Los elementos superpesados , también conocidos como elementos transactínidos , transactínidos o elementos superpesados , o superpesados para abreviar, son los elementos químicos con número atómico mayor que 103. Los elementos superpesados son aquellos que están más allá de los actínidos en la tabla periódica; el último actínido es el lawrencio (número atómico 103). Por definición, los elementos superpesados son también elementos transuránicos , es decir, que tienen números atómicos mayores que el del uranio (92). Dependiendo de la definición del grupo 3 adoptada por los autores, el lawrencio también puede incluirse para completar la serie 6d. [1] [2] [3] [4]
Glenn T. Seaborg fue el primero en proponer el concepto de actínido , lo que llevó a la aceptación de la serie de los actínidos . También propuso una serie de transactínidos que abarca desde el elemento 104 hasta el 121 y una serie de superactínidos que abarca aproximadamente los elementos 122 hasta 153 (aunque trabajos más recientes sugieren que el final de la serie de los superactínidos se produce en el elemento 157). El transactínido seaborgio recibió su nombre en su honor. [5] [6]
Los superpesados son radiactivos y solo se han obtenido de forma sintética en laboratorios. Nunca se ha producido una muestra macroscópica de ninguno de estos elementos. Todos los superpesados reciben su nombre de físicos y químicos o de lugares importantes que participaron en la síntesis de los elementos.
La IUPAC define que un elemento existe si su vida útil es mayor a 10 −14 segundos , que es el tiempo que tarda el átomo en formar una nube de electrones. [7]
Los superpesados conocidos forman parte de las series 6d y 7p de la tabla periódica. A excepción del rutherfordio y el dubnio (y del lawrencio, si se incluye), incluso los isótopos de superpesados más longevos tienen vidas medias de minutos o menos. La controversia sobre la denominación de los elementos afectó a los elementos 102-109 . Algunos de estos elementos utilizaron nombres sistemáticos durante muchos años después de que se confirmara su descubrimiento (normalmente , los nombres sistemáticos se sustituyen por nombres permanentes propuestos por los descubridores relativamente poco después de que se haya confirmado un descubrimiento).
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. [13] 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. [14] 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. [14]
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. [14] [15] Esto sucede porque durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. [14] 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 más allá de esa fase, las interacciones nucleares múltiples dan como resultado una redistribución de energía y un equilibrio energético. [14]
La fusión resultante es un estado excitado [18] —denominado núcleo compuesto— y por lo tanto es muy inestable. [14] Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin la formación de un núcleo más estable. [19] 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. [19] 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. [20] [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. [22] 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. [22] La transferencia tarda unos 10 −6 segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir este tiempo. [25] El núcleo se registra de nuevo una vez que se registra su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de la desintegración. [22]
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. [26] 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. [27] [28] Por lo tanto, se predice teóricamente [29] y hasta ahora se ha observado [30] 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, [32] y el nucleido más ligero que experimenta principalmente fisión espontánea tiene 238. [33] 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. [27] [28]
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. [35] 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. [28] 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), [36] y en 30 órdenes de magnitud desde el torio (elemento 90) hasta el fermio (elemento 100). [37] 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. [28] [38] 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. [28] [38] 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. [39] Los experimentos en núcleos superpesados más ligeros, [40] así como aquellos más cercanos a la isla esperada, [36] 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.) [22] 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]
El elemento más pesado conocido a finales del siglo XIX era el uranio, con una masa atómica de unas 240 (hoy se sabe que es de 238) uma . En consecuencia, se colocó en la última fila de la tabla periódica; esto alimentó la especulación sobre la posible existencia de elementos más pesados que el uranio y por qué A = 240 parecía ser el límite. Tras el descubrimiento de los gases nobles , empezando por el argón en 1895, se consideró la posibilidad de miembros más pesados del grupo. El químico danés Julius Thomsen propuso en 1895 la existencia de un sexto gas noble con Z = 86, A = 212 y un séptimo con Z = 118, A = 292, el último cerrando un periodo de 32 elementos que contenía al torio y al uranio. [51] En 1913, el físico sueco Johannes Rydberg amplió la extrapolación de Thomsen de la tabla periódica para incluir elementos aún más pesados con números atómicos de hasta 460, pero no creía que estos elementos superpesados existieran o estuvieran presentes en la naturaleza. [52]
En 1914, el físico alemán Richard Swinne propuso que elementos más pesados que el uranio, como los que rondan Z = 108, podrían encontrarse en los rayos cósmicos . Sugirió que estos elementos no necesariamente tienen vidas medias decrecientes con el aumento del número atómico, lo que llevó a especular sobre la posibilidad de algunos elementos de vida más larga en Z = 98-102 y Z = 108-110 (aunque separados por elementos de vida corta). Swinne publicó estas predicciones en 1926, creyendo que tales elementos podrían existir en el núcleo de la Tierra , meteoritos de hierro o los casquetes polares de Groenlandia donde habían estado encerrados desde su supuesto origen cósmico. [53]
Los trabajos realizados entre 1961 y 2013 en cuatro laboratorios ( el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Estados Unidos, el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en la URSS (posteriormente Rusia), el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Alemania y el Riken en Japón) identificaron y confirmaron los elementos laurencio a oganesón según los criterios de los Grupos de Trabajo de Transfermio de la IUPAC y la IUPAP y los Grupos de Trabajo Conjuntos posteriores. Estos descubrimientos completan la séptima fila de la tabla periódica. Los dos elementos siguientes, ununennio ( Z = 119) y unbinilio ( Z = 120), aún no se han sintetizado. Comenzarían un octavo período.
