Elementi della tavola periodica: Piombo, Pb. 3. Origine del piombo.

Diego Tesauro

(i precedenti post di questa serie sono qui e qui)

Il piombo è, fra gli elementi della tavola periodica, l’elemento con massa atomica maggiore più conosciuto e con maggiori applicazioni artigianali ed industriali fin dalle epoche storiche più antiche. Il numero atomico 82 è indice infatti di un nucleo atomico pesante, di conseguenza, secondo quanto evidenzia la teoria della nucleosintesi degli elementi, non dovrebbe essere particolarmente diffuso.

Figura 1 Abbondanza degli elementi nell’universo

Invece sia nello spazio (figura 1) , sia nel sistema solare, che sulla Terra ha una consistente presenza. Infatti per massa, sulla crosta terrestre, è il 43° elemento con 12 ppm in massa. Come tutti i nuclei con numero di massa superiore a 56, si è formato nell’universo a partire da elementi più leggeri con reazioni di nucleosintesi con un processo endoergonico. Pertanto non si forma nel nucleo delle stelle, dove avvengono le reazioni di fusione nucleare da decine a centinaia di milioni di gradi, ma nell’atmosfera delle stelle nelle fasi finali della loro evoluzione. Gli isotopi del piombo si sono formati con un processo s (https://it.wikipedia.org/wiki/Processo_s) ed in misura minore a seguito della fusione di stelle di neutroni. Come già riportato in un altro intervento, per la formazione dell’oro, il processo s avviene per acquisizione lenta di neutroni prodotti dalla fusione negli strati interni di una stella gigante rossa del ¹³C con un nucleo di ⁴He per produrre ossigeno l’isotopo ¹⁶O. Questo processo fu osservato, confermando i dati teorici [1], quasi venti anni fa osservando una gigante rossa a bassa metallicità (di conseguenza appartenenti alla seconda popolazione stellare) del braccio asintotico delle giganti (AGB stars) [2], fase evolutiva estrema di stelle di piccola massa, quale il Sole, prima di evolvere in nebulosa planetaria come si può osservare nella figura 2.

Figura 2 Cammino evolutivo che percorrerà il Sole sul diagramma Luminosità-Classe spettrale (temperatura fotosferica). In Rosso le fasi in cui produrrà energia mediante fusione nucleare di elementi leggeri in elementi più pesanti; in Blu le fasi finali in cui prevarrà la forza di gravità bilanciata soltanto dalle condizioni quantomeccaniche degli elettroni e dei nuclei atomici. La fase di Gigante sul braccio asintotico è la fase finale in cui il Sole sarà diecimila volte più luminoso rispetto alla fase attuale per poi disperdere gli strati esterni come nebulosa planetaria e concludere la sua evoluzione come nana bianca

Dalle stelle giganti, come gli altri elementi che si formano da questi processi, il piombo viene liberato nello spazio determinando un evoluzione chimica della galassia [3] ed “inquinando” nebulose molecolari dalle quali si formano nuove stelle e sistemi planetari che quindi avranno, fra gli elementi costitutivi, il piombo. Il piombo quindi lo ritroviamo nel sistema solare e naturalmente sulla Terra. Il piombo è presente sulla crosta terrestre mediamente come una miscela di quattro isotopi stabili: ²⁰⁴Pb (abbondanza: 1,4%), ²⁰⁶Pb (24,1%), ²⁰⁷Pb (22,1%) e ²⁰⁸Pb (52,4%). La particolarità di questo elemento è che gli isotopi ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb e ²⁰⁸Pb sono radiogenici, cioè sono il prodotto finale di tre catene di decadimenti radioattivi che hanno inizio rispettivamente da ²³⁸U, ²³⁵U e ²³²Th. Le emivite di questi tre processi sono rispettivamente 4,47 × 10⁹ anni, 7,04 × 10⁸ anni e 1,4 × 10¹⁰ anni. Di conseguenza il piombo presente nell’universo proviene anche dal decadimento radioattivo di elementi più pesanti. L’essere quindi il terminale delle tre serie radioattive permette sia ai geologi che agli astronomi di avere importanti mezzi di datazione dei corpi del sistema solare e delle rocce. Una delle metodologie più usate è basata sul sistema Piombo/Uranio. Il decadimento dell’uranio nel piombo permette la datazione delle rocce in quanto nello zircone (un silicato di zirconio ZrSiO₄) alla formazione del cristallo sono presenti solo eventualmente degli ioni uranio che sostituiscono lo ione zirconio mentre è assente il piombo. Per cui, la quantità di piombo rivenuto nel cristallo, permette di risalire all’epoca di formazione del cristallo stesso e di conseguenza della roccia che contiene lo zircone. Un altro metodo di datazione utilizzato, particolarmente nella datazione dei meteoriti, si basa sul rapporto ²⁰⁴Pb con il ²⁰⁷Pb e il ²⁰⁶Pb. Non essendo il primo isotopo radiogenico, nel tempo aumenterà la quantità degli altri due isotopi. Mediante questo sistema di datazione è stato possibile determinare anche l’età della Terra e fissarla approssimativamente in 4.55 miliardi di anni. Recentemente studi sull’evoluzione del piombo hanno anche permesso ai planetologi di avere ulteriori informazioni sul mantello del pianeta Marte, particolarmente difficile da studiare per il basso rapporto di ²³⁸U/ ²⁰⁴Pb [4]. Il piombo pertanto può essere considerato senza dubbio il più importante fra gli elementi pesanti per poter ampliare le conoscenze sulla storia e sull’evoluzione del sistema solare e della Terra.

1 M. Busso, R. Gallino “s-Process Abundances in AGB Stars At Various Metallicities and Their Theoretical Interpretation” Nuclear Physics 1997, A621, 431c-434c

2 Wako Aoki, Sean G. Ryan, et al. “Neutron Capture Elements In S-Process rich, Very Metal-Poor Stars” The Astrophysical Journal, 2001, 561, 346-363.

3 C. Travaglio, R. Gallino M. Busso, “Galatic Chemical Evolution of Lead: the Role of Asymptotic Giant Branch Stars” Nuclear Physics 2001, A688, 213c-216c

4 JJ Bellucci, A.A. Nemchin et al. “Pb evolution in Martian Mantle” Earth Planetary Science Letter 2018, 485, 79-87.