La nucleosintesi è il processo con cui si formano i vari elementi chimici, attraverso una serie di differenti meccanismi. Esaminiamo i vari tipi in ordine di numero atomico crescente.
1: IL PROGENITORE
Subito dopo il Big Bang, l’universo era sostanzialmente composto da sole particelle subatomiche. Un protone è in effetti un nucleo di idrogeno, e alla temperatura degli inizi (10 miliardi di gradi), la materia è in stato di plasma, in cui gli elementi sono sotto forma di gas ionizzati.
2: LA PRIMA FUSIONE
In questa prima fase, l’universo è una sorta di reattore a fusione nucleare. Dall’idrogeno, oltre alla formazione del deuterio (2H) per cattura di un neutrone, avviene un processo fondamentale, la prima fusione nucleare: nuclei di idrogeno si uniscono a formare un nucleo di elio. Questo è il processo quello che accende una stella.
3-5: GLI ELEMENTI “SFORTUNATI”
La formazione di litio, berillio e boro rappresenta un mistero, dato che è al di fuori di tutti i cammini di reazione conosciuti. La loro formazione è infatti solo temporanea, perché si convertono velocemente in altri elementi (possiamo considerarli alla stregua di intermedi di reazione). Ci si chiede allora come facciano a esistere. L’ipotesi che viene avanzata è che la loro formazione sia dovuta a spallazione, cioè una frammentazione di nuclei più pesanti dovuta al bombardamento da parte dei raggi cosmici (le radiazioni elettromagnetiche a più alta energia che si conosca).
6-12: “COMBUSTIONE” DI ELIO, CARBONIO E OSSIGENO
Questo è un passaggio chiave, che avviene in tutte le stelle. Dalla fusione dell’elio viene prodotto il carbonio e da esso l’ossigeno. Reazioni successive di fusione portano alla formazione degli elementi fino al magnesio.
13-22: PROCESSO α
I processi (di nucleosintesi) che seguono avvengono solo in stelle a massa più elevata rispetto a quella del sole. Durante l’evoluzione stellare, nel passaggio da gigante rossa a nana bianca, si raggiungono temperature dell’ordine di un miliardo di gradi. I raggi γ prodotti fanno decadere per fissione il 20Ne, producendo particelle α, le quali innescano nuove reazioni di fusione. Con questo processo si arriva fino al titanio.
23-29: PROCESSO e
In stelle a massa più elevata avviene un ulteriore processo chiamato e (equilibrio). Durante l’esplosione stellare nota come supernova, viene liberata un’immensa quantità di energia, che permette di far avvenire reazioni nucleari di diverso tipo, che sono sostanzialmente delle interconversioni. Con questi processi si arriva fino al rame.
21-80: PROCESSO p
Il processo p (cattura di protoni) è un processo collaterale che, avviene sempre nelle supernove, e che porta alla formazione di molti isotopi a numero di massa pari, a partire dallo 74Sc fino al 196Hg.
29-83: PROCESSI s ED r
Questo meccanismo avviene durante la fase di gigante rossa di una stella. Il processo si basa sulla cattura da parte dei nuclei di neutroni lenti (processo s) e veloci (processo r) a cui seguono decadimenti di tipo β-. Con questo processo si formano gli isotopi con numero atomico tra 23 e 46 che non si sono formati col processo α e quelli con numero di massa tra 63 e 209, quindi gli elementi fino al bismuto.
43 E 61: GLI ELEMENTI MANCANTI
Tecnezio e promezio sono privi di isotopi stabili; vengono ottenuti per via artificiale, ma in natura sono anche presenti per decadimento spontaneo di elementi piĂą pesanti. Anche altri isotopi possono sfruttare questa ulteriore via.
84-92: GLI ELEMENTI PRIMORDIALI
Ci si interroga su come sia possibile la presenza degli elementi più pesanti, data l’instabilità di tutti i loro isotopi. La spiegazione che viene proposta è che la loro formazione avvenga secondo processi s ed r, che hanno comunque tempi minori del loro tempo di decadimento.
93-…: I TRANSURANICI
Gli elementi dopo l’uranio vengono di norma prodotti artificialmente, bombardando elementi pesanti o con neutroni o con raggi α, ma alcuni di essi si trovano anche in natura: nettunio e plutonio si formano nei minerali di uranio per decadimento β- di quest’ultimo, il californio attraverso processi di cattura neutronica. I successivi sono ottenuti solo artificialmente. Quindi questa sarebbe una nucleosintesi artificiale.
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