Isla de estabilidad - Island of stability

En física nuclear , la isla de estabilidad es un conjunto previsto de isótopos de elementos superpesados que pueden tener vidas medias considerablemente más largas que los isótopos conocidos de estos elementos. Se predice que aparecerá como una "isla" en la tabla de nucleidos , separada de los radionucleidos primordiales estables y de larga duración conocidos . Su existencia teórica se atribuye a los efectos estabilizadores de los " números mágicos " pronosticados de protones y neutrones en la región de masas superpesadas.

Un diagrama del Joint Institute for Nuclear Research que muestra las semividas medidas (recuadradas) y predichas de los nucleidos superpesados , ordenados por número de protones y neutrones. La ubicación esperada de la isla de estabilidad alrededor de Z = 112 está marcada con un círculo.

Se han hecho varias predicciones con respecto a la ubicación exacta de la isla de estabilidad, aunque generalmente se piensa que se centra cerca de los isótopos de copernicium y flerovium en la vecindad de la capa de neutrones cerrada predicha en N = 184. Estos modelos sugieren fuertemente que la capa cerrada confieren mayor estabilidad frente a la fisión y la desintegración alfa . Si bien se espera que estos efectos sean mayores cerca del número atómico Z = 114 y N = 184, se espera que la región de mayor estabilidad abarque varios elementos vecinos, y también puede haber islas adicionales de estabilidad alrededor de núcleos más pesados que son doblemente mágicos (habiendo números mágicos de protones y neutrones). Las estimaciones de la estabilidad de los elementos en la isla suelen rondar la vida media de minutos o días; algunas estimaciones predicen vidas medias de millones de años.

Aunque el modelo de capa nuclear que predice los números mágicos ha existido desde la década de 1940, no se ha demostrado definitivamente la existencia de nucleidos superpesados de larga duración. Como el resto de los elementos superpesados, los nucleidos de la isla de la estabilidad nunca se han encontrado en la naturaleza; por lo tanto, deben ser creados artificialmente en una reacción nuclear para ser estudiados. Los científicos no han encontrado la manera de llevar a cabo tal reacción, ya que es probable que se necesiten nuevos tipos de reacciones para poblar los núcleos cercanos al centro de la isla. Sin embargo, la síntesis exitosa de elementos superpesados hasta Z = 118 ( oganesson ) con hasta 177 neutrones demuestra un ligero efecto estabilizador alrededor de los elementos 110 a 114 que puede continuar en isótopos desconocidos, apoyando la existencia de la isla de estabilidad.

Introducción

Estabilidad de nucleidos

Gráfico de semividas de nucleidos conocidos

La composición de un nucleido ( núcleo atómico ) se define por el número de protones Z y el número de neutrones N , que suma a número de masa A . El número de protón Z , también llamado número atómico, determina la posición de un elemento en la tabla periódica . Los aproximadamente 3300 nucleidos conocidos se representan comúnmente en un gráfico con Z y N para sus ejes y la vida media para la desintegración radiactiva indicada para cada nucleido inestable (ver figura). A partir de 2019, se observó que 252 nucleidos son estables (nunca se ha observado que se descompongan); en general, a medida que aumenta el número de protones, los núcleos estables tienen una relación neutrón-protón más alta (más neutrones por protón). El último elemento de la tabla periódica que tiene un isótopo estable es el plomo ( Z = 82), y la estabilidad (es decir, la vida media de los isótopos de vida más larga) generalmente disminuye en los elementos más pesados. Las vidas medias de los núcleos también disminuyen cuando hay una relación neutrón-protón desequilibrada, de modo que los núcleos resultantes tienen muy pocos o demasiados neutrones para ser estables.

La estabilidad de un núcleo está determinada por su energía de enlace , la mayor energía de enlace confiere una mayor estabilidad. La energía de enlace por nucleón aumenta con el número atómico hasta una meseta amplia alrededor de A = 60, luego declina. Si un núcleo se puede dividir en dos partes que tienen una energía total menor (una consecuencia del defecto de masa resultante de una mayor energía de enlace), es inestable. El núcleo puede mantenerse unido durante un tiempo finito porque existe una barrera potencial que se opone a la división, pero esta barrera se puede cruzar mediante un túnel cuántico . Cuanto menor sea la barrera y las masas de los fragmentos , mayor será la probabilidad por unidad de tiempo de una división.

