Desde principios de siglo, se han descubierto seis nuevos elementos químicos que posteriormente se han añadido a la tabla periódica de elementos, el auténtico icono de la química. Estos nuevos elementos tienen números atómicos elevados, hasta 118, y son significativamente más pesados que el uranio, el elemento con el número atómico más alto (92) que se encuentra en mayores cantidades en la Tierra.
Esto plantea las siguientes preguntas:¿Cuántas más de estas especies superpesadas esperan ser descubiertas? ¿Dónde está (si es que existe alguno) un límite fundamental en la creación de estos elementos? ¿Y cuáles son las características de la llamada isla de estabilidad reforzada?
En una revisión reciente, expertos en química y física teórica y experimental de los elementos más pesados y sus núcleos resumen los principales desafíos y ofrecen una nueva visión sobre los nuevos elementos superpesados y el límite de la tabla periódica.
Uno de ellos es el profesor Christoph Düllmann del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung de Darmstadt, la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia y el Instituto Helmholtz de Maguncia (HIM). En su edición de febrero, Nature Review Physics presenta el tema como artículo de portada.
Ya en la primera mitad del siglo pasado, los investigadores se dieron cuenta de que la masa de los núcleos atómicos es menor que la masa total de sus constituyentes de protones y neutrones. Esta diferencia de masa es responsable de la energía de enlace de los núcleos. Cierto número de neutrones y protones provocan una unión más fuerte y se denomina "magia".
De hecho, los científicos observaron desde el principio que los protones y los neutrones se mueven en capas individuales que son similares a las capas electrónicas, siendo los núcleos del metal de plomo los más pesados, con capas completamente llenas que contienen 82 protones y 126 neutrones:un núcleo doblemente mágico.
Las primeras predicciones teóricas sugirieron que la estabilidad adicional de los próximos números "mágicos", lejos de los núcleos conocidos en ese momento, podría llevar a vidas comparables a la edad de la Tierra. Esto llevó a la noción de la llamada isla de estabilidad de núcleos superpesados separados del uranio y sus vecinos por un mar de inestabilidad.
Existen numerosas representaciones gráficas de la isla de la estabilidad, representándola como una isla lejana. Han pasado muchas décadas desde que surgió esta imagen, por lo que es hora de echar una nueva mirada a la estabilidad de los núcleos superpesados y ver a dónde podría llevarnos el viaje hacia los límites de masa y carga.
En su reciente artículo titulado "La búsqueda de elementos superpesados y el límite de la tabla periódica", los autores describen el estado actual de los conocimientos y los desafíos más importantes en el campo de estos superpesados. También presentan consideraciones clave para el desarrollo futuro.
Los elementos hasta el oganesson (elemento 118) se han producido en experimentos, se han nombrado y se han incluido en la tabla periódica de elementos en instalaciones de aceleradores de todo el mundo, como en GSI en Darmstadt y, en el futuro, en FAIR, el centro internacional de aceleradores que se está construyendo en GSI. Estos nuevos elementos son muy inestables y los más pesados se desintegran en cuestión de segundos como máximo.
Un análisis más detallado revela que su vida útil aumenta hacia el número mágico de neutrones 184. En el caso del copernicio (elemento 112), descubierto en GSI, la vida útil aumenta de menos de una milésima de segundo a 30 segundos. Sin embargo, el número de neutrones 184 todavía está muy lejos de alcanzarse, por lo que los 30 segundos son sólo un paso en el camino.
Dado que la descripción teórica todavía es propensa a grandes incertidumbres, no hay consenso sobre dónde ocurrirán las vidas más largas y cuánto durarán. Sin embargo, existe un acuerdo general en que ya no se pueden esperar núcleos superpesados verdaderamente estables.
Esto lleva a una revisión del panorama de los superpesados en dos sentidos importantes. Por un lado, hemos llegado efectivamente a las costas de la región de mayor estabilidad y, por lo tanto, hemos confirmado experimentalmente el concepto de una isla de mayor estabilidad. Por otra parte, todavía no sabemos qué tan grande es esta región (para seguir con la imagen). ¿Cuánto durarán las vidas máximas, siendo la altura de las montañas de la isla la que normalmente representa la estabilidad, y dónde ocurrirán las vidas más largas?
La Naturaleza revisa la física El artículo analiza varios aspectos de la teoría relevante de la estructura nuclear y electrónica, incluida la síntesis y detección de núcleos y átomos superpesados en el laboratorio o en eventos astrofísicos, su estructura y estabilidad, y la ubicación de los elementos superpesados actuales y previstos en la tabla periódica.
La investigación detallada de los elementos superpesados sigue siendo un pilar importante del programa de investigación de GSI Darmstadt, respaldado por la infraestructura y la experiencia del HIM y de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, lo que constituye un entorno único para este tipo de estudios.
Durante la última década, se obtuvieron varios resultados revolucionarios, incluidos estudios detallados de su producción, que llevaron a la confirmación del elemento 117 y al descubrimiento del isótopo lawrencio-266, de vida relativamente larga, de su estructura nuclear mediante una variedad de técnicas experimentales. , de la estructura de sus capas atómicas, así como de sus propiedades químicas, donde el flerovium (elemento 114) representa el elemento más pesado del que existen datos químicos.
Los cálculos sobre la producción en el cosmos, especialmente durante la fusión de dos estrellas de neutrones, observada experimentalmente por primera vez en 2017, completan la cartera de investigaciones. En el futuro, la investigación de elementos superpesados podría ser aún más eficiente gracias al nuevo acelerador lineal HELIAC, cuyo primer módulo fue ensamblado recientemente en HIM y luego probado con éxito en Darmstadt, de modo que aún más, aún más exótico y, por lo tanto, presumiblemente más largo. Los núcleos vividos también serán alcanzables experimentalmente.
Se puede encontrar una descripción general de los descubrimientos de elementos y los primeros estudios químicos en GSI en el artículo "Cinco décadas de descubrimientos de elementos superpesados e investigación química de GSI", publicado en mayo de 2022 en Radiochimica Acta. .
Más información: Odile R. Smits et al, La búsqueda de elementos superpesados y el límite de la tabla periódica, Nature Reviews Physics (2023). DOI:10.1038/s42254-023-00668-y
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
