Los elementos superpesados , también conocidos como elementos transactínidos , transactínidos o elementos superpesados , o superpesados para abreviar, son los elementos químicos con número atómico superior a 103. Los elementos superpesados son aquellos que se encuentran más allá de los actínidos en la tabla periódica; el último actínido es lawrencio (número atómico 103). Por definición, los elementos superpesados son también elementos transuránicos , es decir, que tienen un número atómico mayor que el del uranio (92). Dependiendo de la definición del grupo 3 adoptada por los autores, también se puede incluir lawrencio para completar la serie 6d. [1] [2] [3] [4]
Glenn T. Seaborg propuso por primera vez el concepto de actínido , lo que llevó a la aceptación de la serie de actínidos . También propuso una serie de transactínidos que abarca desde el elemento 104 al 121 y una serie de superactínidos que abarca aproximadamente los elementos 122 a 153 (aunque un trabajo más reciente sugiere que el final de la serie de superactínidos ocurra en el elemento 157). El transactínido seaborgio recibió su nombre en su honor. [5] [6]
Los superpesados son radiactivos y sólo se han obtenido sintéticamente en laboratorios. Nunca se ha producido ninguna muestra macroscópica de ninguno de estos elementos. Todos los superpesados llevan nombres de físicos y químicos o de lugares importantes involucrados en la síntesis de los elementos.
La IUPAC define que un elemento existe si su vida útil es superior 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 el lawrencio, si se incluye), incluso los isótopos de sustancias superpesadas más longevos conocidos tienen vidas medias de minutos o menos. La controversia sobre el nombre de los elementos involucró los elementos 102 – 109 . Algunos de estos elementos utilizaron nombres sistemáticos durante muchos años después de que se confirmara su descubrimiento. (Por lo general, los nombres sistemáticos se reemplazan con nombres permanentes propuestos por los descubridores relativamente pronto 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; A grandes rasgos, cuanto más desiguales sean los dos núcleos en términos de masa , mayor será la posibilidad de que los dos reaccionen. [13] El material formado por los núcleos más pesados se convierte en un objetivo, que luego es bombardeado por el haz de núcleos más ligeros. Dos núcleos sólo pueden fusionarse en uno si se acercan lo suficiente entre sí; normalmente, los núcleos (todos cargados positivamente) se repelen entre sí debido a la repulsión electrostática . La interacción fuerte puede superar esta repulsión, pero sólo a una distancia muy corta de un núcleo; Por tanto, los núcleos del haz se aceleran mucho 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 de hasta una décima parte de la velocidad de la luz . Sin embargo, si se aplica demasiada energía, el núcleo del haz puede desmoronarse. [14]
Acercarse lo suficiente por sí solo no es suficiente para que dos núcleos se fusionen: cuando dos núcleos se acercan, generalmente permanecen juntos durante aproximadamente 10 −20 segundos y luego se separan (no necesariamente en la misma composición que antes de la reacción) en lugar de formar un núcleo. núcleo único. [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 acercan entre sí expresada en términos del área transversal que la partícula incidente debe chocar para que se produzca la fusión. . [c] Esta fusión puede ocurrir como resultado del efecto cuántico en el que los núcleos pueden hacer túneles a través de la repulsión electrostática. Si los dos núcleos pueden permanecer cerca durante esa fase, múltiples interacciones nucleares dan como resultado una redistribución de la energía y un equilibrio energético. [14]
La fusión resultante es un estado excitado [18] , denominado núcleo compuesto , y por 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 , lo que se llevaría la energía de excitación; si este último no fuera suficiente para la expulsión de neutrones, la fusión produciría un rayo gamma . Esto sucede aproximadamente 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 (JWP) de la IUPAC/IUPAP establece que un elemento químico sólo 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 le toma a un núcleo adquirir sus electrones externos y así mostrar sus propiedades químicas. [20] [d]
El rayo atraviesa el objetivo y llega a la siguiente cámara, el separador; si se produce un nuevo núcleo, este es transportado 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. Se marca la ubicación exacta del próximo impacto en el detector; también están marcadas su energía y el momento de la llegada. [22] La transferencia tarda unos 10 −6 segundos; Para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir tanto tiempo. [25] El núcleo se registra nuevamente una vez registrada su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de la desintegración. [22]
La estabilidad de un núcleo es proporcionada por la interacción fuerte. Sin embargo, su alcance es muy corto; A medida que los núcleos crecen, 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 que los núcleos superpesados [29] y hasta ahora se ha observado [30] que se desintegran predominantemente a través de modos de desintegración 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 sufre principalmente fisión espontánea tiene 238. [33] En ambos modos de desintegración, las barreras de energía correspondientes para cada modo inhiben la desintegración de los núcleos , pero pueden ser atravesado por 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 sea utilizada 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 casos 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 la fisión espontánea disminuyen en 23 órdenes de magnitud desde el uranio (elemento 92) al nobelio (elemento 102), [36] y en 30 órdenes de magnitud del torio (elemento 90) al fermio (elemento 100). [37] El modelo anterior de gota de líquido sugería así que la fisión espontánea se produciría casi instantáneamente debido a la desaparición de la barrera de fisión para los núcleos con aproximadamente 280 nucleones. [28] [38] El modelo de capa nuclear posterior sugirió que los núcleos con aproximadamente 300 nucleones formarían una isla de estabilidad en la que los núcleos serían más resistentes a la fisión espontánea y sufrirían principalmente desintegración alfa con vidas medias más largas. [28] [38] Descubrimientos posteriores sugirieron que la isla prevista podría estar más lejos de lo previsto originalmente; También demostraron que los núcleos intermedios entre los actínidos de larga vida y la isla predicha se deforman y obtienen estabilidad adicional debido a los efectos de las capas. [39] Los experimentos con núcleos superpesados más ligeros, [40] así como con aquellos más cercanos a la isla esperada, [36] han demostrado una estabilidad mayor de la prevista anteriormente contra la fisión espontánea, lo que demuestra la importancia de los efectos de las capas en los núcleos. [gramo]
