Una nueva forma de fabricar elementos superpesados ​​podría hacer posible la “isla de estabilidad”

La síntesis de un nuevo elemento superpesado apunta a la tan buscada «isla de estabilidad»

Por Max Springer

En el caso de los nuevos elementos pesados ​​creados por el hombre en la tabla periódica, ser “demasiado ‘grande’ para su propio bien” a menudo significa inestabilidad y una existencia fugaz. Cuantos más protones y neutrones aprietan los científicos para construir un núcleo atómico “superpesado” (uno con un número total de protones mayor que 103), más frágil tiende a ser el elemento resultante. Hasta ahora, todos los elementos superpesados Los seres humanos han logrado desintegrarse casi instantáneamente. Sin embargo, los investigadores que sintetizaron átomos tan pesados ​​mediante un acelerador de partículas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han dado un paso importante hacia la esquiva “isla de estabilidad”—una región hipotética de la tabla periódica donde nuevos elementos superpesados ​​podrían finalmente perdurar lo suficiente como para romper la tendencia.

El equipo logró forjar con éxito el elemento 116, livermorium, utilizando un método novedoso que involucra titanio 50, un isótopo raro que constituye aproximadamente el 5 por ciento de todo el titanio en la Tierra. Al calentar este titanio a 3.000 grados Fahrenheit y canalizarlo en un haz de alta energía, los investigadores pudieron lanzar esta corriente de partículas a otros átomos para crear elementos superpesados. Aunque el livermorium ya se había fabricado antes utilizando otras técnicas, este enfoque innovador allana el camino para la síntesis de nuevos elementos, incluso más pesados, lo que podría ampliar la tabla periódica.

“Este logro es verdaderamente revolucionario”, afirma Hiromitsu Haba, investigador del Centro RIKEN Nishina para la Ciencia Basada en Aceleradores en Japón, que no participó en el estudio. Haba añade que esta hazaña es “necesaria para seguir descubriendo nuevos elementos”. El trabajo se presentó en la conferencia Nuclear Structure de julio y actualmente está siendo revisado en la revista Cartas de revisión física.

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La matemática “simple” de la fusión superpesada

El Laboratorio Berkeley alberga el Ciclotrón de 88 pulgadas, un dispositivo que genera un campo electromagnético para empujar a los núcleos atómicos a desprenderse de algunos de los electrones que los rodean y lanzarse a gran velocidad hacia otros átomos estacionarios. Con estas máquinas, la síntesis de elementos superpesados ​​se reduce a una simple operación matemática: para formar un elemento con 116 protones, es necesario fusionar dos núcleos atómicos con esa suma total de protones entre ellos. Sin embargo, como suele ocurrir con la física nuclear, el proceso no es tan simple como parece. exactamente tan sencillo.

Tradicionalmente, el calcio 48 ha sido el isótopo de referencia para las reacciones de fusión superpesada debido a su naturaleza “doblemente mágica”. Los núcleos atómicos están rodeados por capas orbitales de electrones giratorios; los núcleos que poseen “números mágicos” de protones o neutrones que llenan completamente una capa son muy estables, y los que tienen números “doblemente mágicos” de ambos Los tipos de partículas son excepcionalmente así. Pero el bajo recuento de protones del calcio 48 limita su utilidad para crear elementos más pesados. El elemento estable más pesado que se puede combinar con el calcio 48 (20 protones) es el curio (96 protones), lo que da como resultado el livermorio (116 protones). Si bien el calcio 48 y el berkelio más pesado (97 protones) se han utilizado para sintetizar el elemento 117, el berkelio “es extremadamente difícil de producir”, dice Witold Nazarewicz, científico jefe de la Instalación de haces de isótopos raros en la Universidad Estatal de Michigan, que no participó en el nuevo estudio. “Si queremos crear la mayoría de los elementos más pesados, necesitamos un haz con más protones”. [than calcium 48].”

Para crear este haz, el equipo de investigación recurrió al titanio 50 e intentó fusionarlo con plutonio para producir livermorio. “Hasta que realizamos este experimento, nadie sabía lo fácil o difícil que sería fabricar cosas con titanio”, subraya Jacklyn Gates, líder del Grupo de Elementos Pesados ​​del Laboratorio Berkeley y autora principal del estudio.

A diferencia del doblemente mágico y altamente estable calcio 48, el titanio 50 es claramente no mágico y carece de una estabilidad extrema. También tiene un punto de fusión casi el doble que el del calcio, lo que hace que sea más difícil trabajar con él. Y la menor estabilidad de los átomos de titanio 50 disminuye la probabilidad de fusiones exitosas, incluso cuando ocurren colisiones. “Es la diferencia entre ver un átomo sintetizado todos los días en comparación con cada 10 días o peor”, explica Gates. A pesar de estos desafíos, el titanio 50 emergió como el siguiente mejor candidato porque ofrecía la esperanza de crear elementos superpesados ​​más allá del alcance del calcio.

Una vez preparados los isótopos y en funcionamiento el ciclotrón, el proceso se convirtió en una cuestión de espera. Si se disparaba continuamente el haz de titanio contra un objetivo de uranio, la probabilidad de lograr cualquier colisión entre dos núcleos era extremadamente pequeña. “Si se hace estallar un átomo hasta que alcanza el tamaño de un campo de fútbol, ​​el núcleo es del tamaño de un guisante”, afirma Gates. “Estamos disparando seis billones de partículas de titanio por segundo contra nuestro objetivo sólo para tener una posibilidad estadística de acercarnos al núcleo”.

Este bombardeo de alta intensidad y la rareza de colisiones exitosas significaron que sintetizar cantidades detectables del livermorio deseado tomó 22 días.

En busca de la isla de la estabilidad

El uso exitoso del titanio 50 marca un avance considerable en el campo de la síntesis de elementos superpesados. Además de demostrar la viabilidad fundamental de la técnica, este experimento también proporciona datos críticos sobre las “secciones transversales” asociadas con un haz de partículas de titanio 50. (Una sección transversal es una medida de la probabilidad de un resultado específico, como la fusión del livermorio, cuando dos partículas chocan, en función de la energía de la colisión).

Con esta base, el próximo objetivo ambicioso para la fusión del titanio 50 es la creación del elemento 120, que requerirá colisiones con californio. El elemento 120 sería el elemento más pesado creado hasta ahora y el primero en la octava fila de la tabla periódica. Según algunos modelos, el elemento también debería tener una vida relativamente larga, lo que lo convierte en una cabeza de playa en la tan buscada isla de la estabilidad. Aunque los modelos teóricos brindan poca certeza en cuanto a la energía exacta requerida para su síntesis a partir del titanio, estos resultados precursores ofrecen información valiosa.[This study] Obtuvieron resultados experimentales de sección transversal y ahora saben qué [theoretical] “El modelo es el más fiable”, explica Nazarewicz. Haba añade: “Estamos buscando núcleos en el régimen extremo, que todavía es difícil de predecir teóricamente… Sin embargo, no hay absolutamente ninguna razón por la que el elemento 120 no pueda sintetizarse con este método”.

Aunque la creación de este nuevo elemento puede tardar años, el posible descubrimiento promete nuevos conocimientos sobre las capas de electrones y la tabla periódica, lo que podría tener implicaciones de largo alcance para la física nuclear, la ciencia de los materiales y otros campos. orbitales g“Es como acceder a una parte completamente nueva de la química”, dice Gates, refiriéndose a una nueva configuración teórica de electrones que nunca se había observado.