Debido a sus cortas vidas medias (por ejemplo, el isótopo más estable conocido, el seaborgio, tiene una vida media de 14 minutos, y las vidas medias disminuyen con el aumento del número atómico) y al bajo rendimiento de las reacciones nucleares que los producen, se han tenido que crear nuevos métodos para determinar su química en fase gaseosa y en solución basándose en muestras muy pequeñas de unos pocos átomos cada una. Los efectos relativistas se vuelven muy importantes en esta región de la tabla periódica, haciendo que los orbitales 7s llenos, los orbitales 7p vacíos y los orbitales 6d llenos se contraigan todos hacia el interior, en dirección al núcleo atómico. Esto provoca una estabilización relativista de los electrones 7s y hace que los orbitales 7p sean accesibles en estados de baja excitación. [6]
Los elementos 103 a 112, de lawrencio a copernicio, forman la serie 6d de elementos de transición. La evidencia experimental muestra que los elementos 103–108 se comportan como se espera para su posición en la tabla periódica, como homólogos más pesados del lutecio al osmio. Se espera que tengan radios iónicos entre los de sus homólogos de metales de transición 5d y sus pseudohomólogos actínidos : por ejemplo, se calcula que Rf 4+ tiene un radio iónico de 76 pm , entre los valores de Hf 4+ (71 pm) y Th 4+ (94 pm). Sus iones también deberían ser menos polarizables que los de sus homólogos 5d. Se espera que los efectos relativistas alcancen un máximo al final de esta serie, en el roentgenio (elemento 111) y el copernicio (elemento 112). Sin embargo, muchas propiedades importantes de los transactínidos aún no se conocen experimentalmente, aunque se han realizado cálculos teóricos. [6]
Los elementos 113 a 118, del nihonio al oganesón, deberían formar una serie 7p, completando el séptimo período de la tabla periódica. Su química estará muy influenciada por la fuerte estabilización relativista de los electrones 7s y un fuerte efecto de acoplamiento espín-órbita que "desgarra" la subcapa 7p en dos secciones, una más estabilizada (7p 1/2 , que contiene dos electrones) y otra más desestabilizada (7p 3/2 , que contiene cuatro electrones). Los estados de oxidación más bajos deberían estabilizarse aquí, continuando las tendencias del grupo, ya que tanto los electrones 7s como los 7p 1/2 exhiben el efecto de par inerte . Se espera que estos elementos continúen en gran medida siguiendo las tendencias del grupo, aunque con efectos relativistas que juegan un papel cada vez más importante. En particular, la gran división de 7p da como resultado un cierre de capa efectivo en el flerovio (elemento 114) y, por lo tanto, una actividad química mucho mayor de lo esperado para el oganesón (elemento 118). [6]
El elemento 118 es el último elemento que se ha sintetizado. Los dos elementos siguientes, 119 y 120 , deberían formar una serie 8s y ser un metal alcalino y alcalinotérreo respectivamente. Se espera que los electrones 8s estén estabilizados relativistamente, de modo que la tendencia hacia una mayor reactividad en estos grupos se revertirá y los elementos se comportarán más como sus homólogos de periodo 5, rubidio y estroncio . El orbital 7p 3/2 todavía está desestabilizado relativistamente, lo que potencialmente da a estos elementos radios iónicos más grandes y tal vez incluso puedan participar químicamente. En esta región, los electrones 8p también están estabilizados relativistamente, lo que resulta en una configuración electrónica de valencia 8s 2 8p 1 en estado fundamental para el elemento 121 . Se espera que se produzcan grandes cambios en la estructura de subcapa al pasar del elemento 120 al elemento 121: por ejemplo, el radio de los orbitales 5g debería caer drásticamente, de 25 unidades de Bohr en el elemento 120 en la configuración excitada [Og] 5g 1 8s 1 a 0,8 unidades de Bohr en el elemento 121 en la configuración excitada [Og] 5g 1 7d 1 8s 1 , en un fenómeno llamado "colapso radial". El elemento 122 debería añadir un electrón 7d o un electrón 8p a la configuración electrónica del elemento 121. Los elementos 121 y 122 deberían ser similares al actinio y al torio respectivamente. [6]
En el elemento 121 se espera que comience la serie de los superactínidos , cuando los electrones 8s y los subniveles de relleno 8p 1/2 , 7d 3/2 , 6f 5/2 y 5g 7/2 determinan la química de estos elementos. No se dispone de cálculos completos y precisos para elementos más allá del 123 debido a la extrema complejidad de la situación: [54] los orbitales 5g, 6f y 7d deberían tener aproximadamente el mismo nivel de energía, y en la región del elemento 160 los orbitales 9s, 8p 3/2 y 9p 1/2 también deberían tener aproximadamente la misma energía. Esto hará que los niveles de electrones se mezclen de modo que el concepto de bloque ya no se aplique muy bien, y también dará como resultado nuevas propiedades químicas que harán que sea muy difícil ubicar estos elementos en una tabla periódica. [6]
Se ha sugerido que los elementos más allá de Z = 126 se denominen elementos superpesados . [55] Otras fuentes se refieren a los elementos alrededor de Z = 164 como elementos hiperpesados . [56]
Los elementos superpesados (
Z
> 102) se encuentran en los límites de masa y carga.