El unbiquadio , también conocido como elemento 124 o eka-uranio , es un elemento químico hipotético; tiene el símbolo de marcador de posición Ubq y número atómico 124. Unbiquadio y Ubq son el nombre y el símbolo IUPAC temporales , respectivamente, hasta que se descubra el elemento, se confirme y se decida un nombre permanente. En la tabla periódica, se espera que el unbiquadio sea un superactínido del bloque g y el sexto elemento en el octavo período . El unbiquadio ha atraído la atención, ya que puede encontrarse dentro de la isla de estabilidad , lo que lleva a vidas medias más largas, especialmente para 308 Ubq, que se predice que tiene un número mágico de neutrones (184).
A pesar de varias búsquedas, no se ha sintetizado unbiquadium ni se ha encontrado la existencia de isótopos naturales . Se cree que la síntesis de unbiquadium será mucho más complicada que la de elementos más ligeros no descubiertos , y la inestabilidad nuclear puede plantear más dificultades para identificar el unbiquadium, a menos que la isla de estabilidad tenga un efecto estabilizador más fuerte que el previsto en esta región.
Como miembro de la serie de los superactínidos, se espera que el unbiquadio tenga cierta semejanza con su posible congénere más ligero, el uranio . Se espera que los electrones de valencia del unbiquadio participen en reacciones químicas con bastante facilidad, aunque los efectos relativistas pueden influir significativamente en algunas de sus propiedades; por ejemplo, se ha calculado que la configuración electrónica difiere considerablemente de la predicha por el principio de Aufbau .
Un núcleo atómico superpesado [a] se crea en una reacción nuclear que combina otros dos núcleos de tamaño desigual [b] en uno; aproximadamente, cuanto más desiguales sean los dos núcleos en términos de masa , mayor será la posibilidad de que los dos reaccionen. [7] El material hecho de los núcleos más pesados se convierte en un objetivo, que luego es bombardeado por el haz de núcleos más ligeros. Dos núcleos solo pueden fusionarse en uno si se aproximan lo suficiente; normalmente, los núcleos (todos cargados positivamente) se repelen entre sí debido a la repulsión electrostática . La interacción fuerte puede superar esta repulsión, pero solo a una distancia muy corta de un núcleo; los núcleos del haz se aceleran así en gran medida para que dicha repulsión sea insignificante en comparación con la velocidad del núcleo del haz. [8] La energía aplicada a los núcleos del haz para acelerarlos puede hacer que alcancen velocidades tan altas como una décima parte de la velocidad de la luz . Sin embargo, si se aplica demasiada energía, el núcleo del haz puede desmoronarse. [8]
El hecho de acercarse lo suficiente no es suficiente para que dos núcleos se fusionen: cuando dos núcleos se aproximan, suelen permanecer juntos durante unos 10 −20 segundos y luego se separan (no necesariamente en la misma composición que antes de la reacción) en lugar de formar un solo núcleo. [8] [9] Esto sucede porque durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. [8] Cada par de un objetivo y un haz se caracteriza por su sección transversal : la probabilidad de que se produzca la fusión si dos núcleos se aproximan entre sí expresada en términos del área transversal que la partícula incidente debe golpear para que se produzca la fusión. [c] Esta fusión puede ocurrir como resultado del efecto cuántico en el que los núcleos pueden hacer un túnel a través de la repulsión electrostática. Si los dos núcleos pueden permanecer cerca después de esa fase, las interacciones nucleares múltiples dan como resultado una redistribución de energía y un equilibrio energético. [8]
