Representación gráfica de una reacción de fusión nuclear . Dos núcleos se fusionan en uno y emiten un neutrón . Las reacciones que crearon nuevos elementos hasta ese momento eran similares, con la única posible diferencia de que a veces se liberaban varios neutrones singulares o ninguno.
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. [18] 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. [19] 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. [19]
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. [19] [20] Esto sucede porque durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. [19] 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. [19]
La fusión resultante es un estado excitado [23] —denominado núcleo compuesto— y por lo tanto es muy inestable. [19] Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin la formación de un núcleo más estable. [24] 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. [24] 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. [25] [d]
Descomposición y detección
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. [27] 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. [27] La transferencia tarda unos 10 −6 segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir este tiempo. [30] 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. [27]
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. [31] 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. [32] [33] Por lo tanto, se predice teóricamente [34] y hasta ahora se ha observado [35] 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, [37] y el nucleido más ligero que experimenta principalmente fisión espontánea tiene 238. [38] 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. [32] [33]
Esquema de un aparato para la creación de elementos superpesados, basado en el separador de retroceso lleno de gas Dubna, instalado en el Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares del JINR. La trayectoria dentro del detector y del aparato de enfoque del haz cambia debido a un imán dipolar en el primero y a imanes cuadrupolares en el segundo. [39]
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. [40] 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. [33] 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), [41] y en 30 órdenes de magnitud desde el torio (elemento 90) hasta el fermio (elemento 100). [42] 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. [33] [43] 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. [33] [43] 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. [44] Los experimentos en núcleos superpesados más ligeros, [45] así como aquellos más cercanos a la isla esperada, [41] 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.) [27] 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]
Esta reacción se había llevado a cabo previamente en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en Dubna (entonces en la Unión Soviética ) en 1986, pero no se habían observado átomos de 272 Rg. [57] En 2001, el Grupo de Trabajo Conjunto IUPAC/IUPAP (JWP) concluyó que no había pruebas suficientes para el descubrimiento en ese momento. [58] El equipo GSI repitió su experimento en 2002 y detectó tres átomos más. [59] [60] En su informe de 2003, el JWP decidió que el equipo GSI debería ser reconocido por el descubrimiento de este elemento. [61]
Escenario para la presentación del descubrimiento y reconocimiento del roentgenio en el GSI Darmstadt
Nombramiento
Usando la nomenclatura de Mendeleev para elementos no nombrados y no descubiertos , el roentgenio debería ser conocido como eka- oro . En 1979, la IUPAC publicó recomendaciones según las cuales el elemento debía llamarse unununio (con el símbolo correspondiente de Uuu ), [62] un nombre de elemento sistemático como marcador de posición , hasta que se descubriera el elemento (y luego se confirmara el descubrimiento) y se decidiera un nombre permanente. Aunque se usaron ampliamente en la comunidad química en todos los niveles, desde las aulas de química hasta los libros de texto avanzados, las recomendaciones fueron en su mayoría ignoradas entre los científicos en el campo, quienes lo llamaron elemento 111 , con el símbolo de E111 , (111) o incluso simplemente 111. [2]
El nombre roentgenio (Rg) fue sugerido por el equipo GSI [63] en 2004, para honrar al físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen , el descubridor de los rayos X. [63] Este nombre fue aceptado por la IUPAC el 1 de noviembre de 2004. [63]
Isótopos
El roentgenio no tiene isótopos estables o naturales. Se han sintetizado varios isótopos radiactivos en el laboratorio, ya sea por fusión de los núcleos de elementos más ligeros o como productos intermedios de desintegración de elementos más pesados. Se han descrito nueve isótopos diferentes de roentgenio con masas atómicas 272, 274, 278-283 y 286 (283 y 286 sin confirmar), dos de los cuales, roentgenio-272 y roentgenio-274, tienen estados metaestables conocidos pero no confirmados . Todos ellos se desintegran mediante desintegración alfa o fisión espontánea, [65] aunque el 280 Rg también puede tener una rama de captura de electrones . [66]
Estabilidad y vidas medias
Todos los isótopos del roentgenio son extremadamente inestables y radiactivos; en general, los isótopos más pesados son más estables que los más ligeros. El isótopo de roentgenio más estable conocido, el 282 Rg, es también el más pesado; tiene una vida media de 100 segundos. El 286 Rg, cuya existencia no ha sido confirmada, es incluso más pesado y parece tener una vida media incluso más larga, de unos 10,7 minutos, lo que lo convertiría en uno de los nucleidos superpesados de vida más larga conocidos; asimismo, el 283 Rg, cuya existencia no ha sido confirmada, parece tener una vida media larga, de unos 5,1 minutos. También se ha informado de que los isótopos 280 Rg y 281 Rg tienen vidas medias superiores a un segundo. Los isótopos restantes tienen vidas medias en el rango de los milisegundos. [65]
Propiedades previstas
Aparte de las propiedades nucleares, no se han medido propiedades del roentgenio ni de sus compuestos; esto se debe a su producción extremadamente limitada y costosa [67] y al hecho de que el roentgenio (y sus progenitores) se desintegra muy rápidamente. Las propiedades del metal roentgenio siguen siendo desconocidas y solo se pueden hacer predicciones.
