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Isla de estabilidad

Un diagrama que muestra las vidas medias medidas y previstas de nucleidos pesados ​​y superpesados, así como la línea de estabilidad beta y la ubicación prevista de la isla de estabilidad.
Un diagrama del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear que muestra las vidas medias medidas (encuadradas) y previstas de nucleidos superpesados , ordenadas por número de protones y neutrones. La ubicación esperada de la isla de estabilidad alrededor de Z = 112 ( copernicio ) está rodeada por un círculo. [1] [2]

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 el mapa de nucleidos , separada de los radionucleidos primordiales estables y de larga vida conocidos . Su existencia teórica se atribuye a los efectos estabilizadores de los " números mágicos " predichos de protones y neutrones en la región de masas superpesadas. [3] [4]

Se han hecho varias predicciones con respecto a la ubicación exacta de la isla de estabilidad, aunque generalmente se cree que se centra cerca de los isótopos de copernicio y flerovium en las proximidades de la capa cerrada de neutrones prevista en N  = 184. [2] Estos modelos sugieren fuertemente que la La capa cerrada conferirá 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 ( flerovium ) 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 magia (que tiene números mágicos tanto de protones como de neutrones). Las estimaciones de la estabilidad de los nucleidos dentro de la isla suelen ser de aproximadamente minutos o días; algunas estimaciones predicen vidas medias de millones de años. [5]

Aunque el modelo de capa nuclear que predice números mágicos existe desde la década de 1940, la existencia de nucleidos superpesados ​​​​de larga vida no se ha demostrado definitivamente. Como el resto de elementos superpesados, los nucleidos dentro de la isla de estabilidad nunca se han encontrado en la naturaleza; por lo tanto, deben crearse artificialmente en una reacción nuclear para ser estudiados. Los científicos no han encontrado una manera de llevar a cabo tal reacción, porque es probable que se necesiten nuevos tipos de reacciones para poblar los núcleos cerca del 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 más pesados, consistente con la existencia de la isla de estabilidad. [2] [6]

Introducción

Estabilidad de nucleidos

Cuadro completo de vidas medias de nucleidos trazados contra los ejes del número atómico Z y del número de neutrones N.
Gráfico de vidas medias de nucleidos conocidos

La composición de un nucleido ( núcleo atómico ) está definida por el número de protones Z y el número de neutrones N , que suman el número másico A. El número de protones Z , también llamado número atómico, determina la posición de un elemento en la tabla periódica . Los aproximadamente 3300 nucleidos conocidos [7] se representan comúnmente en un gráfico con Z y N como ejes y la vida media de desintegración radiactiva indicada para cada nucleido inestable (ver figura). [8] A partir de 2019 , se observa que 251 nucleidos son estables (nunca se ha observado que se descompongan); [9] en general, a medida que aumenta el número de protones, los núcleos estables tienen una relación neutrones-protones más alta (más neutrones por protón). El último elemento de la tabla periódica que tiene un isótopo estable es el plomo ( Z  = 82), [a] [b] y la estabilidad (es decir, la vida media de los isótopos más largos) generalmente disminuye en los elementos más pesados, [c] [12] especialmente más allá del curio ( Z  = 96). [13] Las vidas medias de los núcleos también disminuyen cuando hay una relación neutrones-protones desequilibrada, de modo que los núcleos resultantes tienen muy pocos o demasiados neutrones para ser estables. [14]

La estabilidad de un núcleo está determinada por su energía de enlace , mayor energía de enlace confiere mayor estabilidad. La energía de enlace por nucleón aumenta con el número atómico hasta una amplia meseta alrededor de A  = 60 y luego disminuye. [15] Si un núcleo puede dividirse 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 puede cruzarse 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. [dieciséis]