La fusión resultante es un estado excitado [12] —denominado núcleo compuesto— y por lo tanto es muy inestable. [8] Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin la formación de un núcleo más estable. [13] Alternativamente, el núcleo compuesto puede expulsar algunos neutrones , que se llevarían la energía de excitación; si esta última no es suficiente para una expulsión de neutrones, la fusión produciría un rayo gamma . Esto sucede en unos 10 −16 segundos después de la colisión nuclear inicial y da como resultado la creación de un núcleo más estable. [13] La definición del Grupo de Trabajo Conjunto IUPAC/IUPAP (JWP) establece que un elemento químico solo puede reconocerse como descubierto si un núcleo del mismo no se ha desintegrado en 10 −14 segundos. Este valor se eligió como una estimación de cuánto tiempo tarda un núcleo en adquirir electrones y, por lo tanto, mostrar sus propiedades químicas. [14] [d]
El haz pasa a través del objetivo y llega a la siguiente cámara, el separador; si se produce un nuevo núcleo, se transporta con este haz. [16] En el separador, el núcleo recién producido se separa de otros nucleidos (el del haz original y cualquier otro producto de reacción) [e] y se transfiere a un detector de barrera de superficie , que detiene el núcleo. La ubicación exacta del próximo impacto en el detector está marcada; también se marcan su energía y el tiempo de llegada. [16] La transferencia tarda unos 10 −6 segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir este tiempo. [19] El núcleo se registra nuevamente una vez que se registra su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de la desintegración. [16]
La estabilidad de un núcleo la proporciona la interacción fuerte. Sin embargo, su alcance es muy corto; a medida que los núcleos se hacen más grandes, su influencia sobre los nucleones más externos ( protones y neutrones) se debilita. Al mismo tiempo, el núcleo se desgarra por la repulsión electrostática entre protones, y su alcance no está limitado. [20] La energía de enlace total proporcionada por la interacción fuerte aumenta linealmente con el número de nucleones, mientras que la repulsión electrostática aumenta con el cuadrado del número atómico, es decir, este último crece más rápido y se vuelve cada vez más importante para los núcleos pesados y superpesados. [21] [22] Por lo tanto, se predice teóricamente [23] y hasta ahora se ha observado [24] que los núcleos superpesados se desintegran predominantemente a través de modos de desintegración que son causados por dicha repulsión: desintegración alfa y fisión espontánea . [f] Casi todos los emisores alfa tienen más de 210 nucleones, [26] y el nucleido más ligero que experimenta principalmente fisión espontánea tiene 238. [27] En ambos modos de desintegración, los núcleos no pueden desintegrarse mediante barreras de energía correspondientes para cada modo, pero se pueden atravesar mediante un túnel. [21] [22]
Las partículas alfa se producen comúnmente en desintegraciones radiactivas porque la masa de una partícula alfa por nucleón es lo suficientemente pequeña como para dejar algo de energía para que la partícula alfa se use como energía cinética para salir del núcleo. [29] La fisión espontánea es causada por la repulsión electrostática que desgarra el núcleo y produce varios núcleos en diferentes instancias de fisión de núcleos idénticos. [22] A medida que aumenta el número atómico, la fisión espontánea rápidamente se vuelve más importante: las vidas medias parciales de fisión espontánea disminuyen en 23 órdenes de magnitud desde el uranio (elemento 92) hasta el nobelio (elemento 102), [30] y en 30 órdenes de magnitud desde el torio (elemento 90) hasta el fermio (elemento 100). [31] El modelo anterior de gota líquida sugería que la fisión espontánea ocurriría casi instantáneamente debido a la desaparición de la barrera de fisión para núcleos con aproximadamente 280 nucleones. [22] [32] El modelo de capas nucleares posterior sugirió que los núcleos con alrededor de 300 nucleones formarían una isla de estabilidad en la que los núcleos serán más resistentes a la fisión espontánea y sufrirán principalmente desintegración alfa con vidas medias más largas. [22] [32] Descubrimientos posteriores sugirieron que la isla predicha podría estar más lejos de lo que se anticipó originalmente; también mostraron que los núcleos intermedios entre los actínidos de larga vida y la isla predicha se deforman y ganan estabilidad adicional a partir de los efectos de capa. [33] Los experimentos en núcleos superpesados más ligeros, [34] así como aquellos más cercanos a la isla esperada, [30] han demostrado una estabilidad mayor que la anticipada previamente contra la fisión espontánea, lo que muestra la importancia de los efectos de capa en los núcleos. [g]