Químico
El roentgenio es el noveno miembro de la serie 6d de metales de transición . [68] Los cálculos sobre sus potenciales de ionización y radios atómicos e iónicos son similares a los de su homólogo más ligero , el oro , lo que implica que las propiedades básicas del roentgenio se parecerán a las de los otros elementos del grupo 11 , cobre , plata y oro; sin embargo, también se predice que mostrará varias diferencias con sus homólogos más ligeros. [2]
Se predice que el roentgenio es un metal noble . El potencial de electrodo estándar de 1,9 V para el par Rg 3+ /Rg es mayor que el de 1,5 V para el par Au 3+ /Au. La primera energía de ionización predicha del roentgenio de 1020 kJ/mol casi coincide con la del gas noble radón a 1037 kJ/mol. [2] Su segunda energía de ionización predicha, 2070 kJ/mol, es casi la misma que la de la plata. Con base en los estados de oxidación más estables de los elementos más ligeros del grupo 11, se predice que el roentgenio mostrará estados de oxidación estables +5 y +3, con un estado +1 menos estable. Se predice que el estado +3 será el más estable. Se espera que el roentgenio (III) tenga una reactividad comparable al oro (III), pero debería ser más estable y formar una mayor variedad de compuestos. El oro también forma un estado −1 algo estable debido a los efectos relativistas, y se ha sugerido que el roentgenio también puede hacerlo: [2] sin embargo, se espera que la afinidad electrónica del roentgenio sea de alrededor de 1,6 eV (37 kcal/mol ), significativamente menor que el valor del oro de 2,3 eV (53 kcal/mol), por lo que los roentgenuros pueden no ser estables o incluso posibles. [6] Los orbitales 6d se desestabilizan por los efectos relativistas y las interacciones espín-órbita cerca del final de la cuarta serie de metales de transición, lo que hace que el roentgenio(V) de alto estado de oxidación sea más estable que su homólogo más ligero, el oro(V) (conocido solo en pentafluoruro de oro , Au 2 F 10 ) ya que los electrones 6d participan en la unión en mayor medida. Las interacciones espín-órbita estabilizan los compuestos moleculares de roentgenio con más electrones 6d de enlace; por ejemplo, RgF− 6Se espera que sea más estable que el RgF− 4, que se espera que sea más estable que el RgF− 2. [2] La estabilidad de RgF− 6es homólogo al de AuF− 6; el análogo de plata AgF− 6Se desconoce y se espera que sea solo marginalmente estable a la descomposición en AgF− 4y F 2 . Además, se espera que Rg 2 F 10 sea estable a la descomposición, exactamente análogo al Au 2 F 10 , mientras que Ag 2 F 10 debería ser inestable a la descomposición a Ag 2 F 6 y F 2 . El heptafluoruro de oro , AuF 7 , se conoce como un complejo de difluoruro de oro (V) AuF 5 ·F 2 , que es más bajo en energía que lo que sería un verdadero heptafluoruro de oro (VII); en cambio, se calcula que RgF 7 es más estable como un verdadero heptafluoruro de roentgenio (VII), aunque sería algo inestable, y su descomposición a Rg 2 F 10 y F 2 liberaría una pequeña cantidad de energía a temperatura ambiente. [69] Se espera que el roentgenio (I) sea difícil de obtener. [2] [70] [71] El oro forma fácilmente el complejo de cianuro Au (CN)− 2, que se utiliza en su extracción del mineral a través del proceso de cianuración del oro ; se espera que el roentgenio siga su ejemplo y forme Rg(CN)− 2. [72]
