La trasmutazione è l’atto di cambiare una sostanza, tangibile o intangibile, da una forma o stato in un altro. Per gli alchimisti di un tempo, questo significava la conversione di una sostanza fisica in un’altra, in particolare i metalli di base come il piombo in argento e oro preziosi. Per gli scienziati moderni, questo significa la trasformazione di un elemento in un altro attraverso uno o una serie di decadimenti o reazioni nucleari.
Anche se la gente lavorava con oro, argento, rame, ferro, stagno, piombo, carbonio, zolfo e mercurio nei tempi antichi, aveva poca comprensione della chimica e poteva scrivere poco su di essa. A quel tempo la chimica era un’arte, non una scienza. Gli egiziani furono i primi a produrre una vasta documentazione scritta delle procedure chimiche, all’inizio dell’era cristiana, e l’Egitto è generalmente identificato come il luogo di nascita della chimica. Questi scritti indicano che lo sviluppo di metodi per trasmutare una sostanza in un’altra era uno dei primi obiettivi principali delle loro indagini. Durante le diverse centinaia di anni che seguirono questi scritti, gli alchimisti cercarono di sviluppare schemi per trasmutare i metalli di base in oro e argento attraverso varie manipolazioni chimiche di miscele e distillazioni. Gli alchimisti erano stimolati da quello che sembrava essere un certo successo – per esempio, la produzione di piccolissime quantità d’oro dal minerale di piombo con le loro procedure chimiche. (Quest’oro era senza dubbio presente in tracce nei minerali originali e non fu prodotto per trasmutazione). L’ultima follia degli alchimisti si manifestò durante il Medioevo con la ricerca della pietra filosofale, una sostanza che poteva essere mescolata con i metalli di base e, attraverso la purificazione, convertirli in oro. Non fu mai trovata.
Poiché ogni elemento ha un numero diverso ma fisso di protoni nel nucleo dell’atomo, che è il numero atomico, la trasmutazione di un elemento chimico in un altro comporta il cambiamento di questo numero. Una tale reazione nucleare richiede milioni di volte più energia di quella disponibile attraverso le reazioni chimiche. Così, il sogno dell’alchimista di trasmutare il piombo in oro non fu mai chimicamente realizzabile.
Anche se gli alchimisti non riuscirono a trovare un metodo per la trasmutazione dei metalli di base in metalli preziosi, una serie di importanti processi chimici risultarono dai loro sforzi. Per esempio, estrassero i metalli dai minerali; produssero una serie di acidi e basi inorganiche che in seguito divennero importanti dal punto di vista commerciale; e svilupparono le tecniche di fusione, calcinazione, soluzione, filtrazione, cristallizzazione, sublimazione e, soprattutto, distillazione. Durante il Medioevo, cominciarono a cercare di sistematizzare i risultati dei loro esperimenti primitivi e i loro frammenti di informazioni per spiegare o prevedere le reazioni chimiche tra le sostanze. Così apparve l’idea degli elementi chimici e le prime forme primitive della tavola periodica chimica.
Ironicamente, le trasmutazioni nucleari stavano avvenendo praticamente sotto il naso degli alchimisti (o sotto i loro piedi), ma essi non avevano né i metodi per rilevare né le conoscenze per utilizzare questi eventi. La scoperta del processo di trasmutazione nucleare fu strettamente legata alla scoperta della radioattività da parte di Henri Becquerel nel 1896. Le trasmutazioni nucleari avvengono durante il decadimento radioattivo spontaneo del torio e dell’uranio presenti in natura (numeri atomici 90 e 92, rispettivamente) e il decadimento radioattivo
i prodotti figli del loro decadimento, cioè la serie del decadimento naturale. Come esempio, la serie di decadimento di 232 Th è mostrata nella figura 1. L’apice 232 rappresenta la massa atomica, che è il numero totale di protoni e neutroni nel nucleo dell’atomo. In questa serie di decadimenti, un nucleo di 232 Th inizia il processo emettendo spontaneamente una particella α (un nucleo di He contenente due protoni e due neutroni). Questa reazione trasmuta il nucleo Th in un nucleo con due protoni e due neutroni in meno, cioè 228 Ra. Poi il nucleo 228 Ra emette spontaneamente una particella β (un elettrone), che converte un neutrone nel nucleo in un protone, aumentando il numero atomico del nucleo risultante di uno senza cambiamento di massa atomica, ottenendo 228 Ac. Questa sequenza di decadimenti successivi α e β continua da un elemento all’altro fino a produrre il nucleo stabile 208 Pb (vedi figura 1). Esistono anche altre due catene di decadimento naturali, una che inizia con 235 U (la serie dell’attinio) e una che inizia con 238 U (la serie dell’uranio). Oltre a queste tre serie di decadimenti, esistono in natura altri quattordici isotopi radioattivi, che vanno da 40 K a 190 Pt, che trasmutano per decadimento in elementi stabili.
L’idea della trasmutazione degli elementi nelle catene di decadimento naturale non ha accompagnato la scoperta della radioattività da parte di Becquerel. Tuttavia, Marie e Pierre Curie estesero le indagini di Becquerel usando una varietà di
Minerali di U e trovarono che le proprietà radioattive non erano una funzione delle forme fisiche o chimiche dell’uranio, ma proprietà dell’elemento stesso. Usando metodi di separazione chimica, isolarono due nuove sostanze radioattive associate ai minerali U nel 1898 e le chiamarono polonio e radio. Nel 1902 Ernest Rutherford e Frederick Soddy spiegarono la natura del processo che avviene nelle catene di decadimento naturale come i decadimenti radioattivi di U e Th per produrre nuove sostanze per trasmutazione.
Lord Rutherford e il suo gruppo di scienziati furono i primi a produrre e rilevare trasmutazioni nucleari artificiali nel 1919. Bombardò l’azoto nell’aria con le particelle α emesse nel decadimento del 214 Po. La reazione di trasmutazione comportava l’assorbimento di una particella α da parte dei 14 nuclei N per produrre 17 O e un protone (un nucleo di idrogeno). Questa reazione può essere scritta come
14 N + 4 He → 17 O + 1 H
Lord Rutherford fu in grado di rilevare e identificare i protoni prodotti in questa reazione nucleare e quindi dimostrare il processo di trasmutazione.
Fino al 1934, solo gli elementi radioattivi presenti in natura erano disponibili per lo studio. Tuttavia, nel gennaio di quell’anno, Irene Curie (figlia di Marie Curie) e Frederic Joliot riferirono che campioni di boro e alluminio furono resi radioattivi bombardandoli con particelle α di polonio per produrre i due nuovi prodotti radioattivi, 13 N e 30 P rispettivamente. Questa scoperta stabilì i nuovi campi della chimica nucleare e della radiochimica e innescò la loro rapida crescita.
Con lo sviluppo dei reattori nucleari e degli acceleratori di particelle cariche (comunemente chiamati “atom smashers”) nella seconda metà del ventesimo secolo, la trasmutazione di un elemento in un altro è diventata comune. Infatti, circa due dozzine di elementi sintetici con un numero atomico superiore a quello dell’uranio naturale sono stati prodotti da reazioni di trasmutazione nucleare. Così, in linea di principio, è possibile realizzare il sogno dell’alchimista di trasmutare il piombo in oro, ma il costo di produzione tramite reazioni di trasmutazione nucleare supererebbe di gran lunga il valore dell’oro.