¿Cuál es el elemento más pesado del universo? ¿Existen infinitos elementos? ¿Dónde y cómo se podrían crear elementos superpesados de forma natural?
El elemento más pesado y abundante que se conoce es el uranio, con 92 protones (el número atómico “Z”). Pero los científicos han logrado sintetizar elementos superpesados hasta el oganesón, con un Z de 118. Inmediatamente antes están el livermorio, con 116 protones y el tenesino, que tiene 117.
Todos tienen vidas medias cortas (el tiempo que tarda la mitad de un conjunto de átomos del elemento en desintegrarse), por lo general menos de un segundo y algunos tan cortos como un microsegundo. Crear y detectar tales elementos no es fácil y requiere potentes aceleradores de partículas y mediciones elaboradas.
Pero la forma típica de producir elementos de alto Z está llegando a su límite. En respuesta, un grupo de científicos de Estados Unidos y Europa han ideado un nuevo método para producir elementos superpesados más allá de la técnica dominante existente. Su trabajo, realizado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California, fue publicado en Physical Review Letters.
“Hoy en día, el concepto de una ‘isla de estabilidad’ sigue siendo un tema intrigante, y su posición exacta y su extensión en el diagrama de Segré siguen siendo un tema de estudio activo tanto en física nuclear teórica como experimental”, escribieron J.M. Gates del LBNL y sus colegas en su artículo.
La isla de estabilidad es una región donde los elementos superpesados y sus isótopos (núcleos con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones) pueden tener vidas medias mucho más largas que los elementos cercanos a ella. Se esperaba que esto ocurriera con isótopos cerca de Z=112.
Aunque existen varias técnicas para descubrir elementos superpesados y crear sus isótopos, una de las más fructíferas ha sido bombardear objetivos de la serie de elementos actínidos con un haz de átomos de calcio, específicamente un isótopo de calcio, el 48-calcio (48Ca), que tiene 20 protones y 28 (48 menos 20) neutrones. Los elementos actínidos tienen números de protones de 89 a 103, y el 48Ca es especial porque tiene un “número mágico” tanto de protones como de neutrones, lo que significa que sus números llenan por completo las capas de energía disponibles en el núcleo.
El hecho de que los números de protones y/o neutrones sean mágicos significa que el núcleo es extremadamente estable. Por ejemplo, el 48Ca tiene una vida media de aproximadamente 60 mil millones de billones (6 x 1019) de años, mucho mayor que la edad del universo. En cambio, el 49Ca, con solo un neutrón más, se desintegra a la mitad en aproximadamente nueve minutos.
Estas reacciones se denominan reacciones de “fusión en caliente”. Otra técnica consistía en acelerar haces de isótopos desde el titanio 50 hasta el cinc 70 sobre objetivos de plomo o bismuto, llamadas reacciones de “fusión fría”. Con estas reacciones se descubrieron elementos superpesados hasta el oganesón (Z=118).
Pero el tiempo necesario para producir nuevos elementos superpesados, cuantificados a través de la sección eficaz de la reacción que mide la probabilidad de que se produzcan, llevaba cada vez más tiempo, a veces semanas. Al estar tan cerca de la isla de estabilidad prevista, los científicos necesitan técnicas para ir más allá del oganesón. Los objetivos de einstenio o fermio, superpesados en sí mismos, no pueden producirse en cantidad suficiente para constituir un objetivo adecuado.
“Se necesita un nuevo enfoque de reacción”, escribieron Gates y su equipo. Y eso es lo que encontraron.
Los modelos teóricos del núcleo han predicho con éxito las tasas de producción de elementos superpesados por debajo del oganesón utilizando objetivos de actínidos y haces de isótopos más pesados que el calcio 48. Estos modelos también coinciden en que para producir elementos con Z=119 y Z=120, los haces de 50-titanio funcionarían mejor, ya que tienen las secciones transversales más altas.
Pero los teóricos no han determinado todos los parámetros necesarios, como la energía necesaria de los haces, y los experimentalistas no han medido algunas de las masas necesarias para los modelos. Los números exactos son importantes porque, de lo contrario, las tasas de producción de los elementos superpesados podrían variar enormemente.
Ya se han intentado varios esfuerzos experimentales para producir átomos con números de protones de 119 a 122. Todos han sido insatisfactorios, y los límites que determinaron para las secciones transversales no han permitido restringir diferentes modelos nucleares teóricos. Gates y su equipo investigaron la producción de isótopos de livermorio (Z=116) mediante la emisión de 50-titanio sobre objetivos de 244-Pu (plutonio).
Utilizando el acelerador de ciclotrón de 88 pulgadas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el equipo produjo un haz que promedió 6 billones de iones de titanio por segundo que salieron del ciclotrón. Estos impactaron en el objetivo de plutonio, que tenía un área circular de 12,2 cm, durante un período de 22 días. Tras realizar una serie de mediciones, determinaron que el livermorio 290 se había producido a través de dos cadenas de desintegración nuclear diferentes.
“Esta es la primera producción de un SHE [elemento superpesado] cerca de la isla de estabilidad predicha con un haz distinto del 48-calcio”, concluyeron. La sección eficaz de reacción, o probabilidad de interacción, disminuyó, como se esperaba con los isótopos de haz más pesados, pero “el éxito de esta medición valida que los descubrimientos de nuevos SHE están de hecho al alcance experimental”.
El descubrimiento representa la primera vez que una colisión de núcleos no mágicos ha demostrado el potencial para crear otros átomos e isótopos superpesados (ambos), lo que se espera que allane el camino para futuros descubrimientos. Se sabe que existen alrededor de 110 isótopos de elementos superpesados, pero se espera que haya otros 50 por ahí, esperando a ser descubiertos por nuevas técnicas como esta.
Fuente: Phys.org.