Los protones en un núcleo están unidos por la fuerza fuerte , que contrarresta la repulsión de Coulomb entre protones cargados positivamente . En los núcleos más pesados, se necesita una mayor cantidad de neutrones sin carga para reducir la repulsión y conferir estabilidad adicional. Aun así, cuando los físicos comenzaron a sintetizar elementos que no se encuentran en la naturaleza, descubrieron que la estabilidad disminuía a medida que los núcleos se volvían más pesados. [17] Por lo tanto, especularon que la tabla periódica podría llegar a su fin. Los descubridores del plutonio (elemento 94) consideraron denominarlo "ultimium", pensando que era el último. [18] Tras los descubrimientos de elementos más pesados, algunos de los cuales se desintegraban 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 potencial de elementos alrededor del elemento 104 , [19] y tras los primeros descubrimientos de elementos transactínidos a principios de la década de 1960, esta predicción del límite superior se extendió al elemento 108 . [17]

numeros magicos

Diagrama que muestra los niveles de energía de las capas de protones conocidas y predichas, con espacios en los números atómicos 82, 114, 120 y 126.
Diagrama que muestra los niveles de energía de las capas de protones conocidas y predichas (la izquierda y la derecha muestran dos modelos diferentes). [20] Los espacios en Z  = 82, 114, 120 y 126 corresponden a cierres de capas, [20] que tienen configuraciones particularmente estables y, por lo tanto, dan como resultado núcleos más estables. [21]

Ya en 1914, se sugirió la posible existencia de elementos superpesados ​​con números atómicos muy superiores a los 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 rayos cósmicos. . Aunque no hizo ninguna observación definitiva, en 1931 planteó la hipótesis de que los elementos transuránicos alrededor de Z  = 100 o Z  = 108 pueden tener una vida relativamente larga y posiblemente existir en la naturaleza. [22] En 1955, el físico estadounidense John Archibald Wheeler también propuso la existencia de estos elementos; [23] se le atribuye el primer uso del término "elemento superpesado" en un artículo de 1958 publicado con Frederick Werner. [24] Esta idea no atrajo un gran interés hasta una década más tarde, después de mejoras en el modelo de capa nuclear . En este modelo, el núcleo atómico está formado por "capas", análogas a las capas de electrones de los átomos. Independientemente unos de otros, 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 mucha más energía para comenzar a llenar la siguiente. Por lo tanto, la energía de enlace por nucleón alcanza un máximo local y los núcleos con capas llenas son más estables que aquellos que no las tienen. [25] 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. [26]

El número de nucleones para los cuales se llenan las conchas se llama 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. [6] [27] Los protones comparten los primeros seis de estos números mágicos, [28 ] y 126 se ha predicho como un número mágico de protones desde la década de 1940. [29] Nuclidos 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 conocen como "doblemente mágicos" y son más estables que los nucleidos cercanos como resultado de mayores energías de unión. [30] [31]

A finales de la década de 1960, el físico estadounidense William Myers y el físico polaco Władysław Świątecki formularon modelos de capas más sofisticados , y de forma independiente el físico alemán Heiner Meldner (1939-2019 [32] [33] ). 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. [34] 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 adoptó el término y lo promovió. [29] [35] Myers y Świątecki también propusieron que algunos núcleos superpesados ​​tendrían una vida más larga como consecuencia de barreras de fisión más altas . Otras mejoras en el modelo de capa nuclear realizadas por el 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 de líquido como las fluctuaciones locales como los efectos de 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. [34] Con el surgimiento de este modelo, Strutinsky, Nilsson y otros grupos defendieron la existencia del nucleido doblemente mágico 298 Fl ( Z  = 114, N  = 184), en lugar de 310 Ubh ( Z  = 126, N  = 184). ) que se predijo que era doblemente mágico ya en 1957. [34] Posteriormente, las estimaciones del número mágico de protones han oscilado entre 114 y 126, y todavía no hay consenso. [6] [21] [36] [37]

