base al concetto di volatilità geochimica è
mostrata in Figura.
I
processi di condensazione Gli elementi non volatili sono raccolti fra i «condensati
primitivi». Relativamente impoverito è il gruppo degli elementi
moderatamente volatili: Ag, Zn, Ge, Sn e F Fortemente impoverito è il gruppo degli elementi
volatili: Cd, Hg, Pb e
alogeni diversi da F Condensati
primitivi
®
Fe (condensa
a ca. 1500 K con il 12.5% di Ni) ®
diopside
(CaMgSi2O6, condensa a ca. 1450 K) ® anortite (CaAl2Si2O8,
condensa a 1350 K) Quindi Fe, O, Mg e Si costituiscono
oltre il 90 % della
Terra.
Gli elementi S, Ni, Al e Ca sono un altro 6-7%. Nella
distribuzione zonale la Terra è suddivisa in cinque zone principali: atmosfera,
idrosfera, crosta, mantello e nocciolo. Il nocciolo
è costituito principalmente di Fe
legato con Ni. Sopra il
metallo liquido “galleggiavano” fasi meno
dense (come nell’altoforno) contenenti Si, O e Mg, come silicati e
come ossidi (mantello inferiore).
Quindi, fino alla crosta predominano
alluminosilicati. ====================================================
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