Explorando la isla de elementos superpesados

En los últimos treinta años, los físicos experimentales, han puesto en marcha una expedición para explorar la predicha "isla de elementos superpesados", una región de núcleos cada vez más estables alrededor del número atómico 114.

Figura 1: Una tabla de los núclidos, con un acercamiento a la región de los núcleos superpesados, mostrando los dos isótopos del nuevo elemento 117 y sus cadenas de desintegración (líneas blancas). El gráfico muestra tanto las esperadas (calculadas) regiones de estabilidad como lo indica una mayor barrera de fisión Bf (púrpura más oscuro), como los elementos que se han creado en el laboratorio hasta la fecha (cuadrados de colores). Todos los núcleos se encuentran cerca del valle de estabilidad por encima de la línea gris; los núcleos cerca de la línea gris son estables frente al decaimiento β. Los núcleos compuestos, creados mediante el bombardeo de elementos pesados por otros más livianos, son de color azul y están marcados con *. Núcleos en el gráfico decayendo por emisión α (amarillo), la fisión espontánea (verde), y emisión β+ (rosa). Ilustración: Carin Caín.

Hasta el momento se ha reportado, en promedio, el descubrimiento de un elemento nuevo cada dos años y medio. Ahora, una colaboración ruso-estadounidense dirigida por Yuri Oganessian en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna, Rusia, anuncia en Physical Review Letters su más reciente descubrimiento de un nuevo elemento con número atómico 117. Dos isótopos del nuevo, todavía sin nombre, elemento, fueron producidos a partir de reacciones de fusión nuclear de un haz de iones ⁴⁸Ca que inciden en los núcleos objetivo de ²⁴⁹Bk. Este descubrimiento llena el vacío entre los elementos 116 y 118, de modo que ahora los elementos son continuamente conocidos a partir de hidrógeno hasta el elemento 118, y ofrece la posibilidad de estudiar la isla de estabilidad nuclear más pesada conocida con mayor detalle.

En la región de elementos pesados, el decaimiento se produce principalmente por la emisión de partículas α, la fisión espontánea, y el decaimiento β+ o β-. El tiempo de vida de los núcleos y la forma precisa en que decaen depende de varios factores. El más sencillo de los modelos nucleares, que imagina el núcleo como una gota de líquido cargada, predice que los más estables se encuentran en el "valle de estabilidad", cuyos límites están determinados por la interacción entre las fuerzas nucleares y eléctricas. La figura 1 muestra un gráfico de los elementos más pesados y sus isótopos, en que la línea recta marca la parte inferior del valle de estabilidad en esta región. Los núcleos a lo largo de esta línea son estables frente al decaimiento β.

El arreglo preferido de protones (Z) y neutrones (N) en las capas ofrece un segundo efecto en la estabilidad nuclear, que es análogo a la manera en que los electrones llenan las orbitales atómicas. Las capas completas son energéticamente favorables, y esto modula la suave tendencia de la energía de enlace prevista por el modelo de la gota líquida. Hay una energía de enlace especialmente alta para los núcleos completos con doble capa, es decir, donde las capas de neutrones y protones están ambas completas. El modelo de "capas" hace un buen trabajo de explicar la estabilidad de los núcleos con capas completas de neutrones y protones de 2,8,20,28,50 y 82, y cuando la capa de neutrones se completa en 126. (Helio-4, que tiene una doble capa competa con 2 neutrones y 2 protones, es un ejemplo de un elemento muy estable.) Pero dónde las capas completas se encuentran, en la región de elementos pesados, es más incierto. Varios modelos predicen que debe ocurrir en Z = 114, 120, o 126 para la protones y N = 172 y 184 de los neutrones.

El modelo nuclear de capas explica por qué los núcleos son esféricos en las capas completas y deformados en los casos intermedios. El modelo también predice la barrera energética para un núcleo determinado sometido a fisión. Cuanto mayor sea la barrera de fisión, mayor es el tiempo de vida de fisión. Las barreras más altas de fisión se esperan para los núcleos justo encima de la capa cerrada que se produce en Z=114 y justo debajo de la capa cerrada que se produce en N=184 (Las regiones moradas más oscuras en la figura 1 denotan mayores barreras de fisión, destacando la isla de estabilidad para los elementos superpesados).

Lo que es difícil de calcular, no comprendido en la barrera calculada que se muestra en la figura 1, es cómo la presencia de un número impar de protones o neutrones de fisión afecta los tiempos de vida: en núcleos más ligeros la presencia de un número impar de nucleones puede obstaculizar la fisión en un factor de 10 a 10⁴, dependiendo del momento angular. En el caso de núcleos impar-impar, es decir, núcleos con un número impar de protones y un número impar de neutrones, el factor de impedimento total es el producto de los correspondientes a los protones y neutrones impares, por lo que la vida podría ser de hasta 10⁸ veces más extensa que la del vecino núcleo par-par.