Descubrimientos

El interés en una posible isla de estabilidad creció a lo largo de la década de 1960, ya que algunos cálculos sugerían que podría contener nucleidos con vidas medias de miles de millones de años. [48] ​​[49] También se predijo que serían especialmente estables contra la fisión espontánea a pesar de su alta masa atómica. [34] [50] Se pensaba que si tales elementos existen y tienen una vida lo suficientemente larga, puede haber varias aplicaciones novedosas 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 las bajas masas críticas previstas y el alto número de neutrones emitidos por fisión, [51] y como combustible nuclear para impulsar misiones espaciales. [36] 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. [23]

Durante la década de 1970, se llevaron a cabo muchas búsquedas de núcleos superpesados ​​de larga vida. En laboratorios de todo el mundo se llevaron a cabo experimentos destinados a sintetizar elementos con números atómicos comprendidos entre 110 y 127. [52] [53] 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. [54] 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 produjera isótopos del elemento 126. [55] Ninguno de estos intentos tuvo éxito, [52] [53] , lo que indica que tales experimentos pueden no haber sido lo suficientemente sensibles si las secciones transversales de reacción fueran bajas, lo que resulta en rendimientos más bajos, o que cualquier núcleo alcanzable a través de tales reacciones de fusión-evaporación podría tener una vida demasiado corta para su detección. [j] Experimentos exitosos posteriores revelan que las vidas medias y las secciones transversales efectivamente disminuyen al aumentar el número atómico, lo que resulta en la síntesis de solo unos pocos átomos de vida corta de los elementos más pesados ​​en cada experimento; [56] a partir de 2022 , la sección transversal más alta reportada para un nucleido superpesado cerca de la isla de estabilidad es de 288 Mc en la reacción entre 243 Am y 48 Ca. [42]

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. [57] A pesar de estos intentos fallidos de observar núcleos superpesados ​​de larga vida, [34] se sintetizaron nuevos elementos superpesados ​​cada pocos años en laboratorios mediante bombardeo de iones ligeros y reacciones de fusión fría [k] ; El rutherfordio, el primer transactínido , se descubrió en 1969, y el copernicio, ocho protones más cercano a la isla de estabilidad prevista en Z  = 114, se alcanzó en 1996. Aunque las vidas medias de estos núcleos son muy cortas (del orden de segundos ), [40] la existencia misma 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 una rápida fisión espontánea. [19]

El flerovio, con los esperados 114 protones mágicos, fue sintetizado por primera vez en 1998 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna , Rusia, por un grupo de físicos liderados por Yuri Oganessian . Se detectó un solo átomo del elemento 114, con una vida media de 30,4 segundos, y sus productos de desintegración tenían vidas medias mensurables en minutos. [58] 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 [l] u observadas para elementos superpesados, [58] este evento fue visto como un "ejemplo de libro de texto". " de una cadena de decadencia característica de la isla de estabilidad, lo que proporciona una fuerte evidencia de la existencia de la isla de estabilidad en esta región. [60] Aunque la cadena original de 1998 no se volvió a observar y su asignación sigue siendo incierta, [44] otros experimentos exitosos en las siguientes dos décadas llevaron al descubrimiento de todos los elementos hasta el oganesson , cuyas vidas medias se encontró que excedían valores inicialmente previstos; Estas propiedades de descomposición respaldan aún más la presencia de la isla de estabilidad. [6] [47] [61] Sin embargo, un estudio de 2021 sobre las cadenas de desintegración de los isótopos de flerovium sugiere que no existe un fuerte efecto estabilizador de Z  = 114 en la región de los núcleos conocidos ( N  = 174), [62] y que La estabilidad adicional sería predominantemente una consecuencia del cierre de la capa de neutrones. [37] Aunque a los núcleos conocidos todavía les faltan varios neutrones para alcanzar N  = 184, donde se espera la máxima estabilidad (los núcleos confirmados más ricos en neutrones, 293 Lv y 294 Ts, sólo alcanzan N  = 177), y la ubicación exacta del centro de la isla sigue siendo desconocida, [5] [6]  se ha demostrado la tendencia de aumento de la estabilidad más cercana a N = 184. Por ejemplo, el isótopo 285 Cn, con ocho neutrones más que el 277 Cn, tiene una vida media casi cinco órdenes de magnitud más larga. Se espera que esta tendencia continúe en isótopos más pesados ​​desconocidos en las proximidades del cierre de la capa. [63]