Los protones en un núcleo están unidos por la fuerza fuerte , que contrarresta la repulsión de Coulomb entre protones cargados positivamente . En núcleos más pesados, se necesita una mayor cantidad de neutrones sin carga para reducir la repulsión y conferir estabilidad adicional. Aun así, a medida que los físicos comenzaron a sintetizar elementos que no se encuentran en la naturaleza, encontraron que la estabilidad disminuía a medida que los núcleos se volvían más pesados. Por lo tanto, especularon que la tabla periódica podría llegar a su fin. Los descubridores del plutonio (elemento 94) consideraron llamarlo "ultimium", pensando que era el último. Tras el descubrimiento de elementos más pesados, de los cuales algunos decayeron en microsegundos, parecía que la inestabilidad con respecto a la fisión espontánea limitaría la existencia de elementos más pesados. En 1939, se estimó un límite superior de síntesis de elementos potenciales alrededor del elemento 104 , y luego de los primeros descubrimientos de elementos transactínidos a principios de la década de 1960, esta predicción de límite superior se extendió al elemento 108 .

Diagrama que muestra los niveles de energía de las capas de protones conocidas y pronosticadas (la izquierda y la derecha muestran dos modelos diferentes). Los espacios en Z = 82, 114, 120 y 126 corresponden a cierres de caparazón, que tienen configuraciones particularmente estables y, por lo tanto, dan como resultado núcleos más estables.

Números mágicos

Ya en 1914, se sugirió la posible existencia de elementos superpesados con números atómicos muy superiores al del uranio, entonces el elemento más pesado conocido, cuando el físico alemán Richard Swinne propuso que los elementos superpesados alrededor de Z = 108 eran una fuente de radiación en los rayos cósmicos. . Aunque no hizo ninguna observación definitiva, planteó la hipótesis en 1931 de que los elementos transuránicos alrededor de Z = 100 o Z = 108 pueden tener una vida relativamente larga y posiblemente existir en la naturaleza. En 1955, el físico estadounidense John Archibald Wheeler también propuso la existencia de estos elementos; se le atribuye el primer uso del término "elemento superpesado" en un artículo de 1958 publicado con Frederick Werner. Esta idea no atrajo un gran interés hasta una década más tarde, después de las mejoras en el modelo de caparazón nuclear . En este modelo, el núcleo atómico se construye en "capas", análoga a las capas de electrones en los átomos. Independientemente entre sí, los neutrones y los protones tienen niveles de energía que normalmente están muy juntos, pero una vez que se llena una capa determinada, se necesita sustancialmente más energía para comenzar a llenar la siguiente. Por tanto, la energía de enlace por nucleón alcanza un máximo local y los núcleos con capas llenas son más estables que los que no las tienen. Esta teoría de un modelo de capa nuclear se origina en la década de 1930, pero no fue hasta 1949 que los físicos alemanes Maria Goeppert Mayer y Johannes Hans Daniel Jensen et al. ideó de forma independiente la formulación correcta.

Los números de nucleones para los que se llenan las capas se denominan números mágicos . Se han observado números mágicos de 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126 para los neutrones, y se predice que el siguiente número será 184. Los protones comparten los primeros seis de estos números mágicos, y 126 se ha predicho como un número mágico. número de protones desde la década de 1940. Los nucleidos con un número mágico de cada uno, como ¹⁶ O ( Z = 8, N = 8), ¹³² Sn ( Z = 50, N = 82) y ²⁰⁸ Pb ( Z = 82, N = 126), se denominan como "doblemente mágicos" y son más estables que los nucleidos cercanos como resultado de mayores energías de unión.

A finales de la década de 1960, el físico estadounidense William Myers y el físico polaco Władysław Świątecki formularon modelos de caparazón más sofisticados , e independientemente el físico alemán Heiner Meldner (1939-2019). Con estos modelos, teniendo en cuenta la repulsión de Coulomb, Meldner predijo que el próximo número mágico de protones podría ser 114 en lugar de 126. Myers y Świątecki parecen haber acuñado el término "isla de estabilidad", y el químico estadounidense Glenn Seaborg , más tarde descubridor de muchos de los elementos superpesados rápidamente adoptaron el término y lo promovieron. Myers y Świątecki también propusieron que algunos núcleos superpesados tendrían una vida más larga como consecuencia de las barreras de fisión más altas . Otras mejoras en el modelo de capa nuclear del físico soviético Vilen Strutinsky llevaron al surgimiento del método macroscópico-microscópico, un modelo de masa nuclear que toma en consideración tanto las tendencias suaves características del modelo de gota líquida como las fluctuaciones locales como los efectos de la capa. Este enfoque permitió al físico sueco Sven Nilsson et al., Así como a otros grupos, realizar los primeros cálculos detallados de la estabilidad de los núcleos dentro de la isla. Con la aparición de este modelo, Strutinsky, Nilsson y otros grupos argumentaron a favor de la existencia del nucleido doblemente mágico ²⁹⁸ Fl ( Z = 114, N = 184), en lugar de ³¹⁰Ubh ( Z = 126, N = 184) que fue Se predijo que sería doblemente mágico ya en 1957. Posteriormente, las estimaciones del número mágico de protones han oscilado entre 114 y 126, y todavía no hay consenso.