Durante los últimos diez años, el Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares en Dubna, Rusia, ha hecho progresos considerables en la disposición de nuevos terrenos en los elementos superpesados, progreso que está proporcionando a los físicos nucleares la información que necesitan para comprender los factores que rigen la estabilidad de estos elementos. Una parte esencial de sus experimentos fue el desarrollo de un haz intenso de ⁴⁸Ca doblemente mágico y rico en neutrones para la aceleración en el ciclotrón U400 del laboratorio. Con este haz, ellos irradian varios isótopos ricos en neutrones de los objetivos de los actínidos (²³⁸U, ²⁴²Pu, ²⁴⁴Pu, ²⁴³Am, ²⁴⁵Cm, ²⁴⁸Cm y ²⁴⁹Cf) para formar un "núcleo compuesto". (Los núcleos compuestos están marcados en la figura 1) Los núcleos que están calientes poseen energías de excitación de 35-45 MeV y evaporan de tres a cuatro neutrones. En la mayoría de los experimentos, los residuos producidos por evaporación -los núcleos superpesados que son eventualmente medidos- se separaron del haz y de otros productos de reacción por un separador de retroceso lleno de gas, y detectores de silicio sensibles a la posición identificaron los isótopos. El equipo aplicó un bien establecido análisis de correlación de posición y tiempo, una técnica que fue desarrollada para identificar los elementos 107 a 112 usando como objetivos ²⁰⁸Pb y ²⁰⁹Bi en el GSI SHIP (Compañía para la investigación de iones pesados - Separador para Productos de Reacción de Iones Pesados). (Tenga en cuenta que los isótopos producidos en el GSI y el isótopo ²⁷⁸113 sintetizado recientemente en RIKEN, no se muestran en la figura 1).

Los núcleos superpesados producidos, así como varios de los núcleos hijos, son α activos así que las cadenas de desintegración de varias longitudes se miden. Todas las cadenas finalizan por fisión espontánea. Las cadenas de desintegración conocidas se representan en la figura 1, donde las dos cadenas nuevas que salen de los isótopos ²⁹³117 y ²⁹⁴117 del nuevo elemento se destacan también. Las propiedades de descomposición de estas dos nuevas cadenas dan más apoyo a la tarea de los elementos previamente identificados, que se basaban en el bombardeo cruzado y en la medición de las funciones de excitación. Más importante aún, la conclusión que tiene que ser sacada es que los núcleos más pesados se encuentran ya bastante bien dentro de la isla de núcleos superpesados.

Al seguir las cadenas de desintegración de estos elementos superpesados, e identificar dónde acaban, los investigadores pueden trazar los límites de la isla de estabilidad. Un examen más detenido de las cadenas de desintegración revela que todas las cadenas de los núcleos impar-impar, incluida la de nuevos isótopos ²⁹⁴117, son extremadamente largas y terminan en dubnio (Z = 105) por fisión espontánea o por captura de electrones y la fisión posterior de los núcleos de rutherfordio hijos par-par. La región de las barreras de fisión baja es atravesada por el obstáculo de la fisión combinada del protón impar y el neutrón impar. Las cadenas de núcleos par-par terminan en isótopos de copernicium (112) en la frontera sur-oeste de la isla, donde las barreras de fisión se redujeron a 6-7 MeV y los factores de obstáculos no existen. Las cadenas de isótopos impares de elementos pares finalizan en darmstadtium (110), donde las barreras de fisión son inferiores a 1 MeV, a 5-6 MeV, pero entorpecidas por el neutrón impar que dificulta la desintegración rápida. La nueva cadena del isótopo impar del elemento ²⁹³117, con un número par de neutrones, termina en ²⁸¹Rg debido a un menor obstáculo que en el caso de la cadena vecina del ²⁹⁴117 impar-impar.

Las cadenas de desintegración del nuevo elemento 117 encajan bien en la imagen de una isla de estabilidad creada por los efectos de capa. Debido a las cadenas de decaimiento α y a la alta probabilidad de que la fisión se produzca al final de las cadenas, la frontera en el sur-oeste de la isla puede ser considerada fija. Ahora nos enfrentamos a la cuestión de hasta qué punto la isla se extiende en las otras direcciones, y que caminos experimentales nos pueden llevar a estas regiones. Ciertamente, los estudios de fusión de iones pesados seguirán buscando las fronteras en el noroeste y el nordeste. Sin embargo, el más largo tiempo de vida se espera en el sur-este, cerca de la línea de estabilidad β y cerca de la capa de de neutrones N = 184. Allí, los tiempos de vida α son largos y en el caso de núcleos impar-impar, la fisión espontánea podría ser obstaculizada de manera tan significativa que podemos encontrar estos núcleos en la tierra o en los meteoritos. En el laboratorio, es posible que tengamos la oportunidad de utilizar las reacciones de fusión con haces radioactivos o reacciones de transferencia de nucleones. Los teóricos están trabajando ya en las predicciones en este sentido. El desafío experimental será encontrar la combinación apropiada de haz y objetivo, la energía del haz óptima, y un método de detección altamente sensible.

Traducido de:
Exploring the island of superheavy elements
Por Sigurd Hofmann, para Physics.