Núcleos deformados

Un diagrama de las cadenas de desintegración observadas de nucleidos superpesados ​​incluso Z, que constan de varias desintegraciones alfa y terminan en una fisión espontánea.
Un resumen de las cadenas de desintegración observadas en elementos superpesados ​​pares Z , incluidas asignaciones provisionales en las cadenas 3, 5 y 8. [44] Existe una tendencia general de estabilidad creciente para 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.

Aunque se predice que los núcleos dentro de la isla de estabilidad alrededor de N  = 184 serán esféricos , estudios de principios de la década de 1990, comenzando con los físicos polacos Zygmunt Patyk y Adam Sobiczewski en 1991 [64] , sugieren que algunos elementos superpesados ​​no tienen núcleos perfectamente esféricos. [65] [66] 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 , [66] provocando que los números mágicos cambien o que 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 capa de los núcleos deformados; por tanto, estos núcleos superpesados ​​sólo sufrirían desintegración alfa. [67] [68] [69] Ahora se cree que el hasio-270 es un núcleo deformado doblemente mágico, con números mágicos deformados Z  = 108 y N  = 162. [70] Tiene una vida media de 9 segundos. [40] Esto es consistente con los modelos que tienen en cuenta la naturaleza deformada de los núcleos intermedios entre los actínidos y la isla de estabilidad cerca de N  = 184, en los que emerge una "península" de estabilidad en los números mágicos deformados Z  = 108 y N  = 162. [71] [72] La determinación de las propiedades de desintegración de los isótopos vecinos de hasio y seaborgio cerca de N  = 162 proporciona evidencia más sólida de esta región de estabilidad relativa en núcleos deformados. [50] 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. [71] [73]

Propiedades de descomposición previstas

Un diagrama que representa los cuatro modos principales de desintegración (alfa, captura de electrones, beta y fisión espontánea) de núcleos superpesados ​​conocidos y previstos.
Un diagrama que representa los modos de desintegración previstos de núcleos superpesados, con los núcleos observados con contornos negros. Se predice que los núcleos con mayor deficiencia de neutrones, así como los que se encuentran inmediatamente más allá del cierre de la capa en N  = 184, sufrirán predominantemente fisión espontánea (FS), mientras que la desintegración alfa (α) puede dominar en los núcleos con deficiencia de neutrones más cercanos a la isla, y una cantidad 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. [2]

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 las vidas medias de estos núcleos son relativamente cortas, del orden de minutos o días. [5] Algunos cálculos teóricos indican que sus vidas medias pueden ser largas, del orden de 100 años, [2] [56] o posiblemente hasta 10 9 años. [49]

 Se predice que el cierre de la capa en N = 184 dará como resultado vidas medias parciales más largas para la desintegración alfa y la fisión espontánea. [2] Se cree que el cierre de la capa resultará en barreras de fisión más altas para los núcleos alrededor de 298 Fl, lo que dificultará fuertemente la fisión y quizás resulte en vidas medias de fisión 30 órdenes de magnitud mayores que las de los núcleos que no se ven afectados por el cierre de la capa. [34] [74] Por ejemplo, el isótopo deficiente en neutrones 284 Fl (con N  = 170) sufre fisión con una vida media de 2,5 milisegundos y se cree que es uno de los nucleidos más deficientes en neutrones y con mayor estabilidad en la vecindad del  cierre del caparazón N = 184. [43] 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 [m] y la posible observación [j] de núcleos superpesados ​​lejos de la isla de estabilidad (es decir, para N  < 170 como así como para Z  > 120 y N  > 184). [14] [19] Estos núcleos pueden sufrir desintegración alfa o fisión espontánea en microsegundos o menos, con algunas vidas medias de fisión estimadas del orden de 10 −20 segundos en ausencia de barreras de fisión. [67] [68] [69] [74] Por el contrario, 298 Fl (que se predice que se encuentra dentro de la región de máximos efectos de capa) puede tener una vida media de fisión espontánea mucho más larga, posiblemente del orden de 10 19 años. [34]