Descubrimientos

La mayoría de los isótopos estables de elementos superpesados ( Z ≥ 104)
Elemento	Número atómico	Isótopo más estable	Media vida
Elemento	Número atómico	Isótopo más estable	Publicaciones	NUBASE 2016
Rutherfordio	104	²⁶⁷ Rf	1,3 h	2,5 h
Dubnium	105	²⁶⁸ Db	1,2 días	1,1 d
Seaborgio	106	²⁶⁹ Sg	14 min	5 minutos
Bohrium	107	²⁷⁰ Bh	1 minuto	3,8 min
Hassium	108	²⁶⁹ Hs	9,7 segundos	16 s
Meitnerio	109	²⁷⁸ Mt	4,5 s	7 s
Darmstadtium	110	²⁸¹ Ds	12,7 segundos	14 s
Roentgenio	111	²⁸² Rg	1,7 min	1,6 min
Copérnico	112	²⁸⁵ Cn	28 s	32 s
Nihonium	113	²⁸⁶ Nh	9,5 segundos	7 s
Flerovio	114	²⁸⁹ Fl	1,9 s	2,4 s
Moscovium	115	²⁹⁰ Mc	650 ms	410 ms
Livermorium	116	²⁹³ Lv	57 ms	80 ms
Tennessine	117	²⁹⁴ Ts	51 ms	70 ms
Oganesson	118	²⁹⁴ Og	690 µs	1,15 ms

El interés en una posible isla de estabilidad creció a lo largo de la década de 1960, ya que algunos cálculos sugirieron que podría contener nucleidos con vidas medias de miles de millones de años. También se predijo que serían especialmente estables contra la fisión espontánea a pesar de su alta masa atómica. Se pensó que si tales elementos existen y tienen una vida suficientemente larga, puede haber varias aplicaciones nuevas como consecuencia de sus propiedades nucleares y químicas. Estos incluyen el uso en aceleradores de partículas como fuentes de neutrones , en armas nucleares como consecuencia de sus masas críticas bajas previstas y el alto número de neutrones emitidos por fisión, y como combustible nuclear para impulsar misiones espaciales. Estas especulaciones llevaron a muchos investigadores a realizar búsquedas de elementos superpesados en las décadas de 1960 y 1970, tanto en la naturaleza como mediante nucleosíntesis en aceleradores de partículas.

Durante la década de 1970, se llevaron a cabo muchas búsquedas de núcleos superpesados de larga duración. En laboratorios de todo el mundo se llevaron a cabo experimentos destinados a sintetizar elementos con un número atómico de 110 a 127. Estos elementos se buscaron en reacciones de fusión-evaporación, en las que un objetivo pesado hecho de un nucleido es irradiado por iones acelerados de otro en un ciclotrón , y se producen nuevos nucleidos después de que estos núcleos se fusionan y el sistema excitado resultante libera energía al evaporar varias partículas. (generalmente protones, neutrones o partículas alfa). Estas reacciones se dividen en fusión "fría" y "caliente", que crean respectivamente sistemas con energías de excitación más bajas y más altas; esto afecta el rendimiento de la reacción. Por ejemplo, se esperaba que la reacción entre ²⁴⁸ Cm y ⁴⁰ Ar produjera isótopos del elemento 114, y que entre ²³² Th y ⁸⁴ Kr se esperaran isótopos del elemento 126. Ninguno de estos intentos tuvo éxito, lo que indica que tales experimentos pueden haber ha sido insuficientemente sensible si las secciones transversales de la reacción eran bajas, lo que da como resultado rendimientos más bajos, o si cualquier núcleo alcanzable a través de tales reacciones de fusión-evaporación podría tener una vida demasiado corta para la detección. Experimentos exitosos posteriores revelan que las vidas medias y las secciones transversales de hecho disminuyen con el aumento del número atómico, lo que da como resultado la síntesis de solo unos pocos átomos de vida corta de los elementos más pesados en cada experimento.

Búsquedas similares en la naturaleza tampoco tuvieron éxito, lo que sugiere que si existen elementos superpesados en la naturaleza, su abundancia es inferior a ^10-14 moles de elementos superpesados por mol de mineral. A pesar de estos intentos fallidos de observar núcleos superpesados de larga duración, cada pocos años se sintetizaron nuevos elementos superpesados en laboratorios mediante bombardeo de iones ligeros y reacciones de fusión fría; rutherfordium, la primera transactinida , se descubrió en 1969, y copernicium, ocho protones más cerca de la isla de estabilidad predicha en Z = 114, se alcanzó en 1996. Aunque las vidas medias de estos núcleos son muy cortas (del orden de segundos ), la mera existencia de elementos más pesados que el rutherfordio es indicativa de efectos estabilizadores que se cree que son causados por conchas cerradas; un modelo que no considere tales efectos prohibiría la existencia de estos elementos debido a la rápida fisión espontánea.

