Il Litio: Origine e ruolo nello spazio

Diego Tesauro

La maggior parte dell’opinione pubblica, fino a non molti decenni fa, non aveva una grande familiarità con il litio che invece riscontrava l’interesse di scienziati di tutte le discipline, oltre naturalmente dei chimici, dai biologi, ai medici e soprattutto ai fisici e agli astronomi per le sue proprietà e i suoi impieghi specifici. Lo sviluppo delle batterie per le apparecchiature elettroniche, l’ha fatto assurgere agli onori della conoscenza di un più vasto pubblico. Ma quale è la sua abbondanza sul nostro pianeta? Il litio, terzo elemento della tavola periodica, di conseguenza tra gli elementi più leggeri, contrariamente a quanto si possa immaginare, non è un elemento particolarmente abbondante in natura. E’ presente in 65 ppm (in numero di atomi, circa 20 ppm in massa) nella crosta terrestre. (è solo il 25° elemento per abbondanza) E’ però un elemento essenziale, negli organismi viventi; è infatti presente tra le 21 e le 763 ppb nei tessuti e nei liquidi corporei . Fra tutti gli isotopi solo due sono stabili 6Li e 7Li in una distribuzione percentuale 7.60% contro il 92.40%. I minerali che lo contengono però possono presentare percentuali diverse in quanto i due isotopi sono sensibili alla separazione nei processi geologici di formazione dei minerali stessi o di scambio ionico, a causa della loro differenza, relativamente grande, di massa. Gli ioni Litio spiazzano il magnesio o il ferro in strutture ottaedriche nelle argille il litio-6 è qualche volta preferito al litio-7. Inoltre la differenza di distribuzione nei prodotti commerciali è dettata dall’estrazione dell’isotopo 6Li per scopi militari. Infatti da questo isotopo viene prodotto il Trizio alla base dei processi di fusione di nucleare attivi nelle testate nucleari a fusione. Nel sistema solare ha la stessa abbondanza oppure è presente in percentuali ancora minori?

Abbondanza dei nuclei a seguito della nucleosintesi nelle prime tre ore dopo il Bing bang . Il Litio si è formato dopo tre minuti, quando la temperatura è scesa sotto il miliardo di gradi.

Come si può vedere dal grafico su scala logaritmica il Litio è fra gli elementi più rari. Questa sua scarsa abbondanza è dovuta ad una “fragilità” del litio nei nuclei caldi delle stelle. Infatti i nuclei di litio partecipano alla sintesi dell’elio nella seconda reazione catena della catena protone-protone (vedi figura) a temperature relativamente basse (di qualche milione di gradi) e si esaurisce nei nuclei delle stelle. Da dove proviene allora il Litio presente sulla Terra? Questa domanda non ha una risposta univoca e soprattutto del tutto certa. Bisogna innanzitutto notare che il litio è uno dei pochi elementi presenti nell’universo (con idrogeno ed elio) che si è formato subito dopo il “Big Bang” nei primi tre minuti di esistenza dell’Universo nella cosiddetta fase fotonica [1]. Il Litio-7 si forma a seguito di un decadimento b+ del Berillio-7 prodottosi dalla fusione di un nucleo di 3He con 4He. Secondo la teoria della nucleosintesi standard la sua presenza in questa fase è stimata in rapporto in 10−10 relativamente all’ idrogeno.

Schema delle tre vie sintetiche seguite per la fusione dell’idrogeno in elio. Il Litio-7 è coivolto nella seconda via nell’ultimo step della reazione.

La determinazione di questa abbondanza “cosmica” (cioè primordiale) di litio è una delle prove del Big Bang stesso. I dati possono venire confermati osservando stelle molto vecchie di seconda popolazione (generatasi non da materia proveniente da altre stelle, ma dalla materia primordiale) molto rare nella nostra galassia presenti nell’alone galattico. Ebbene i dati risultano in contrasto con le stime teoriche (che invece sono confermate pienamente per l’elio e l’idrogeno) in quanto si osserva un’abbondanza circa 3 volte inferiore rispetto a quanto atteso. Una risposta non è, anche in questo caso, univoca e potrebbe risiedere in molte possibilità legate alla conoscenza dei processi di arricchimento di neutroni nella materia ad elevate temperature coinvolgendo il modello standard fino alla cosiddetta “materia oscura”. Nelle stelle invece più giovani il litio è quasi del tutto assente in quanto l’isotopo 7Li, fondendosi con un protone a temperature relativamente basse per le stelle di 2,5 milioni di gradi, genera due nuclei di 4He. E’ pertanto possibile rilevarlo nelle stelle come il Sole, solo nelle atmosfere stellari (in particolare nelle zone chiamate fotosfere dove ci giunge la radiazione nella lunghezza d’onda del visibile), che non presentano moti convettivi profondi di gas con zone confinanti dove sono in atto processi di fusione. In questo caso, il rimescolamento del gas provoca una sua scarsità anche nelle atmosfere di stelle giovani come le nane rosse (https://it.wikipedia.org/wiki/Nana_rossa). Queste ultime vengono riconosciute proprio dalla mancanza di litio e distinte da altre tipologie stellari come le nane brune (https://it.wikipedia.org/wiki/Nana_bruna) di dimensioni ancora inferiori. A questa scarsità di litio primordiale e nelle stelle più giovani, fa da contrappeso una presenza maggiore nella materia interstellare in prossimità del sistema solare. In questi ambiti si riscontra un’abbondanza di litio superiore al valore cosmico-. Ciò significa che ci sono stelle che producono litio e lo allontanano dalle zone più calde e successivamente lo espellono nello spazio interstellare prima che possa ulteriormente reagire con un protone. Questi meccanismi sono presenti nelle fase evolutive terminali di stelle di piccola massa. Analogamente nelle stelle giganti rosse, che sono al termine della loro fase evolutiva, nell’atmosfera si riscontra una quantità di litio maggiore rispetto a quanto previsto [2]. La ricerca e i modelli da sviluppare necessitano quindi ancora di essere ulteriormente affinati per poter rispondere a tutte le domande sulla presenza del litio nell’universo.

[1] B.D. Fields The Primordial Lithium Problem Annual Reviews of Nuclear and Particle Science 2011 1-29

[2] H.L. Yan et al. The nature of the lithium enrichment in the most Li-rich giant star Nature Astronomy 2018, 2, 790–795.

2 pensieri su “Il Litio: Origine e ruolo nello spazio

  1. Una nota a margine sul tema delle ‘scie chimiche’. Tra i fautori di questa ‘tesi’ fanta-scie-ntifica circolò, pochi anni fa, la voce, peraltro accreditata citando la NASA come fonte della notizia, che l’atmosfera fosse irrorata con il litio. In verità, da una ricerca fatta sul sito della NASA, verificai che la notizia era vera: in alcuni esperimenti il litio era stato adoperato (non so se ancora lo sia) come tracciante per studiare i venti dell’alta atmosfera. La versione complottista – va da sé – era che il litio, noto agente psicotropo, veniva ‘sparso’ nell’alta atmosfera per condizionare i comportamenti degli abitanti del globo terrestre! Il dettaglio omesso da questi signori, non so se per ignoranza o malafede, è che il carbonato di litio viene realmente adoperato nella terapia sintomatica della sindrome bipolare. Però è carbonato di litio. Ma si sa, per i complottisti il passaggio da carbonato di litio a litio è breve.

  2. Pingback: Elementi della tavola periodica: Berillio, Be. Parte seconda | La Chimica e la Società

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