En el centro de la isla, puede haber competencia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea, aunque la proporción exacta depende del modelo. [2] Las vidas medias 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 tanto experimentales como teóricos , y están de acuerdo con las vidas medias observadas para algunos de los isótopos más pesados. [67] [68] [69] [78] [79] [80]

También se prevé que los nucleidos de vida más larga se encuentren en la línea de estabilidad beta , ya que se prevé que la desintegración beta compita 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 previstos 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 importantes ramas de desintegración beta en nucleidos como 291 Fl y 291 Nh; estos nucleidos tienen sólo unos pocos neutrones más que los nucleidos conocidos y podrían desintegrarse a través de un "camino estrecho" hacia el centro de la isla de estabilidad. [1] [2] El posible papel de la desintegración beta es muy incierto, ya que se predice que algunos isótopos de estos elementos (como 290 Fl y 293 Mc) tendrán vidas medias parciales más cortas para la desintegración alfa. La desintegración beta reduciría la competencia y daría como resultado que la desintegración alfa siguiera siendo el canal de desintegración dominante, a menos que exista estabilidad adicional hacia la desintegración alfa en los isómeros superdeformados de estos nucleidos. [81]

Un diagrama que representa los cuatro modos principales de desintegración (alfa, captura de electrones, beta y fisión espontánea) de núcleos superpesados ​​conocidos y previstos, según el modelo KTUY.
Este gráfico de modos de desintegración previstos, derivado de investigaciones teóricas 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 (encerrados en un círculo). Esta es la región donde la línea de estabilidad beta cruza la región estabilizada por el cierre de la capa en N  = 184. A la izquierda y a la derecha, las vidas medias disminuyen a medida que la fisión se convierte en el modo de desintegración dominante, en consonancia con otros modelos. [14] [74]

Considerando todos los modos de desintegración, varios modelos indican un desplazamiento del centro de la isla (es decir, el nucleido más longevo) de 298 Fl a un número atómico más bajo, y competencia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea en estos nucleidos; [82] estos incluyen vidas medias de 100 años para 291 Cn y 293 Cn, [56] [77] una vida media de 1000 años para 296 Cn, [56] una vida media de 300 años para 294 Ds, [ 74] y una vida media de 3500 años para 293 Ds, [83] [84] con 294 Ds y 296 Cn exactamente en el cierre de la concha N  = 184. También se ha postulado que esta región de estabilidad mejorada para elementos con 112 ≤  Z  ≤ 118 puede ser una consecuencia de la deformación nuclear, y que el verdadero centro de la isla de estabilidad para núcleos esféricos superpesados ​​se encuentra alrededor de 306 Ubb ( Z  = 122 , norte  = 184). [20] Este modelo define la isla de estabilidad como la región con mayor resistencia a la fisión en lugar de la vida media total más larga; [20] Todavía se predice que el nucleido 306 Ubb tendrá una vida media corta con respecto a la desintegración alfa. [2] [69] La isla de estabilidad para los núcleos esféricos también puede ser un "arrecife de coral" (es decir, una amplia región de mayor estabilidad sin un "pico" claro) alrededor de N  = 184 y 114 ≤  Z  ≤ 120, con la mitad -las vidas disminuyen rápidamente a mayor número atómico, debido a los efectos combinados del cierre de las capas de protones y neutrones. [85]