Las desintegraciones alfa son registradas por las partículas alfa emitidas, y los productos de la desintegración son fáciles de determinar antes de la desintegración real; si tal desintegración o una serie de desintegraciones consecutivas produce un núcleo conocido, el producto original de una reacción puede determinarse fácilmente. [h] (Que todas las desintegraciones dentro de una cadena de desintegración estaban de hecho relacionadas entre sí se establece por la ubicación de estas desintegraciones, que deben estar en el mismo lugar.) [16] El núcleo conocido puede reconocerse por las características específicas de la desintegración que sufre, como la energía de desintegración (o más específicamente, la energía cinética de la partícula emitida). [i] La fisión espontánea, sin embargo, produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no puede determinarse a partir de sus hijos. [j]
La información disponible para los físicos que intentan sintetizar un elemento superpesado es, por tanto, la información recogida en los detectores: posición, energía y tiempo de llegada de una partícula al detector, y los de su desintegración. Los físicos analizan estos datos y tratan de concluir que efectivamente fue causado por un nuevo elemento y no podría haber sido causado por un nucleido diferente del que se afirma. A menudo, los datos proporcionados son insuficientes para concluir que definitivamente se creó un nuevo elemento y no hay otra explicación para los efectos observados; se han cometido errores en la interpretación de los datos. [k]Debido a que las capas nucleares completas (o, equivalentemente, un número mágico de protones o neutrones ) pueden conferir estabilidad adicional a los núcleos de elementos superpesados, acercándose al centro de la isla de estabilidad , se pensó que la síntesis del elemento 124 o elementos cercanos poblarían núcleos de vida más larga dentro de la isla. Los científicos de GANIL (Gran Acelerador Nacional de Iones de Lourds) intentaron medir la fisión directa y retardada de núcleos compuestos de elementos con Z = 114, 120 y 124 para investigar los efectos de capa en esta región y localizar la siguiente capa esférica de protones. En 2006, con resultados completos publicados en 2008, el equipo proporcionó resultados de una reacción que implicaba el bombardeo de un objetivo de germanio natural con iones de uranio: [45]
El equipo informó que habían podido identificar núcleos compuestos fisionándose con vidas medias > 10 −18 s. Este resultado sugiere un fuerte efecto estabilizador en Z = 124 y apunta a la siguiente capa de protones en Z > 120, no en Z = 114 como se pensaba anteriormente. Un núcleo compuesto es una combinación suelta de nucleones que aún no se han organizado en capas nucleares. No tiene estructura interna y se mantiene unido solo por las fuerzas de colisión entre los núcleos del objetivo y del proyectil. Se estima que se requieren alrededor de 10 −14 s para que los nucleones se organicen en capas nucleares, momento en el que el núcleo compuesto se convierte en un nucleido , y este número es utilizado por la IUPAC como la vida media mínima que debe tener un isótopo reclamado para ser potencialmente reconocido como descubierto. Por lo tanto, los experimentos GANIL no cuentan como un descubrimiento del elemento 124. [45]