Flerovium, con los 114 protones mágicos esperados, fue sintetizado por primera vez en 1998 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en Dubna , Rusia, por un grupo de físicos dirigido por Yuri Oganessian . Se detectó un solo átomo del elemento 114, con una vida útil de 30,4 segundos, y sus productos de desintegración tenían vidas medias medibles en minutos. Debido a que los núcleos producidos sufrieron desintegración alfa en lugar de fisión, y las vidas medias fueron varios órdenes de magnitud más largas que las previamente predichas u observadas para elementos superpesados, este evento fue visto como un "ejemplo de libro de texto" de una cadena de desintegración característica de la isla. de estabilidad, proporcionando una fuerte evidencia de la existencia de la isla de estabilidad en esta región. Aunque la cadena original de 1998 no se volvió a observar, y su asignación sigue siendo incierta, otros experimentos exitosos en las próximas dos décadas llevaron al descubrimiento de todos los elementos hasta el oganesson , cuyas vidas medias superaron los valores inicialmente previstos; estas propiedades de descomposición respaldan aún más la presencia de la isla de estabilidad. Sin embargo, un estudio de 2021 sobre las cadenas de desintegración de los isótopos de flerovium sugiere que no hay un efecto estabilizador fuerte de Z = 114 en la región de núcleos conocidos ( N = 174), y que la estabilidad adicional sería predominantemente una consecuencia del cierre de la capa de neutrones. . Aunque los núcleos conocidos todavía caen varios neutrones por debajo de N = 184 donde se espera la máxima estabilidad (los núcleos confirmados más ricos en neutrones, ²⁹³ Lv y ²⁹⁴ Ts, solo alcanzan N = 177), y la ubicación exacta del centro de la isla permanece se desconoce, se ha demostrado la tendencia de aumentar la estabilidad más cerca de N = 184. Por ejemplo, el isótopo ²⁸⁵ Cn, con ocho neutrones más que ²⁷⁷ Cn, tiene una vida media casi cinco órdenes de magnitud más larga. Se espera que esta tendencia continúe en isótopos desconocidos más pesados.

Un resumen de las cadenas de desintegración observadas en los elementos superpesados pares Z , incluidas las asignaciones tentativas en las cadenas 3, 5 y 8. Existe una tendencia general a aumentar la estabilidad de los isótopos con un mayor exceso de neutrones ( N - Z , la diferencia en el número de protones y neutrones), especialmente en los elementos 110, 112 y 114, lo que sugiere fuertemente que el centro de la isla de estabilidad se encuentra entre isótopos aún más pesados.

Núcleos deformados

Aunque se predice que los núcleos dentro de la isla de estabilidad alrededor de N = 184 serán esféricos , los estudios de principios de la década de 1990, comenzando con los físicos polacos Zygmunt Patyk y Adam Sobiczewski en 1991, sugieren que algunos elementos superpesados no tienen núcleos perfectamente esféricos. Un cambio en la forma del núcleo cambia la posición de los neutrones y protones en la capa. Las investigaciones indican que los núcleos grandes más alejados de los números mágicos esféricos se deforman , lo que hace que los números mágicos cambien o aparezcan nuevos números mágicos. La investigación teórica actual indica que en la región Z = 106-108 y N ≈ 160-164, los núcleos pueden ser más resistentes a la fisión como consecuencia de los efectos de caparazón de los núcleos deformados; por lo tanto, tales núcleos superpesados solo sufrirían desintegración alfa. Ahora se cree que el Hassium-270 es un núcleo deformado doblemente mágico, con números mágicos deformados Z = 108 y N = 162. Tiene una vida media de 9 segundos. Esto es consistente con modelos que toman en cuenta la naturaleza deformada de los núcleos intermedios entre los actínidos y la isla de estabilidad cerca de N = 184, en los cuales emerge una "península" de estabilidad en los números mágicos deformados Z = 108 y N = 162. Determinación de la Las propiedades de desintegración de los isótopos vecinos de hassio y seaborgio cerca de N = 162 proporcionan una fuerte evidencia adicional de esta región de estabilidad relativa en núcleos deformados. Esto también sugiere fuertemente que la isla de estabilidad (para núcleos esféricos) no está completamente aislada de la región de núcleos estables, sino que ambas regiones están unidas a través de un istmo de núcleos deformados relativamente estables.