Los físicos rumanos Dorin N. Poenaru y Radu A. Gherghescu y el físico alemán Walter Greiner propusieron que otro modo de desintegración potencialmente significativo para los elementos superpesados ​​más pesados ​​sería la desintegración de cúmulos . Se espera que su relación de ramificación con respecto a la desintegración alfa aumente con el número atómico, de modo que pueda competir con la desintegración alfa alrededor de Z  = 120, y tal vez convertirse en el modo de desintegración dominante para nucleidos más pesados ​​alrededor de Z  = 124. Como tal, se espera que desempeñe un papel importante en la desintegración alfa. 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 tenga un número atómico mayor que el previsto. [86]

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 puede 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 la fisión  inducida por neutrones o beta retardada (respectivamente, la captura de neutrones y la desintegración beta seguida inmediatamente por la fisión) se convertirán en los principales canales de reacción. Como resultado, la desintegración beta hacia la isla de estabilidad puede ocurrir sólo dentro de un camino muy estrecho o puede quedar completamente bloqueada por fisión, impidiendo así la síntesis de nucleidos dentro de la isla. [87] 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 mediciones mensurables. cantidades para persistir en la naturaleza. [88] [n] Varios estudios que utilizan espectroscopia de masas con aceleradores y centelleadores de cristales han informado límites superiores de la abundancia natural de tales núcleos superpesados ​​de larga vida del orden de10 −14 en relación con sus homólogos estables . [91]

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 presentarse con una abundancia de 10 −12 en relación con el plomo, por lo que pueden ser detectables en los rayos cósmicos . . [63] De manera similar, en un experimento de 2013, un grupo de físicos rusos dirigido por Aleksandr Bagulya informó la posible observación de tres núcleos cosmogénicos superpesados ​​en cristales de olivino en meteoritos. Se estimó que el número atómico de estos núcleos estaba 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 firmemente la existencia de una isla de estabilidad y es consistente con los cálculos teóricos de las vidas medias de estos nucleidos. [92] [93] [94]

La desintegración de elementos pesados ​​y de vida larga en la isla de estabilidad es una explicación propuesta para la presencia inusual de isótopos radiactivos de vida corta observados en la estrella de Przybylski . [95]

Síntesis y dificultades

Un gráfico 3D de estabilidad de elementos versus número de protones Z y neutrones N, que muestra una "cadena montañosa" que recorre diagonalmente el gráfico desde los números bajos a altos, así como una "isla de estabilidad" en N y Z altos.
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 aportan la cantidad necesaria de neutrones. Los haces de iones radiactivos (como el 44 S) en combinación con objetivos de actínidos (como el 248 Cm ) pueden permitir la producción de más núcleos ricos en neutrones más cerca del centro de la isla de estabilidad, aunque dichos haces no están disponibles actualmente en las intensidades requeridas. para realizar tales experimentos. [63] [96] [97] Varios isótopos más pesados, como 250 Cm y 254 Es , aún pueden usarse como objetivos, lo que permite la producción de isótopos con uno o dos neutrones más que los isótopos conocidos, [63] aunque la producción de varios miligramos de estos isótopos raros crear un objetivo es difícil. [98] También puede ser posible investigar canales de reacción alternativos en las mismas reacciones de fusión-evaporación inducidas por 48 Ca que pueblan los isótopos conocidos más ricos en neutrones, es decir, aquellos con una energía de excitación más baja (lo que resulta en una menor emisión de neutrones durante la desintegración). -excitación), o aquellos que implican la evaporación de partículas cargadas ( pxn , evaporando un protón y varios neutrones, o αxn , evaporando una partícula alfa y varios neutrones). [99] Esto puede permitir la síntesis de isótopos enriquecidos con neutrones de los elementos 111-117. [100] Aunque las secciones transversales predichas son del orden de 1 a 900  fb , más pequeñas que cuando solo se evaporan neutrones ( canales xn ), aún puede ser posible generar isótopos de elementos superpesados ​​que de otro modo serían inalcanzables en estas reacciones. [99] [100] [101] Algunos de estos isótopos más pesados ​​(como 291 Mc, 291 Fl y 291 Nh) también pueden sufrir captura de electrones (convertir un protón en un neutrón) además de desintegración alfa con semidesintegraciones relativamente largas. vidas, descomponiéndose en 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 medida hipotético, ya que aún no se ha sintetizado ningún núcleo superpesado cerca de la línea de estabilidad beta y las predicciones de sus propiedades varían considerablemente entre los diferentes modelos. [1] [63]