La probable química del roentgenio ha recibido más interés que la de los dos elementos anteriores, meitnerio y darmstadtio , ya que se espera que las subcapas de valencia s de los elementos del grupo 11 se contraigan relativistamente más fuertemente en el roentgenio. [2] Los cálculos sobre el compuesto molecular Rg H muestran que los efectos relativistas duplican la fuerza del enlace roentgenio-hidrógeno, aunque las interacciones espín-órbita también lo debilitan en 0,7 eV (16 kcal/mol). También se estudiaron los compuestos Au X y RgX, donde X = F , Cl , Br , O , Au o Rg. [2] [73] Se predice que Rg + es el ion metálico más blando , incluso más blando que Au + , aunque hay desacuerdo sobre si se comportaría como un ácido o una base . [74] [75] En solución acuosa, Rg + formaría el ion agua [Rg(H 2 O) 2 ] + , con una distancia de enlace Rg–O de 207,1 pm . También se espera que forme complejos Rg(I) con amoníaco , fosfina y sulfuro de hidrógeno . [75]
Física y atómica
Se espera que el roentgenio sea un sólido en condiciones normales y que cristalice en la estructura cúbica centrada en el cuerpo , a diferencia de sus congéneres más ligeros que cristalizan en la estructura cúbica centrada en las caras , debido a que se espera que tenga diferentes densidades de carga electrónica que ellos. [3] Debería ser un metal muy pesado con una densidad de alrededor de 22-24 g/cm 3 ; en comparación, el elemento más denso conocido cuya densidad se ha medido, el osmio , tiene una densidad de 22,61 g/cm 3 . [4] [5] Se espera que el radio atómico del roentgenio sea de alrededor de 138 pm. [2]
Química experimental
Aún no se ha podido establecer una determinación inequívoca de las características químicas del roentgenio [76] debido a los bajos rendimientos de las reacciones que producen isótopos de roentgenio. [2] Para que se realicen estudios químicos en un transactínido , se deben producir al menos cuatro átomos, la vida media del isótopo utilizado debe ser de al menos 1 segundo y la tasa de producción debe ser de al menos un átomo por semana. [68] Aunque la vida media de 282 Rg, el isótopo de roentgenio confirmado más estable, es de 100 segundos, tiempo suficiente para realizar estudios químicos, otro obstáculo es la necesidad de aumentar la tasa de producción de isótopos de roentgenio y permitir que los experimentos continúen durante semanas o meses para que se puedan obtener resultados estadísticamente significativos. La separación y detección deben llevarse a cabo de forma continua para separar los isótopos de roentgenio y permitir que los sistemas automatizados experimenten con la química de la fase gaseosa y la solución de roentgenio, ya que se predice que los rendimientos para los elementos más pesados serán menores que los de los elementos más ligeros. Sin embargo, la química experimental del roentgenio no ha recibido tanta atención como la de los elementos más pesados desde el copernicio hasta el livermorio , [2] [76] [77] a pesar del interés temprano en las predicciones teóricas debido a los efectos relativistas en la subcapa n s en el grupo 11 que alcanza un máximo en el roentgenio. [2] Los isótopos 280 Rg y 281 Rg son prometedores para la experimentación química y pueden producirse como las nietas de los isótopos de moscovio 288 Mc y 289 Mc respectivamente; [78] sus padres son los isótopos de nihonium 284 Nh y 285 Nh, que ya han recibido investigaciones químicas preliminares. [79]
^ En física nuclear , un elemento se denomina pesado si su número atómico es alto; el plomo (elemento 82) es un ejemplo de dicho elemento pesado. El término "elementos superpesados" se refiere típicamente a elementos con un número atómico mayor que 103 (aunque existen otras definiciones, como número atómico mayor que 100 [13] o 112 ; [14] a veces, el término se presenta como equivalente al término "transactínido", que pone un límite superior antes del comienzo de la serie hipotética de los superactínidos ). [15] Los términos "isótopos pesados" (de un elemento dado) y "núcleos pesados" significan lo que podría entenderse en el lenguaje común: isótopos de alta masa (para el elemento dado) y núcleos de alta masa, respectivamente.