Propiedades de descomposición previstas

Un diagrama que muestra los modos de desintegración predichos de núcleos superpesados, con los núcleos observados con contornos negros. Se predice que los núcleos más deficientes en neutrones, así como los que están inmediatamente más allá del cierre de la capa en N = 184, sufrirán predominantemente una fisión espontánea (SF), mientras que la desintegración alfa (α) puede dominar en los núcleos deficientes en neutrones más cercanos a la isla, y de manera significativa Las ramas de desintegración beta (β) o captura de electrones (EC) pueden aparecer más cercanas al centro de la isla alrededor de ²⁹¹ Cn y ²⁹³ Cn.

Se desconocen las vidas medias de los núcleos en la propia isla de estabilidad, ya que no se ha observado ninguno de los nucleidos que estarían "en la isla". Muchos físicos creen que la vida media de estos núcleos es relativamente corta, del orden de minutos o días. Algunos cálculos teóricos indican que sus vidas medias pueden ser largas, del orden de 100 años, o posiblemente hasta 10 ⁹ años.

Se predice que el cierre de la capa en N = 184 resultará en vidas medias parciales más largas para la desintegración alfa y la fisión espontánea. Se cree que el cierre de la capa dará como resultado barreras de fisión más altas para los núcleos alrededor de ²⁹⁸ Fl, lo que obstaculizará fuertemente la fisión y tal vez resulte en vidas medias de fisión 30 órdenes de magnitud mayores que las de los núcleos no afectados por el cierre de la capa. Por ejemplo, el isótopo ²⁸⁴ Fl con deficiencia de neutrones (con N = 170) sufre fisión con una vida media de 2,5 milisegundos y se cree que es uno de los nucleidos con mayor deficiencia de neutrones con mayor estabilidad en las proximidades de N = 184 cierre de concha. Más allá de este punto, se predice que algunos isótopos no descubiertos sufrirán fisión con vidas medias aún más cortas, lo que limita la existencia y posible observación de núcleos superpesados lejos de la isla de estabilidad (es decir, para N <170 así como para Z > 120 y N > 184). Estos núcleos pueden sufrir desintegración alfa o fisión espontánea en microsegundos o menos, con algunas vidas medias de fisión estimadas en el orden de 10 a ²⁰ segundos en ausencia de barreras de fisión. En contraste, ²⁹⁸ Fl (que se predice que se encuentra dentro de la región de efectos máximos de caparazón) puede tener una vida media de fisión espontánea mucho más prolongada, posiblemente del orden de 10 ¹⁹ años.

En el centro de la isla, puede haber competencia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea, aunque la proporción exacta depende del modelo. Las semividas de desintegración alfa de 1700 núcleos con 100 ≤ Z ≤ 130 se han calculado en un modelo de túnel cuántico con valores Q de desintegración alfa experimentales y teóricos , y están de acuerdo con las semividas observadas para algunos de los isótopos más pesados.

Los nucleidos más longevos también se prevé que se encuentran en la línea de beta-estabilidad , por la desintegración beta se prevé que competir con los otros modos de desintegración cerca del centro previsto de la isla, especialmente para los isótopos de los elementos 111-115. A diferencia de otros modos de desintegración predichos para estos nucleidos, la desintegración beta no cambia el número de masa. En cambio, un neutrón se convierte en un protón o viceversa, produciendo una isobara adyacente más cercana al centro de estabilidad (la isobara con el menor exceso de masa ). Por ejemplo, pueden existir ramificaciones significativas de desintegración beta en nucleidos como ²⁹¹ Fl y ²⁹¹ Nh; estos nucleidos tienen solo unos pocos neutrones más que los nucleidos conocidos, y podrían desintegrarse a través de una "vía estrecha" hacia el centro de la isla de estabilidad. El posible papel de la desintegración beta es muy incierto, ya que se prevé que algunos isótopos de estos elementos (como ²⁹⁰ Fl y ²⁹³ Mc) tengan vidas medias parciales más cortas para la desintegración alfa. La desintegración beta reduciría la competencia y daría como resultado que la desintegración alfa siga siendo el canal de desintegración dominante, a menos que exista una estabilidad adicional hacia la desintegración alfa en los isómeros superdeformados de estos nucleidos.

Este gráfico de modos de desintegración previstos, derivado de la investigación teórica de la Agencia de Energía Atómica de Japón , predice el centro de la isla de estabilidad alrededor de ²⁹⁴ Ds; sería el más longevo de varios nucleidos de vida relativamente larga que experimentan principalmente desintegración alfa (encerrado en un círculo). Ésta es la región donde la línea de estabilidad beta cruza la región estabilizada por el cierre del caparazón en N = 184. Hacia la izquierda y la derecha, las vidas medias disminuyen a medida que la fisión se convierte en el modo de desintegración dominante, de acuerdo con otros modelos.