La fisión del núcleo compuesto 312 124 también se estudió en 2006 en el acelerador de iones pesados en tándem ALPI en los Laboratori Nazionali di Legnaro (Laboratorios Nacionales de Legnaro) en Italia: [46]
De manera similar a experimentos previos realizados en el JINR ( Instituto Conjunto de Investigación Nuclear ), los fragmentos de fisión se agruparon alrededor de núcleos doblemente mágicos como 132 Sn ( Z = 50, N = 82), revelando una tendencia de los núcleos superpesados a expulsar dichos núcleos doblemente mágicos en la fisión. [47] También se encontró que el número promedio de neutrones por fisión del núcleo compuesto 312 124 (en relación con los sistemas más ligeros) aumentaba, lo que confirma que la tendencia de los núcleos más pesados a emitir más neutrones durante la fisión continúa en la región de masa superpesada. [46]
Un estudio realizado en 1976 por un grupo de investigadores estadounidenses de varias universidades propuso que los elementos superpesados primordiales , principalmente livermorio , unbiquadio, unbihexo y unbiseptio , podrían ser una causa de daño por radiación inexplicable (particularmente radiohalos ) en minerales. [48] Luego se sugirió que el unbiquadio existía en la naturaleza con su posible congénere uranio en cantidades detectables, con una abundancia relativa de 10 −11 . [49] Se pensaba que tales núcleos de unbiquadio experimentaban desintegración alfa con vidas medias muy largas hasta el flerovio , que luego existiría en el plomo natural en una concentración similar (10 −11 ) y experimentaría fisión espontánea . [49] [50] Esto impulsó a muchos investigadores a buscarlos en la naturaleza desde 1976 hasta 1983. Un grupo dirigido por Tom Cahill, profesor de la Universidad de California en Davis , afirmó en 1976 que habían detectado partículas alfa y rayos X con las energías adecuadas para causar el daño observado, apoyando la presencia de estos elementos. Otros afirmaron que no se había detectado ninguno y cuestionaron las características propuestas de los núcleos superpesados primigenios. [51] En particular, citaron que el número mágico N = 228 necesario para una mayor estabilidad crearía un núcleo excesivo de neutrones en unbiquadium que no sería beta-estable . También se propuso que esta actividad fuera causada por transmutaciones nucleares en cerio natural , lo que generó más ambigüedad sobre esta supuesta observación de elementos superpesados. [52]
No se sabe con certeza cuál es la extensión posible de los elementos superpesados primordiales en la Tierra en la actualidad. Incluso si se confirma que causaron el daño por radiación hace mucho tiempo, es posible que ahora se hayan desintegrado hasta quedar en meros rastros, o incluso que hayan desaparecido por completo. [53] También es incierto si estos núcleos superpesados pueden producirse de forma natural, ya que se espera que la fisión espontánea ponga fin al proceso r responsable de la formación de elementos pesados entre los números de masa 270 y 290, mucho antes de que se puedan formar elementos como el unbiquadio. [54]
Usando las recomendaciones de la IUPAC de 1979 , el elemento debería ser llamado temporalmente unbiquadium (símbolo Ubq ) hasta que sea descubierto, se confirme el descubrimiento y se elija un nombre permanente. [55] Aunque se usan ampliamente en la comunidad química en todos los niveles , desde las aulas de química hasta los libros de texto avanzados, las recomendaciones son ignoradas en su mayoría entre los científicos que trabajan teórica o experimentalmente en elementos superpesados, quienes lo llaman "elemento 124", con el símbolo E124 , (124) o 124. [56] Algunos investigadores también se han referido al unbiquadium como eka-uranio , [50] un nombre derivado del sistema que Dmitri Mendeleev usó para predecir elementos desconocidos, aunque tal extrapolación podría no funcionar para elementos del bloque g sin congéneres conocidos y eka-uranio se referiría en cambio al elemento 144 [57] o 146 [58] cuando el término pretende denotar el elemento directamente debajo del uranio.