El proceso de captura lenta de neutrones utilizado para producir nucleidos tan pesados ​​como 257 Fm 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 salvar esta brecha, así como otra región de inestabilidad prevista alrededor de A  = 275 y Z  = 104-108, en una serie de explosiones nucleares controladas con un mayor flujo de neutrones (unas mil veces mayor que los flujos en las zonas existentes). reactores) que imita el proceso r astrofísico . [63] Propuesta 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; [1] el papel de la fisión en nucleidos superpesados ​​intermedios es muy incierto y puede influir fuertemente en el rendimiento de dicha reacción. [87]

Gráfico JAEA de nucleidos hasta Z = 149 y N = 256 que muestra los modos de desintegración previstos y la línea de estabilidad beta
Este gráfico de nucleidos utilizado por la Agencia de Energía Atómica de Japón muestra los modos de desintegración conocidos (encuadrados) y previstos de los núcleos hasta Z  = 149 y N  = 256. Las regiones de mayor estabilidad son visibles alrededor de los cierres de capas previstos en N  = 184 ( 294 Ds) . – 298 Fl) y N  = 228 ( 354 126), separados por una brecha de núcleos de fisión de vida corta ( t 1/2  < 1 ns; no coloreados en el gráfico). [74]

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). [96] Este mecanismo de cuasifisión inversa (fusión parcial seguida de fisión, con un alejamiento del equilibrio de masas que da como resultado productos más asimétricos) [102] puede proporcionar un camino hacia la isla de estabilidad si los efectos de capa alrededor de Z  = 114 son lo suficientemente fuertes. , aunque se predice que elementos más ligeros como el nobelio y el seaborgio ( Z  = 102-106) tendrán mayores rendimientos. [63] [103] Los estudios preliminares de las reacciones de transferencia de 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 incluso más pesados, como el 254 Es (si está disponible), pueden permitir la producción de elementos superpesados. [104] Este resultado está respaldado por un cálculo posterior que sugiere que el rendimiento de nucleidos superpesados ​​(con Z  ≤ 109) probablemente será mayor en reacciones de transferencia que utilizan objetivos más pesados. [97] Un estudio de 2018 de la reacción 238 U +  232 Th en el Instituto Ciclotrón Texas A&M realizado por Sara Wuenschel et al. encontraron varias desintegraciones alfa desconocidas que posiblemente puedan atribuirse a nuevos isótopos ricos en neutrones de elementos superpesados ​​con 104 <  Z  < 116, aunque se requieren más investigaciones para determinar sin ambigüedades el número atómico de los productos. [97] [105] Este resultado sugiere fuertemente que los efectos de capa tienen una influencia significativa en las secciones transversales, y que la isla de estabilidad posiblemente podría alcanzarse en experimentos futuros con reacciones de transferencia. [105]

Otras islas de estabilidad

Otros cierres de caparazón 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 sobre la ubicación de los próximos números mágicos varían considerablemente, se cree que existen dos islas importantes 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). [34] [74] [106] Los nucleidos dentro de estas dos islas de estabilidad podrían ser especialmente resistentes a la fisión espontánea y tener vidas medias de desintegración alfa medibles en años, teniendo así una estabilidad comparable a la de los elementos cercanos al flerovium . [34] También pueden aparecer otras regiones de relativa estabilidad con cierres de capas de protones más débiles en nucleidos beta estables; tales posibilidades incluyen regiones cercanas a 342 126 [107] y 462 154. [108] 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 las proximidades de los efectos de las capas. [109] Esto puede tener la consecuencia de aislar estas islas del mapa principal de nucleidos , ya que los nucleidos intermedios y tal vez elementos en un "mar de inestabilidad" sufrirían rápidamente fisión y esencialmente serían inexistentes. [106] También es posible que más allá de una región de relativa estabilidad 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, sufran fisión con vidas muy cortas, haciéndolos esencialmente inexistentes incluso en las proximidades de números mágicos mayores. [107]

