El fermio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Fm y su número atómico es 100. Es un actínido y el elemento más pesado que se puede formar mediante bombardeo neutrónico de elementos más ligeros, y por lo tanto el último elemento que se puede preparar en cantidades macroscópicas, aunque aún no se ha preparado fermio metálico puro. [4] Se conocen un total de 20 isótopos, siendo el 257 Fm el de mayor duración, con una vida media de 100,5 días.
El fermio fue descubierto en los restos de la primera explosión de la bomba de hidrógeno en 1952 y recibió su nombre en honor a Enrico Fermi , uno de los pioneros de la física nuclear . Su química es típica de los actínidos tardíos, con una preponderancia del estado de oxidación +3 pero también un estado de oxidación +2 accesible. Debido a las pequeñas cantidades de fermio producido y a que todos sus isótopos tienen vidas medias relativamente cortas, actualmente no tiene usos fuera de la investigación científica básica.
El fermio se descubrió por primera vez en las consecuencias de la prueba nuclear ' Ivy Mike ' (1 de noviembre de 1952), la primera prueba exitosa de una bomba de hidrógeno. [5] [6] [7] El examen inicial de los restos de la explosión había demostrado la producción de un nuevo isótopo de plutonio ,244
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: esto solo podría haberse formado por la absorción de seis neutrones por un núcleo de uranio-238 seguida de dos desintegraciones β − . En ese momento, se pensaba que la absorción de neutrones por un núcleo pesado era un proceso raro, pero la identificación de244
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se planteó la posibilidad de que aún más neutrones pudieran haber sido absorbidos por los núcleos de uranio, dando lugar a nuevos elementos. [7]
El elemento 99 ( einstenio ) se descubrió rápidamente en papeles de filtro que habían volado a través de las nubes de la explosión (la misma técnica de muestreo que se había utilizado para descubrir244
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). [7] Fue identificado en diciembre de 1952 por Albert Ghiorso y sus colaboradores en la Universidad de California en Berkeley . [5] [6] [7] Descubrieron el isótopo 253 Es ( vida media de 20,5 días) que se formó mediante la captura de 15 neutrones por núcleos de uranio-238 , que luego sufrieron siete desintegraciones beta sucesivas :
Sin embargo, unos 238 átomos de U podrían capturar otra cantidad de neutrones (probablemente, 16 o 17).
El descubrimiento del fermio ( Z = 100) requirió más material, ya que se esperaba que el rendimiento fuera al menos un orden de magnitud menor que el del elemento 99, y por lo tanto, el coral contaminado del atolón Enewetak (donde se había realizado la prueba) se envió al Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, California , para su procesamiento y análisis. Aproximadamente dos meses después de la prueba, se aisló un nuevo componente que emitía partículas α de alta energía (7,1 MeV) con una vida media de aproximadamente un día. Con una vida media tan corta, solo podía surgir de la desintegración β − de un isótopo de einstenio, y por lo tanto tenía que ser un isótopo del nuevo elemento 100: se identificó rápidamente como 255 Fm ( t = 20,07(7) horas ). [7]
El descubrimiento de los nuevos elementos, y los nuevos datos sobre la captura de neutrones, se mantuvieron inicialmente en secreto por orden del ejército estadounidense hasta 1955 debido a las tensiones de la Guerra Fría . [7] [8] [9] Sin embargo, el equipo de Berkeley pudo preparar los elementos 99 y 100 por medios civiles, mediante el bombardeo de neutrones de plutonio-239 , y publicó este trabajo en 1954 con la advertencia de que no eran los primeros estudios que se habían realizado sobre los elementos. [10] [11] Los estudios de "Ivy Mike" fueron desclasificados y publicados en 1955. [8]