Teniendo en cuenta todos los modos de desintegración, varios modelos indican un desplazamiento del centro de la isla (es decir, el nucleido de vida más larga) de ²⁹⁸ Fl a un número atómico inferior, y una competencia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea en estos nucleidos; Estos incluyen vidas medias de 100 años para ²⁹¹ Cn y ²⁹³ Cn, una vida media de 1000 años para ²⁹⁶ Cn, una vida media de 300 años para ²⁹⁴ Ds y una vida media de 3500 años para ²⁹³ Ds, con ²⁹⁴ Ds y ²⁹⁶ Cn exactamente en el cierre del caparazón N = 184. También se ha postulado que esta región de estabilidad mejorada para elementos con 112 ≤ Z ≤ 118 puede ser en cambio una consecuencia de la deformación nuclear, y que el verdadero centro de la isla de estabilidad para núcleos superpesados esféricos se encuentra alrededor de ³⁰⁶Ubb ( Z = 122 , N = 184). Este modelo define la isla de estabilidad como la región con mayor resistencia a la fisión en lugar de las vidas medias totales más largas; Todavía se predice que el nucleido ³⁰⁶ Ubb tendrá una vida media corta con respecto a la desintegración alfa.

Otro modo de desintegración potencialmente significativo para los elementos superpesados más pesados fue propuesto por los físicos rumanos Dorin N. Poenaru y Radu A. Gherghescu y el físico alemán Walter Greiner como la desintegración de racimos . Se espera que su relación de ramificación en relación con la desintegración alfa aumente con el número atómico de modo que pueda competir con la desintegración alfa alrededor de Z = 120, y quizás se convierta en el modo de desintegración dominante para nucleidos más pesados alrededor de Z = 124. Como tal, se espera que juegue un papel más importante más allá del centro de la isla de estabilidad (aunque todavía influenciado por los efectos de la capa), a menos que el centro de la isla se encuentre en un número atómico superior al previsto.

Posible ocurrencia natural

Aunque las vidas medias de cientos o miles de años serían relativamente largas para los elementos superpesados, son demasiado cortas para que tales nucleidos existan primordialmente en la Tierra. Además, la inestabilidad de los núcleos intermedios entre los actínidos primordiales ( ²³² Th , ²³⁵ U y ²³⁸ U ) y la isla de estabilidad pueden inhibir la producción de núcleos dentro de la isla en la nucleosíntesis del proceso r . Varios modelos sugieren que la fisión espontánea será el modo de desintegración dominante de los núcleos con A > 280, y que inducida por neutrones o beta-retardada fisión captura de neutrones -respectivamente y desintegración beta seguidos inmediatamente por fisión-se convertirán en los canales de reacción primaria. Como resultado, la desintegración beta hacia la isla de estabilidad solo puede ocurrir dentro de un camino muy estrecho o puede estar completamente bloqueada por la fisión, lo que impide la síntesis de nucleidos dentro de la isla. Se cree que la no observación de nucleidos superpesados como ²⁹² Hs y ²⁹⁸ Fl en la naturaleza es consecuencia de un bajo rendimiento en el proceso r resultante de este mecanismo, así como de vidas medias demasiado cortas para permitir que persistan cantidades mensurables. en naturaleza.

A pesar de estos obstáculos para su síntesis, un estudio de 2013 publicado por un grupo de físicos rusos dirigido por Valeriy Zagrebaev propone que los isótopos de copernicio de vida más larga pueden ocurrir en una abundancia de ^{10-12 en} relación con el plomo, por lo que pueden ser detectables en los rayos cósmicos. . De manera similar, en un experimento de 2013, un grupo de físicos rusos dirigido por Aleksandr Bagulya informó la posible observación de tres núcleos superpesados cosmogénicos en cristales de olivino en meteoritos. El número atómico de estos núcleos se estimó entre 105 y 130, con un núcleo probablemente limitado entre 113 y 129, y se estimó que su vida útil era de al menos 3.000 años. Aunque esta observación aún no ha sido confirmada en estudios independientes, sugiere fuertemente la existencia de la isla de estabilidad y es consistente con los cálculos teóricos de la vida media de estos nucleidos.