Cada elemento desde el mendelevio en adelante se produjo en reacciones de fusión-evaporación, que culminaron en el descubrimiento del elemento más pesado conocido, el oganesón, en 2002 [59] [60] y, más recientemente, la tennessina en 2010. [61] Estas reacciones se acercaron al límite de la tecnología actual; por ejemplo, la síntesis de tennessina requirió 22 miligramos de 249 Bk y un haz intenso de 48 Ca durante seis meses. La intensidad de los haces en la investigación de elementos superpesados no puede superar los 10 12 proyectiles por segundo sin dañar el objetivo y el detector, y producir cantidades mayores de objetivos de actínidos cada vez más raros e inestables es poco práctico. [62] En consecuencia, los experimentos futuros deben realizarse en instalaciones como la fábrica de elementos superpesados (SHE-factory) en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) o RIKEN , que permitirá que los experimentos se realicen durante períodos de tiempo más largos con mayores capacidades de detección y posibilitarán reacciones que de otro modo serían inaccesibles. [63] Aun así, se espera que sea un gran desafío continuar más allá de los elementos 120 o 121 dadas las cortas vidas medias previstas y las bajas secciones eficaces previstas. [64]
La producción de nuevos elementos superpesados requerirá proyectiles más pesados que 48 Ca, que se utilizó con éxito en el descubrimiento de los elementos 114-118, aunque esto necesita reacciones más simétricas que son menos favorables. [65] Por lo tanto, es probable que las reacciones entre 58 Fe y un objetivo de 249 Cf [64] o 251 Cf sean las más prometedoras. [66] Los estudios sobre la fisión de varios núcleos compuestos superpesados han encontrado que la dinámica de las reacciones inducidas por 48 Ca y 58 Fe son similares, lo que sugiere que los proyectiles de 58 Fe pueden ser viables para producir núcleos superpesados hasta Z = 124 o posiblemente 125. [62] [67] También es posible que una reacción con 251 Cf produzca el núcleo compuesto 309 Ubq* con 185 neutrones, inmediatamente por encima del cierre de la capa N = 184. Por esta razón, se predice que el núcleo compuesto tiene una probabilidad de supervivencia relativamente alta y una energía de separación de neutrones baja, lo que lleva a los canales 1n-3n y los isótopos 306-308 Ubq con una sección transversal relativamente alta. [66] Estas dinámicas son altamente especulativas, ya que la sección transversal puede ser mucho menor si las tendencias en la producción de elementos 112-118 continúan o las barreras de fisión son menores de lo esperado, independientemente de los efectos de capa, lo que lleva a una menor estabilidad contra la fisión espontánea (que es de creciente importancia). [64] No obstante, la perspectiva de alcanzar la capa N = 184 en el lado rico en protones de la tabla de nucleidos al aumentar el número de protones se ha considerado durante mucho tiempo; ya en 1970, el físico nuclear soviético Georgy Flyorov sugirió bombardear un objetivo de plutonio con proyectiles de zinc para producir isótopos del elemento 124 en la capa N = 184. [68]
El unbiquadium es de interés para los investigadores debido a su posible ubicación cerca del centro de una isla de estabilidad , una región teórica que comprende núcleos superpesados de vida más larga. Tal isla de estabilidad fue propuesta por primera vez por el profesor de la Universidad de California Glenn Seaborg , [70] prediciendo específicamente una región de estabilidad centrada en el elemento 126 ( unbihexium ) y que abarca elementos cercanos, incluido el unbiquadium, con vidas medias posiblemente tan largas como 10 9 años. [49] En los elementos conocidos, la estabilidad de los núcleos disminuye en gran medida con el aumento del número atómico después del uranio , el elemento primordial más pesado , de modo que todos los isótopos observados con un número atómico superior a 101 se desintegran radiactivamente con una vida media inferior a un día. Sin embargo, hay un ligero aumento de la estabilidad nuclear en los nucleidos alrededor de los números atómicos 110 - 114 , lo que sugiere la presencia de una isla de estabilidad. Esto se atribuye al posible cierre de capas nucleares en la región de masa superpesada , con efectos estabilizadores que pueden conducir a vidas medias del orden de años o más para algunos isótopos aún no descubiertos de estos elementos. [49] [65] Aunque todavía no se ha demostrado, la existencia de elementos superpesados tan pesados como el oganesón proporciona evidencia de tales efectos estabilizadores, ya que los elementos con un número atómico mayor que aproximadamente 104 son extremadamente inestables en modelos que descuidan los números mágicos. [71]
