Il fluoro è un elemento chimico molto particolare: il seguente grafico delle abbondanze cosmiche mostra che è singolarmente raro, nonostante si trovi fra gli elementi più leggeri della tavola periodica.
Litio, berillio e boro meritano un discorso a parte, che faremo più avanti.
Grafico dell'abbondanza cosmica degli elementi. Si noti che la scala è logaritmica!
Il fatto è che il fluoro viene sì prodotto nei nuclei delle stelle, ma reagisce così bene con le particelle alfa, con protoni liberi e neutroni liberi, che subito dopo la sua formazione viene quasi totalmente consumato per formare altri elementi !
Le tre reazioni che consumano il fluoro sono le seguenti:
19F + p -> 16O + α
19F + n -> 20F + γ
19F + α -> 22Ne + p
Inoltre il fluoro possiede un solo isotopo stabile, a differenza di quasi tutti gli altri elementi, quindi gli isotopi instabili del fluoro, se pur si formano, decadono in altri elementi più leggeri.
Insomma, il fluoro è un po' il Calimero della tavola periodica … sarà per questo che ha un caratterino (chimico) così difficile? 😉
Paradossalmente, alla luce di queste conoscenze, il mistero del fluoro si pone in termini rovesciati: perché esiste del fluoro nell'Universo? Chi lo produce? Con quali meccanismi riesce a sopravvivere e a diffondersi?
Lo scenario più probabile è che il fluoro esistente sia quello che riesce in qualche modo a sfuggire dalle profondità delle stelle prima che venga consumato. Le candidate sorgenti quindi sono le stelle di carbonio durante i loro rimescolamenti (dredge-up) e le stelle di Wolf-Rayet, che hanno venti stellari massivi e impetuosi.
Secondo recenti ipotesi, un altro scenario in cui è possibile che si formi il fluoro è nelle esplosioni delle supernovae: il fiotto di neutrini che sfugge dalla catastrofe stellare può reagire con il neon:
20Ne + ν -> 19F + p
Torniamo per un momento al grafico iniziale: è interessante rilevare che l'andamento a dente di sega è una conseguenza del fatto che i nuclei con un numero pari di protoni sono più stabili (e quindi più abbondanti) rispetto a quelli che hanno un protone spaiato (regola di Oddo-Harkins).
La vistosa carenza di litio berillio e boro di cui si accennava all'inizio, invece, ha tutt'altra spiegazione.
Esistono moltissime varianti della tavola periodica, diversamente colorate per riflettere le caratteristiche chimiche e fisiche degli elementi (densità, elettronegatività, punto di fusione, ecc.). La seguente, però, è speciale.
Quasi mai si vede una tavola periodica che riporta il … marchio di fabbrica degli elementi !
Tavola periodica dell'origine degli elementi, tratta da Wikipedia
In particolare si vede che idrogeno ed elio (ed una piccola frazione di litio) sono nati con l'Universo, mentre tutti gli altri sono stati sintetizzati successivamente. In particolare il nucleo di elio costituisce il "mattone" che – per aggiunte successive a partire dal carbonio – forma ossigeno, neon, magnesio, silicio, zolfo, argon, calcio, titanio, cromo, ferro. Infatti ognuno di questi elementi differisce dal precedente di due protoni e due neutroni.
Discorso a parte per litio, berillio e boro: essi non vengono prodotti nelle stelle, come avviene per tutti gli altri elementi, bensì come sottoprodotti dall'urto violentissimo tra i raggi cosmici e la materia interstellare … in pratica da una variante di fissione nucleare.
Tale processo si chiama spallazione e possiamo raffigurarcelo come la classica "spaccata" a biliardo. Se la fissione nucleare è un colpo da maestro dato con un neutrone lento, questo tipo di fissione è invece un colpo violento che lascia sul tavolo frammenti che si muovono a velocità e direzioni diverse, riaggregandosi in forme varie. Questo processo è in grado di spiegare la sovrabbondanza di litio, berillio e boro (e di una manciata di altri isotopi) che si può rilevare nei raggi cosmici, rispetto a ciò che si osserva nelle stelle.
Bellissima spiegazione!