Posibles síntesis y dificultades

Representación tridimensional de la isla de estabilidad alrededor de N = 178 y Z = 112

La fabricación de núcleos en la isla de la estabilidad resulta muy difícil porque los núcleos disponibles como materiales de partida no entregan la suma necesaria de neutrones. Los haces de iones radiactivos (como ⁴⁴ S) en combinación con blancos de actínidos (como ²⁴⁸Cm ) pueden permitir la producción de núcleos más ricos en neutrones más cerca del centro de la isla de estabilidad, aunque estos haces no están disponibles actualmente en las intensidades requeridas. para realizar tales experimentos. Varios isótopos más pesados, como ²⁵⁰ Cm y ²⁵⁴Es , todavía pueden usarse como objetivos, lo que permite la producción de isótopos con uno o dos neutrones más que los isótopos conocidos, aunque la producción de varios miligramos de estos isótopos raros para crear un objetivo es difícil. También puede ser posible sondear canales de reacción alternativos en las mismas ⁴⁸ reacciones de fusión-evaporación inducidas por Ca que pueblan los isótopos conocidos más ricos en neutrones, a saber, pxn y αxn (emisión de un protón o partícula alfa , respectivamente, seguido de varios neutrones) canales. Esto puede permitir la síntesis de isótopos enriquecidos en neutrones de los elementos 111-117. Aunque las secciones transversales pronosticadas son del orden de 1 a 900 fb , más pequeñas que las de los canales xn (emisión de neutrones solamente), aún puede ser posible generar isótopos inalcanzables de elementos superpesados en estas reacciones. Algunos de estos isótopos más pesados (como ²⁹¹ Mc, ²⁹¹ Fl y ²⁹¹ Nh) también pueden sufrir captura de electrones (convirtiendo un protón en un neutrón) además de la desintegración alfa con vidas medias relativamente largas, desintegrando a núcleos como ²⁹¹ Cn que se predice que se encuentran cerca del centro de la isla de estabilidad. Sin embargo, esto sigue siendo en gran parte hipotético, ya que aún no se han sintetizado núcleos superpesados cerca de la línea de estabilidad beta y las predicciones de sus propiedades varían considerablemente entre los diferentes modelos.

El proceso de captura lenta de neutrones utilizado para producir nucleidos tan pesados como ²⁵⁷Fm está bloqueado por isótopos de fermio de vida corta que sufren fisión espontánea (por ejemplo, ²⁵⁸ Fm tiene una vida media de 370 µs); esto se conoce como "brecha de fermio" e impide la síntesis de elementos más pesados en tal reacción. Podría ser posible evitar esta brecha, así como otra región predicha de inestabilidad alrededor de A = 275 y Z = 104-108, en una serie de explosiones nucleares controladas con un flujo de neutrones más alto (aproximadamente mil veces mayor que los flujos en reactores) que imita el proceso r astrofísico . Propuesto por primera vez en 1972 por Meldner, tal reacción podría permitir la producción de cantidades macroscópicas de elementos superpesados dentro de la isla de estabilidad; El papel de la fisión en los nucleidos superpesados intermedios es muy incierto y puede influir mucho en el rendimiento de dicha reacción.

Este gráfico de núclidos utilizado por la Agencia de Energía Atómica de Japón muestra modos de desintegración conocidos (encuadrados) y previstos de núcleos hasta Z = 149 y N = 256. Las regiones de mayor estabilidad son visibles alrededor de los cierres de capa pronosticados en N = 184 ( ²⁹⁴ Ds - ²⁹⁸ Fl) y N = 228 ( ³⁵⁴ 126), separados por un espacio de núcleos de fisión de vida corta ( t _1/2 <1 ns; no coloreado en el gráfico).

También puede ser posible generar isótopos en la isla de estabilidad como ²⁹⁸ Fl en reacciones de transferencia de múltiples nucleones en colisiones de baja energía de núcleos de actínidos (como ²³⁸ U y ²⁴⁸ Cm). Este mecanismo de cuasifisión inversa (fusión parcial seguida de fisión, con un alejamiento del equilibrio de masa que da como resultado productos más asimétricos) puede proporcionar un camino hacia la isla de estabilidad si los efectos de capa alrededor de Z = 114 son lo suficientemente fuertes, aunque elementos más ligeros como Se predice que el nobelio y el seaborgio ( Z = 102-106) tendrán rendimientos más altos. Los estudios preliminares de las reacciones de transferencia ²³⁸ U + ²³⁸ U y ²³⁸ U + ²⁴⁸ Cm no han logrado producir elementos más pesados que el mendelevio ( Z = 101), aunque el mayor rendimiento en la última reacción sugiere que el uso de objetivos aún más pesados como el ²⁵⁴ Es (si está disponible) puede permitir la producción de elementos superpesados. Este resultado está respaldado por un cálculo posterior que sugiere que el rendimiento de nucleidos superpesados (con Z ≤ 109) probablemente será mayor en las reacciones de transferencia que utilizan objetivos más pesados. Un estudio de 2018 de la reacción de ²³⁸ U + ²³² Th en el Texas A&M Cyclotron Institute por Sara Wuenschel et al. encontraron varias desintegraciones alfa desconocidas que posiblemente se puedan atribuir a nuevos isótopos ricos en neutrones de elementos superpesados con 104 < Z <116, aunque se requieren más investigaciones para determinar de manera inequívoca el número atómico de los productos. Este resultado sugiere fuertemente que los efectos de caparazón tienen una influencia significativa en las secciones transversales, y que la isla de estabilidad posiblemente podría alcanzarse en experimentos futuros con reacciones de transferencia.