En esta región de la tabla periódica, N = 184 y N = 228 se han propuesto como capas de neutrones cerradas, [72] y varios números atómicos se han propuesto como capas de protones cerradas, incluyendo Z = 124. [l] La isla de estabilidad se caracteriza por vidas medias más largas de los núcleos ubicados cerca de estos números mágicos, aunque el alcance de los efectos estabilizadores es incierto debido a las predicciones de debilitamiento de los cierres de la capa de protones y posible pérdida de doble magicidad . [72] Investigaciones más recientes predicen que la isla de estabilidad se centrará en los isótopos de copernicio beta-estables 291 Cn y 293 Cn, [65] [73] lo que colocaría al unbiquadium muy por encima de la isla y daría como resultado vidas medias cortas independientemente de los efectos de capa. Un estudio de 2016 sobre las propiedades de desintegración de los isótopos de unbiquadium 284–339 Ubq predice que 284–304 Ubq se encuentran fuera de la línea de goteo de protones y, por lo tanto, pueden ser emisores de protones , 305–323 Ubq puede sufrir desintegración alfa , con algunas cadenas terminando hasta el flerovio , y los isótopos más pesados se desintegrarán por fisión espontánea . [74] Estos resultados, así como los de un modelo de efecto túnel cuántico, no predicen vidas medias superiores a un milisegundo para isótopos más ligeros que 319 Ubq, [75] así como vidas medias especialmente cortas para 309–314 Ubq en el rango de sub-microsegundos [74] debido a efectos desestabilizadores inmediatamente por encima de la capa en N = 184. Esto hace que la identificación de muchos isótopos de unbiquadium sea casi imposible con la tecnología actual, ya que los detectores no pueden distinguir señales sucesivas rápidas de desintegraciones alfa en un período de tiempo más corto que microsegundos. [64] [m]
Las vidas medias de fisión espontánea cada vez más cortas de los núcleos superpesados y el posible predominio de la fisión sobre la desintegración alfa probablemente también determinarán la estabilidad de los isótopos de unbiquadium. [64] [73] Mientras que algunas vidas medias de fisión que constituyen un "mar de inestabilidad" pueden ser del orden de 10 −18 s como consecuencia de barreras de fisión muy bajas , especialmente en núcleos pares-pares debido a efectos de apareamiento, los efectos estabilizadores en N = 184 y N = 228 pueden permitir la existencia de isótopos de vida relativamente larga. [69] Para N = 184, las vidas medias de fisión pueden aumentar, aunque todavía se espera que las vidas medias alfa sean del orden de microsegundos o menos, a pesar del cierre de la capa a 308 Ubq. También es posible que la isla de estabilidad se desplace a la región N = 198, donde las semividas totales pueden ser del orden de segundos, [73] en contraste con los isótopos vecinos que sufrirían fisión en menos de un microsegundo. En la región rica en neutrones alrededor de N = 228, también se predice que las semividas alfa aumentarán con el aumento del número de neutrones , lo que significa que la estabilidad de dichos núcleos dependería principalmente de la ubicación de la línea de estabilidad beta y la resistencia a la fisión. Un cálculo temprano de P. Moller, un físico del Laboratorio Nacional de Los Álamos , estima que la semivida total de 352 Ubq (con N = 228) es de alrededor de 67 segundos, y posiblemente la más larga en la región N = 228. [49] [76]
El unbiquadium es el cuarto miembro de la serie de los superactínidos y debería ser similar al uranio : ambos elementos tienen seis electrones de valencia sobre un núcleo de gas noble. En la serie de los superactínidos, se espera que el principio de Aufbau se rompa debido a los efectos relativistas , y se espera una superposición de los orbitales 5g, 6f, 7d y 8p. Por lo tanto, se predice que la configuración electrónica del estado fundamental del unbiquadium será [ Og ] 6f 3 8s 2 8p 1 [77] o 6f 2 8s 2 8p 2 , [78] en contraste con [ Og ] 5g 4 8s 2 derivado de Aufbau. Esta superposición predicha de orbitales y la incertidumbre en el orden de llenado, especialmente para los orbitales f y g, dificultan mucho las predicciones de las propiedades químicas y atómicas de estos elementos. [79]
Un estado de oxidación previsto para el unbiquadium es +6, que existiría en los haluros UbqX 6 (X = un halógeno), análogo al estado de oxidación +6 conocido en el uranio. [1] Al igual que los otros superactínidos tempranos, se predice que las energías de enlace de los electrones de valencia del unbiquadium son lo suficientemente pequeñas como para que los seis participen fácilmente en las reacciones químicas. [57] La configuración electrónica prevista del ion Ubq 5+ es [Og] 6f 1 . [1]