El equipo de Berkeley había estado preocupado de que otro grupo pudiera descubrir isótopos más ligeros del elemento 100 mediante técnicas de bombardeo iónico antes de que pudieran publicar su investigación clasificada, [7] y esto resultó ser el caso. Un grupo del Instituto Nobel de Física en Estocolmo descubrió el elemento de forma independiente, produciendo un isótopo que luego se confirmó que era 250 Fm ( t 1/2 = 30 minutos) al bombardear un238
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objetivo con iones de oxígeno-16 , y publicaron su trabajo en mayo de 1954. [12] Sin embargo, la prioridad del equipo de Berkeley fue generalmente reconocida, y con ella la prerrogativa de nombrar el nuevo elemento en honor a Enrico Fermi , [13] el desarrollador del primer reactor nuclear artificial autosostenido. Fermi todavía estaba vivo cuando se propuso el nombre, pero había muerto cuando se hizo oficial. [14]
Hay 20 isótopos de fermio listados en NUBASE 2016 , [15] con pesos atómicos de 241 a 260, [b] de los cuales 257 Fm es el de mayor duración con una vida media de 100,5 días. 253 Fm tiene una vida media de 3 días, mientras que 251 Fm de 5,3 h, 252 Fm de 25,4 h, 254 Fm de 3,2 h, 255 Fm de 20,1 h y 256 Fm de 2,6 horas. Todos los restantes tienen vidas medias que van desde 30 minutos a menos de un milisegundo. [16] El producto de captura de neutrones del fermio-257, 258 Fm, sufre fisión espontánea con una vida media de solo 370(14) microsegundos; El 259 Fm y el 260 Fm también sufren fisión espontánea ( t 1/2 = 1,5(3) s y 4 ms respectivamente). [16] Esto significa que la captura de neutrones no se puede utilizar para crear nucleidos con un número másico mayor que 257, a menos que se lleve a cabo en una explosión nuclear. Como el 257 Fm se desintegra alfa en 253 Cf, y ningún isótopo conocido del fermio sufre una desintegración beta negativa al siguiente elemento, el mendelevio , el fermio es también el último elemento que se puede sintetizar por captura de neutrones. [4] [17] [18] Debido a este impedimento en la formación de isótopos más pesados, estos isótopos de vida corta 258–260 Fm constituyen la "brecha del fermio". [19]
El fermio se produce por el bombardeo de actínidos más ligeros con neutrones en un reactor nuclear. El fermio-257 es el isótopo más pesado que se obtiene mediante captura de neutrones y solo se puede producir en cantidades de picogramos. [c] [20] La principal fuente es el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) de 85 MW en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee , EE. UU., que se dedica a la producción de elementos transcurio ( Z > 96). [21] Los isótopos de fermio de menor masa están disponibles en mayores cantidades, aunque estos isótopos ( 254 Fm y 255 Fm) tienen una vida comparativamente corta. En una "campaña de procesamiento típica" en Oak Ridge, se irradian decenas de gramos de curio para producir cantidades de decigramos de californio , cantidades de miligramos de berkelio y einstenio y cantidades de picogramos de fermio. [22] Sin embargo, se pueden preparar cantidades de fermio del orden de nanogramos [23] para experimentos específicos. Se cree que las cantidades de fermio producidas en explosiones termonucleares de 20 a 200 kilotones son del orden de los miligramos, aunque se mezclan con una enorme cantidad de desechos; se recuperaron 4,0 picogramos de 257 Fm de 10 kilogramos de desechos de la prueba " Hutch " (16 de julio de 1969). [24] El experimento Hutch produjo un total estimado de 250 microgramos de 257 Fm.
