Gli scienziati hanno appena creato la forma più leggera al mondo di magnesio - un isotopo mai visto prima con solo sei neutroni nei suoi nuclei atomici - all'interno di un gigantesco frantumatore di atomi.

E mentre la sostanza si disintegra troppo velocemente per essere misurata direttamente, i ricercatori si aspettano che la loro scoperta aiuterà gli scienziati a capire meglio come sono costruiti gli atomi. Questo perché tali isotopi esotici - versioni di elementi chimici con più o meno neutroni nei loro nuclei rispetto al solito - possono aiutare a definire i limiti dei modelli che gli scienziati usano per capire come funzionano gli atomi. 

"Testando questi modelli per renderli sempre migliori, possiamo estrapolare come funzionano le cose dove non possiamo misurarle", ha detto Kyle Brown, un chimico della Facility for Rare Isotope Beams alla Michigan State University di East Lansing. "Stiamo misurando le cose che possiamo misurare per prevedere quelle che non possiamo misurare".

Il nuovo isotopo del magnesio - chiamato magnesio-18 - non riempirà tutte le lacune nella conoscenza scientifica degli atomi, ma la scoperta aiuterà a perfezionare le teorie che gli scienziati hanno sviluppato per spiegarle, ha detto. In particolare, le misure del team dei prodotti del decadimento radioattivo dell'isotopo danno nuove intuizioni sulle energie di legame degli elettroni che orbitano intorno a un nucleo, secondo un riassunto della ricerca. 

Nuclei atomici

In condizioni normali, il magnesio puro è un metallo grigio morbido con il numero atomico 12, che indica che ha 12 protoni - particelle con una carica positiva - nel suo nucleo. È altamente infiammabile, e l'intensa luce bianca di una striscia di magnesio che brucia spesso abbaglia gli studenti nelle lezioni di chimica.

Come molti elementi chimici, il magnesio ha origine nelle reazioni di fusione delle stelle che invecchiano, e si trova sulla Terra perché quelle stelle morte da tempo sono esplose come supernove e hanno "seminato" le nubi interstellari che hanno formato il nostro sistema solare. Il magnesio è relativamente abbondante nella crosta terrestre e ha un importante ruolo chimico in molti composti biologici e industriali.

L'isotopo stabile più comune del magnesio ha 12 neutroni - particelle con una carica neutra - in ogni nucleo, dando a questa versione dell'elemento una massa atomica di 24. Come risultato, è chiamato magnesio-24. 

Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno accelerato un fascio di nuclei di magnesio-24 a circa la metà della velocità della luce all'interno del National Superconducting Cyclotron Laboratory alla MSU - un acceleratore di particelle circolare ad altissima energia. Hanno poi sparato il fascio ad alta velocità di nuclei di magnesio contro un bersaglio di foglio di metallo fatto di berillio. 

La collisione in quella fase del processo ha prodotto una "zuppa" di isotopi di magnesio più leggeri che i ricercatori hanno potuto selezionare - tra cui l'isotopo instabile magnesio-20, che contiene solo otto neutroni per nucleo e decade radioattivamente in pochi decimi di secondo.

Lavorando contro il tempo, i ricercatori hanno poi sparato i nuclei di magnesio-20 - sempre a circa metà della velocità della luce - contro un altro bersaglio di berillio, a circa 30 metri di distanza.

Uno dei prodotti della collisione risultante era l'isotopo appena scoperto, il magnesio-18 - l'isotopo di magnesio più "leggero" mai visto, con 12 protoni e solo sei neutroni nel suo nucleo.

Isotopo raro

La maggior parte dei nuclei atomici si "ammantano" rapidamente di elettroni - particelle con una carica negativa - dal loro ambiente e diventano atomi elementari, che poi possono combinarsi con atomi di altri tipi per fare composti chimici.

Ma l'isotopo del magnesio-18, appena scoperto, è radicalmente instabile e ha una vita molto breve: Con così pochi neutroni, il nucleo si disgrega rapidamente, con un'emivita - il tempo che impiega la metà dei suoi nuclei a disintegrarsi dal decadimento radioattivo - di meno di un sestilionesimo di secondo, o 10^-21 secondi.

Ciò significa che scompare troppo rapidamente perché un nucleo di magnesio-18 abbia anche solo la possibilità di ammantarsi di elettroni e quindi esiste - e solo molto brevemente - come nucleo "nudo". 

L'isotopo è così a vita breve, infatti, che il magnesio-18 non lascia mai il bersaglio di berillio ma decade al suo interno - e così i ricercatori hanno dedotto la sua presenza dai prodotti rivelatori del suo decadimento: protoni vaganti e gli isotopi neon-16 e ossigeno-14, la dichiarazione ha detto.

"Questo è stato un lavoro di squadra", ha detto Brown. "È piuttosto eccitante - non capita tutti i giorni di scoprire un nuovo isotopo".

Gli scienziati hanno ora identificato diverse migliaia di isotopi dei 118 elementi comuni nella tavola periodica, e altri vengono scoperti ogni anno.

"Stiamo aggiungendo gocce a un secchio, ma sono gocce importanti", ha detto Brown. "Possiamo mettere i nostri nomi su questo, tutta la squadra può farlo. E dico ai miei genitori che ho contribuito a scoprire questo nucleo che nessun altro ha visto prima".

Brown è un autore principale di un articolo che descrive la scoperta pubblicato la scorsa settimana sulla rivista Physical Review Letters. Sono stati coinvolti anche scienziati dell'Università di Pechino in Cina e della Washington University di St. Louis.

Originariamente pubblicato su Live Science.