Otras islas de estabilidad

Más cierres de proyectiles más allá de la isla principal de estabilidad en las proximidades de Z = 112-114 pueden dar lugar a islas de estabilidad adicionales. Aunque las predicciones para la ubicación de los próximos números mágicos varían considerablemente, se cree que existen dos islas significativas alrededor de núcleos doblemente mágicos más pesados; el primero cerca de ³⁵⁴ 126 (con 228 neutrones) y el segundo cerca de ⁴⁷² 164 o ⁴⁸² 164 (con 308 o 318 neutrones). Los nucleidos dentro de estas dos islas de estabilidad pueden ser especialmente resistentes a la fisión espontánea y tener semividas de desintegración alfa medibles en años, por lo que tienen una estabilidad comparable a los elementos en las proximidades de flerovium . También pueden aparecer otras regiones de estabilidad relativa con cierres de capa de protones más débiles en nucleidos beta-estables; tales posibilidades incluyen regiones cercanas a ³⁴² 126 y ⁴⁶² 154. Una repulsión electromagnética sustancialmente mayor entre protones en núcleos tan pesados puede reducir en gran medida su estabilidad y posiblemente restringir su existencia a islas localizadas en la vecindad de efectos de caparazón. Esto puede tener la consecuencia de aislar estas islas del mapa principal de nucleidos , ya que los nucleidos intermedios y quizás los elementos en un "mar de inestabilidad" sufrirían fisión rápidamente y esencialmente no existirían. También es posible que más allá de una región de estabilidad relativa alrededor del elemento 126, los núcleos más pesados se encuentren más allá de un umbral de fisión dado por el modelo de gota de líquido y, por lo tanto, se sometan a fisión con vidas muy cortas, haciéndolos esencialmente inexistentes incluso en la vecindad de números mágicos mayores. .

También se ha postulado que en la región más allá de A > 300 , puede existir un " continente de estabilidad " completo que consiste en una fase hipotética de materia de quarks estable , que comprende quarks que fluyen libremente hacia arriba y hacia abajo en lugar de quarks unidos a protones y neutrones. Se teoriza que tal forma de materia es un estado fundamental de la materia bariónica con una mayor energía de enlace por barión que la materia nuclear , lo que favorece la desintegración de la materia nuclear más allá de este umbral de masa en materia de quarks. Si existe este estado de la materia, posiblemente podría sintetizarse en las mismas reacciones de fusión que conducen a núcleos superpesados normales, y se estabilizaría contra la fisión como consecuencia de su unión más fuerte que es suficiente para superar la repulsión de Coulomb.

Ver también

Notas

Referencias

Bibliografía

Emsley, J. (2011). Bloques de construcción de la naturaleza: una guía de AZ para los elementos (Nueva ed.). Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-960563-7.
Hoffman, DC ; Ghiorso, A .; Seaborg, GT (2000). La gente de Transuranium: la historia interna . World Scientific. ISBN 978-1-78326-244-1.
Kragh, H. (2018). De los elementos transuránicos a los superpesados: una historia de disputas y creación . Saltador. ISBN 978-3-319-75813-8.
Lodhi, MAK, ed. (1978). Elementos superpesados: Actas del Simposio internacional sobre elementos superpesados . Pergamon Press. ISBN 978-0-08-022946-1.
Podgorsak, EB (2016). Física de las radiaciones para físicos médicos (3ª ed.). Saltador. ISBN 978-3-319-25382-4.

enlaces externos

¡Isla ahoy! ( Nature , 2006, con diagrama JINR de nucleidos pesados e isla de estabilidad predicha)
¿Se pueden formar elementos superpesados (como Z = 116 o 118) en una supernova? ¿Podemos observarlos? ( Cornell , 2004 - "tal vez")
Segunda postal de la isla de la estabilidad ( CERN , 2001; nucleidos con 116 protones y masa 292)
Primera postal de la isla de la estabilidad nuclear ( CERN , 1999; primeros Z = 114 átomos)

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