Las desintegraciones alfa son registradas por las partículas alfa emitidas, y los productos de 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 estuvieran realmente 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 sufre como energía de desintegración (o más específicamente, la energía cinética de la partícula emitida). [i] Sin embargo, la fisión espontánea produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no puede determinarse a partir de sus hijos. [j]
La información de que disponen los físicos que desean sintetizar un elemento superpesado es, por tanto, la información recogida en los detectores: ubicación, energía y tiempo de llegada de una partícula al detector, así como 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 al afirmado. A menudo, los datos proporcionados son insuficientes para llegar a la conclusión de 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 aproximadamente 240 (ahora se sabe que es 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 que existieran 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, cerrando este último un período de 32 elementos que contenía torio y 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 se produjeran en la naturaleza. [52]
En 1914, el físico alemán Richard Swinne propuso que en los rayos cósmicos se podían encontrar elementos más pesados que el uranio, como los que se encuentran alrededor de Z = 108 . Sugirió que es posible que estos elementos no necesariamente tengan vidas medias decrecientes con un número atómico creciente, 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 , en meteoritos de hierro o en los casquetes polares de Groenlandia , donde habían estado encerrados desde su supuesto origen cósmico. [53]
El trabajo realizado entre 1961 y 2013 en cuatro laboratorios ( el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en EE. UU., el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en la URSS (más tarde Rusia), el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Alemania y Riken en Japón) identificó y confirmó los elementos lawrencium a oganesson según los criterios de los Grupos de Trabajo IUPAC – IUPAP Transfermium y posteriores Grupos de Trabajo Conjuntos. Estos descubrimientos completan la séptima fila de la tabla periódica. Los dos elementos siguientes, ununennium ( Z = 119) y unbinilium ( Z = 120), aún no se han sintetizado. Comenzarían un octavo período.
Debido a sus vidas medias cortas (por ejemplo, el isótopo más estable conocido del seaborgio tiene una vida media de 14 minutos, y sus vidas medias disminuyen al aumentar el número atómico) y al bajo rendimiento de las reacciones nucleares que los producen, se han propuesto nuevos Se han tenido que crear 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, lo que hace que los orbitales 7s llenos, los orbitales 7p vacíos y los orbitales 6d llenos se contraigan hacia adentro, hacia el 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 a 108 se comportan como se esperaba según 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 h.) 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 roentgenio (elemento 111) y copernicio (elemento 112). Sin embargo, muchas propiedades importantes de las transactínidas aún no se conocen experimentalmente, aunque se han realizado cálculos teóricos. [6]
Los elementos 113 a 118, del nihonio al oganesson, 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 desestabilizado (7p 3/2 , con cuatro electrones). Aquí deberían estabilizarse estados de oxidación más bajos, 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 sigan en gran medida las tendencias del grupo, aunque los efectos relativistas desempeñen un papel cada vez más importante. En particular, la gran división de 7p da como resultado un cierre efectivo de la capa en flerovium (elemento 114) y, por lo tanto, una actividad química mucho mayor de lo esperado para oganesson (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 de 8 y ser un metal alcalino y alcalinotérreo respectivamente. Se espera que los electrones 8s se estabilicen relativistamente, de modo que la tendencia hacia una mayor reactividad en estos grupos se revierta y los elementos se comporten más como sus homólogos del período 5, el rubidio y el estroncio . El orbital 7p 3/2 todavía está relativamente desestabilizado, lo que potencialmente da a estos elementos radios iónicos más grandes y tal vez incluso pueda participar químicamente. En esta región, los electrones 8p también están estabilizados relativistamente, lo que da como resultado 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 la subcapa al pasar del elemento 120 al elemento 121: por ejemplo, el radio de los orbitales 5g debería disminuir drásticamente, de 25 unidades Bohr en el elemento 120 en la configuración excitada [Og] 5g 1 8s 1. a 0,8 unidades 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 agregar un electrón 7d u 8p adicional 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 superactínidos , cuando los electrones 8s y las subcapas 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 los elementos más allá de 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 Los orbitales 3/2 y 9p 1/2 también deberían tener aproximadamente la misma energía. Esto hará que las capas 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 llamen elementos más allá de los superpesados . [55] Otras fuentes se refieren a elementos alrededor de Z = 164 como elementos hiperpesados . [56]
Los elementos superpesados (
Z
> 102) se tambalean en los límites de masa y carga.