Guardando più da vicino l’argon

Non smette mai di stupirmi quanto possa essere stupido!

Ho appena passato tre anni a fare ogni tipo di misurazioni di precisione sul gas argon, ma c’è voluta un’osservazione casuale di Andrew Marmary in un breve filmato su RI Channel per avvisarmi di un semplice fatto sorprendente: gli atomi di argon – con 18 protoni in ogni nucleo sono in media più pesanti degli atomi di potassio che hanno un protone in più in ogni nucleo. È un fatto semplice che nasconde una storia notevole!

La massa relativa degli atomi di ogni elemento è tabulata alla fine di questo articolo, e mostrata come grafico in cima alla pagina. Il numero atomico è il numero di protoni nel nucleo di ogni atomo e la massa atomica relativa è – molto approssimativamente – il numero combinato di neutroni e protoni nel nucleo. Così, per esempio, un atomo di idrogeno ha 1 protone e nessun neutrone ha una massa atomica relativa di 1. Gli atomi di elio hanno 2 protoni e 2 neutroni, una massa atomica relativa di 4. Il grafico mostra che gli atomi con più protoni nel nucleo tendono ad avere circa un neutrone extra per ogni protone extra – ma non esattamente uno. Si noti che le masse atomiche relative non cadono esattamente sulla linea rossa tratteggiata, ma “ondeggiano” un po’. E alcuni atomi come il cloro – con 17 protoni – hanno una massa atomica relativa di 35,45 che non si avvicina affatto a un numero intero. Un nucleo di cloro contiene una frazione di neutrone? No. Ma per capire questo dobbiamo conoscere gli isotopi

Anche gli elementi puri contengono atomi con diversi numeri di neutroni. Il cloro naturale, per esempio, ha due isotopi entrambi con 17 protoni, ma uno ha 18 neutroni e una massa relativa di circa 35 e l’altro ha 20 neutroni e una massa relativa di circa 37. Il primo tipo supera il secondo di circa 3 a 1, quindi la massa media degli atomi di cloro risulta essere circa 35,5.

E l’argon? Anche quello ha isotopi? Sì. L’argon nell’atmosfera ha tre isotopi. L’argon nell’atmosfera ha tre isotopi, tutti con 18 protoni – ma un tipo (chiamato 36Ar) ha 18 neutroni e una massa relativa di circa 36; un secondo tipo (chiamato 38Ar) ha 20 neutroni e una massa relativa di circa 38, e il tipo finale e più comune (chiamato 40Ar) ha 22 neutroni e una massa relativa di circa 40. Le misurazioni effettuate dai miei colleghi dello Scottish Universities Environmental Research Centre hanno dimostrato che nell’argon normale c’è circa 300 volte più 40Ar che 36Ar – e che il 38Ar è ancora più raro. Questo è il motivo per cui la massa atomica media è poco meno di 40.

Il fatto sorprendente è che se avessimo fatto questa misurazione 4 miliardi di anni fa, quando la Terra si è formata, o se avessimo fatto la misurazione sul gas argon di un altro pianeta – avremmo ottenuto una risposta diversa – una risposta molto più vicina a 36. Questo perché l’argon “naturale” è in realtà il 36Ar. Se ri-tracciamo i dati sperimentali dalla testa della pagina, ma con una massa di 36 per l’argon invece del valore sperimentale, allora vediamo che il punto si adatta perfettamente alla linea.

Da dove viene tutto il 40Ar? La risposta è che proveniva dal decadimento radioattivo del potassio-40 (40K). La maggior parte del potassio sulla Terra ha 20 neutroni (39K) dando al potassio una massa relativa vicina a 39. Tuttavia, c’è una piccola quantità di potassio con 22 neutroni (41K) dando al potassio una massa relativa leggermente superiore a 39. Inoltre c’è una quantità ancora più piccola di potassio con 21 neutroni (40K) e questo isotopo è radioattivo, e decade in 40Ar con un’emivita di circa 1,2 miliardi di anni. Quindi, nel corso dei 4 miliardi di anni di storia della Terra, circa il 90% del nostro dono originale di 40K è decaduto in 40Ar

Nel sistema solare, l’argon è effettivamente più comune del potassio, ma sulla Terra il potassio è molto più abbondante dell’argon. E così, anche se (40K) è una piccola frazione degli atomi di potassio sulla Terra – c’è così tanto potassio (circa 1/500 della Terra in peso) che il 40Ar dal decadimento radioattivo del 40K è ora l’isotopo dominante dell’argon sulla Terra.

Così il grafico in testa alla pagina sembra muto, ma se uno può leggere i dati e individuare i modelli, si scopre che il grafico parla molto. Parla della storia della Terra e della nascita degli elementi nella morte delle stelle (Nucleosintesi). Wow! E come ho fatto a non notarlo?

Dati Ho preso i dati qui sotto da Wikipedia, quindi so che devono essere corretti 🙂