Después de la producción, el fermio debe separarse de otros actínidos y de los productos de fisión de los lantánidos . Esto se logra generalmente mediante cromatografía de intercambio iónico , con el proceso estándar que utiliza un intercambiador de cationes como Dowex 50 o T EVA eluido con una solución de α-hidroxiisobutirato de amonio. [4] [25] Los cationes más pequeños forman complejos más estables con el anión α-hidroxiisobutirato, y por lo tanto se eluyen preferentemente de la columna. [4] También se ha descrito un método rápido de cristalización fraccionada . [4] [26]
Aunque el isótopo más estable del fermio es el 257 Fm, con una vida media de 100,5 días, la mayoría de los estudios se realizan en el 255 Fm ( t 1/2 = 20,07(7) horas), ya que este isótopo se puede aislar fácilmente como producto de desintegración del 255 Es ( t 1/2 = 39,8(12) días). [4]
El análisis de los restos de la prueba nuclear de 10 megatones Ivy Mike formaba parte de un proyecto a largo plazo, uno de cuyos objetivos era estudiar la eficiencia de la producción de elementos transuránicos en explosiones nucleares de alta potencia. La motivación para estos experimentos era la siguiente: la síntesis de dichos elementos a partir del uranio requiere la captura múltiple de neutrones. La probabilidad de tales eventos aumenta con el flujo de neutrones, y las explosiones nucleares son las fuentes de neutrones más potentes, proporcionando densidades del orden de 10 23 neutrones/cm 2 en un microsegundo, es decir, unos 10 29 neutrones/(cm 2 ·s). A modo de comparación, el flujo del reactor HFIR es de 5 × 1015 neutrones/(cm 2 ·s). Se instaló un laboratorio específico en el atolón Enewetak para el análisis preliminar de los desechos, ya que algunos isótopos podrían haberse desintegrado para cuando las muestras de desechos llegaran a los EE. UU. El laboratorio estaba recibiendo muestras para su análisis, lo antes posible, desde aviones equipados con filtros de papel que sobrevolaron el atolón después de las pruebas. Si bien se esperaba descubrir nuevos elementos químicos más pesados que el fermio, estos no se encontraron después de una serie de explosiones de megatones realizadas entre 1954 y 1956 en el atolón. [27]
Los resultados atmosféricos se complementaron con los datos de pruebas subterráneas acumulados en la década de 1960 en el Sitio de Pruebas de Nevada , ya que se esperaba que las explosiones potentes realizadas en espacios confinados pudieran dar como resultado rendimientos mejorados e isótopos más pesados. Además de las cargas de uranio tradicionales, se han probado combinaciones de uranio con americio y torio, así como una carga mixta de plutonio-neptunio. Tuvieron menos éxito en términos de rendimiento, lo que se atribuyó a mayores pérdidas de isótopos pesados debido a mayores tasas de fisión en cargas de elementos pesados. Se encontró que el aislamiento de los productos era bastante problemático, ya que las explosiones estaban esparciendo escombros a través de rocas fundidas y vaporizadas a una gran profundidad de 300 a 600 metros, y la perforación a tal profundidad para extraer los productos era lenta e ineficiente en términos de volúmenes recolectados. [27] [28]
Entre las nueve pruebas subterráneas, que se llevaron a cabo entre 1962 y 1969 y que recibieron el nombre en código de Anacostia (5,2 kilotones , 1962), Kennebec (<5 kilotones, 1963), Par (38 kilotones, 1964), Barbel (<20 kilotones, 1964), Tweed (<20 kilotones, 1965), Cyclamen (13 kilotones, 1966), Kankakee (20-200 kilotones, 1966), Vulcan (25 kilotones, 1966) y Hutch (20-200 kilotones, 1969), [29] la última fue la más potente y tuvo el mayor rendimiento de elementos transuránicos. En dependencia del número de masa atómica, el rendimiento mostró un comportamiento de dientes de sierra con los valores más bajos para los isótopos impares, debido a sus mayores tasas de fisión. [28] Sin embargo, el mayor problema práctico de toda la propuesta era recoger los restos radiactivos dispersados por la potente explosión. Los filtros de los aviones adsorbieron sólo alrededor de 4 × 10−14 de la cantidad total y la recolección de toneladas de corales en el atolón Enewetak aumentó esta fracción en solo dos órdenes de magnitud. La extracción de unos 500 kilogramos de rocas subterráneas 60 días después de la explosión de Hutch recuperó solo alrededor de 10 −7 de la carga total. La cantidad de elementos transuránicos en este lote de 500 kg fue solo 30 veces mayor que en una roca de 0,4 kg recogida 7 días después de la prueba. Esta observación demostró la dependencia altamente no lineal