También se ha postulado que en la región más allá de A  > 300, puede existir todo un " continente de estabilidad " 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 materia bariónica con una mayor energía de enlace por barión que la materia nuclear , favoreciendo la desintegración de la materia nuclear más allá de este umbral de masa en materia de quarks. Si este estado de la materia existe, 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, suficiente para superar la repulsión de Coulomb. [110]

Ver también

Notas

  1. ^ Se creía que el elemento estable más pesado era el bismuto (número atómico 83) hasta 2003, cuando se observó que su único isótopo estable, 209 Bi , experimentaba desintegración alfa. [10]
  2. ^ Teóricamente es posible que otros nucleidos observablemente estables se descompongan, aunque sus vidas medias previstas son tan largas que este proceso nunca se ha observado. [11]
  3. ^ Una región de mayor estabilidad abarca el torio ( Z  = 90) y el uranio ( Z  = 92), cuyas vidas medias son comparables a la edad de la Tierra . Los elementos intermedios entre el bismuto y el torio tienen vidas medias más cortas y los núcleos más pesados ​​más allá del uranio se vuelven más inestables a medida que aumenta el número atómico. [12]
  4. ^ Diferentes fuentes dan diferentes valores para las vidas medias; los valores publicados más recientemente en la literatura y NUBASE se enumeran como referencia.
  5. ^ Los 278 Bh no confirmados pueden tener una vida media más larga, de 11,5 minutos. [44]
  6. ^ abcdefghij Para los elementos 109-118, el isótopo conocido de mayor duración es siempre el más pesado descubierto hasta ahora. Esto hace que parezca probable que existan isótopos de vida más larga no descubiertos entre los aún más pesados. [47]
  7. ^ Las 282 Mt no confirmadas pueden tener una vida media más larga, de 1,1 minutos. [44]
  8. ^ El 286 Rg no confirmado puede tener una vida media más larga, de 10,7 minutos. [44]
  9. ^ El 290 Fl no confirmado puede tener una vida media más larga, de 19 segundos. [44]
  10. ^ ab Si bien dichos núcleos pueden sintetizarse y registrarse una serie de señales de desintegración, las desintegraciones más rápidas que un microsegundo pueden acumularse con señales posteriores y, por lo tanto, ser indistinguibles, especialmente cuando se pueden formar múltiples núcleos no caracterizados y emitir una serie de partículas alfa similares. . [76] La principal dificultad es, por tanto, atribuir las desintegraciones al núcleo original correcto , ya que un átomo superpesado que se desintegra antes de llegar al detector no se registrará en absoluto. [77]
  11. ^ Este es un concepto distinto de la fusión hipotética cerca de la temperatura ambiente ( fusión fría ); en cambio, se refiere a reacciones de fusión con menor energía de excitación.
  12. ↑ Oganessian afirmó que el elemento 114 tendría una vida media del orden de 10 −19  s en ausencia de efectos estabilizadores en las cercanías de la isla teorizada. [59]
  13. ^ La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) define el límite de existencia nuclear en una vida media de 10 −14 segundos; este es aproximadamente el tiempo necesario para que los nucleones se organicen en capas nucleares y formen así un nucleido. [75]
  14. ↑ La observación de isótopos de larga duración de roentgenio (con A  = 261, 265) y unbibium ( A  = 292) en la naturaleza ha sido afirmada por el físico israelí Amnon Marinov et al., [89] [90] a través de evaluaciones de la técnica. utilizados y las búsquedas posteriores fallidas arrojan dudas considerables sobre estos resultados. [53] [91]

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Bibliografía

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