del rendimiento de elementos transuránicos en la cantidad de roca radiactiva recuperada. [30] Para acelerar la recolección de muestras después de la explosión, se perforaron pozos en el sitio no después sino antes de la prueba, de modo que la explosión expulsara material radiactivo desde el epicentro, a través de los pozos, a volúmenes de recolección cerca de la superficie. Este método se probó en las pruebas de Anacostia y Kennebec y proporcionó instantáneamente cientos de kilogramos de material, pero con concentraciones de actínidos 3 veces menores que en las muestras obtenidas después de la perforación; Si bien un método de este tipo podría haber sido eficiente en estudios científicos de isótopos de vida corta, no pudo mejorar la eficiencia general de recolección de los actínidos producidos. [31]
Aunque no se pudo detectar ningún elemento nuevo (aparte del einstenio y el fermio) en los restos de las pruebas nucleares, y los rendimientos totales de elementos transuránicos fueron decepcionantemente bajos, estas pruebas proporcionaron cantidades significativamente mayores de isótopos pesados raros que las que estaban disponibles previamente en los laboratorios. Por ejemplo, 6 × 10Tras la detonación de Hutch se pudieron recuperar 9 átomos de 257 Fm, que se utilizaron en los estudios de fisión inducida por neutrones térmicos de 257 Fm y en el descubrimiento de un nuevo isótopo de fermio, el 258 Fm. Además, se sintetizó en grandes cantidadesel raro isótopo 250 Cm, que es muy difícil de producir en reactores nucleares a partir de su progenitor, el 249 Cm; la vida media del 249 Cm (64 minutos) es demasiado corta para irradiaciones de meses de duración en el reactor, pero es muy "larga" en la escala de tiempo de explosión. [32]
Debido a la corta vida media de todos los isótopos conocidos del fermio, cualquier fermio primordial , es decir, el fermio presente en la Tierra durante su formación, ya se ha desintegrado. La síntesis de fermio a partir del uranio y el torio naturales en la corteza terrestre requiere múltiples capturas de neutrones, lo que es extremadamente improbable. Por lo tanto, la mayor parte del fermio se produce en la Tierra en laboratorios, reactores nucleares de alta potencia o en pruebas nucleares , y está presente solo unos pocos meses después. Los elementos transuránicos americio a fermio se produjeron de forma natural en el reactor de fisión nuclear natural en Oklo , pero ya no lo hacen. [33]
La química del fermio sólo se ha estudiado en solución utilizando técnicas trazadoras, y no se han preparado compuestos sólidos. En condiciones normales, el fermio existe en solución como el ion Fm 3+ , que tiene un número de hidratación de 16,9 y una constante de disociación ácida de 1,6 × 10 −4 (p K a = 3,8). [34] [35] El Fm 3+ forma complejos con una amplia variedad de ligandos orgánicos con átomos donantes duros como el oxígeno, y estos complejos suelen ser más estables que los de los actínidos precedentes. [4] También forma complejos aniónicos con ligandos como el cloruro o el nitrato y, de nuevo, estos complejos parecen ser más estables que los formados por el einstenio o el californio . [36] Se cree que la unión en los complejos de los actínidos posteriores es principalmente de carácter iónico : se espera que el ion Fm 3+ sea más pequeño que los iones An 3+ anteriores debido a la mayor carga nuclear efectiva del fermio y, por lo tanto, se esperaría que el fermio forme enlaces metal-ligando más cortos y más fuertes. [4]
El fermio (III) se puede reducir con bastante facilidad a fermio (II), [37] por ejemplo con cloruro de samario (II) , con el que el fermio (II) coprecipita. [38] [39] En el precipitado, se produjo el compuesto cloruro de fermio (II) (FmCl 2 ), aunque no se purificó ni se estudió de forma aislada. [40] Se ha estimado que el potencial del electrodo es similar al del par iterbio (III)/(II), o aproximadamente −1,15 V con respecto al electrodo de hidrógeno estándar , [41] un valor que concuerda con los cálculos teóricos. [42] El par Fm 2+ /Fm 0 tiene un potencial de electrodo de −2,37(10) V según mediciones polarográficas . [43]
Aunque pocas personas entran en contacto con el fermio, la Comisión Internacional de Protección Radiológica ha establecido límites de exposición anuales para los dos isótopos más estables. Para el fermio-253, el límite de ingestión se fijó en 10 7 becquerelios (1 Bq equivale a una desintegración por segundo) y el límite de inhalación en 10 5 Bq; para el fermio-257, en 10 5 Bq y 4.000 Bq respectivamente. [44]
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