^ En 2009, un equipo del JINR dirigido por Oganessian publicó los resultados de su intento de crear hassio en una reacción simétrica 136 Xe + 136 Xe. No lograron observar un solo átomo en dicha reacción, lo que puso el límite superior de la sección transversal, la medida de probabilidad de una reacción nuclear, en 2,5 pb . [16] En comparación, la reacción que resultó en el descubrimiento del hassio, 208 Pb + 58 Fe, tuvo una sección transversal de ~20 pb (más específicamente, 19+19 -11 pb), según lo estimado por los descubridores. [17]
^ La cantidad de energía aplicada a la partícula del haz para acelerarla también puede influir en el valor de la sección transversal. Por ejemplo, en el28 14Si +1 0norte →28 13Alabama +1 1pag reacción, la sección transversal cambia suavemente de 370 mb a 12,3 MeV a 160 mb a 18,3 MeV, con un pico amplio a 13,5 MeV con un valor máximo de 380 mb. [21]
^ Esta cifra también marca el límite superior generalmente aceptado para la vida útil de un núcleo compuesto. [26]
^ Esta separación se basa en que los núcleos resultantes se mueven más lentamente que los núcleos del haz que no reaccionaron frente al objetivo. El separador contiene campos eléctricos y magnéticos cuyos efectos sobre una partícula en movimiento se cancelan para una velocidad específica de una partícula. [28] Esta separación también puede verse facilitada por una medición del tiempo de vuelo y una medición de la energía de retroceso; una combinación de las dos puede permitir estimar la masa de un núcleo. [29]
^ No todos los modos de desintegración son causados por la repulsión electrostática. Por ejemplo, la desintegración beta es causada por la interacción débil . [36]
^ Ya en la década de 1960 se sabía que los estados fundamentales de los núcleos diferían en energía y forma, así como que ciertos números mágicos de nucleones correspondían a una mayor estabilidad de un núcleo. Sin embargo, se suponía que no existía estructura nuclear en los núcleos superpesados, ya que estaban demasiado deformados para formar una. [41]
^ Dado que la masa de un núcleo no se mide directamente, sino que se calcula a partir de la de otro núcleo, dicha medición se denomina indirecta. También son posibles las mediciones directas, pero en su mayor parte no han estado disponibles para los núcleos superpesados. [46] La primera medición directa de la masa de un núcleo superpesado se informó en 2018 en el LBNL. [47] La masa se determinó a partir de la ubicación de un núcleo después de la transferencia (la ubicación ayuda a determinar su trayectoria, que está vinculada a la relación masa-carga del núcleo, ya que la transferencia se realizó en presencia de un imán). [48]
^ Si la desintegración se produjo en el vacío, entonces, dado que el momento total de un sistema aislado antes y después de la desintegración debe conservarse , el núcleo hijo también recibiría una pequeña velocidad. La relación de las dos velocidades, y en consecuencia la relación de las energías cinéticas, sería inversa a la relación de las dos masas. La energía de desintegración es igual a la suma de la energía cinética conocida de la partícula alfa y la del núcleo hijo (una fracción exacta de la primera). [37] Los cálculos son válidos también para un experimento, pero la diferencia es que el núcleo no se mueve después de la desintegración porque está ligado al detector.
^ La fisión espontánea fue descubierta por el físico soviético Georgy Flerov , [49] un científico destacado del JINR, y por lo tanto era un "caballo de batalla" para la instalación. [50] En contraste, los científicos del LBL creían que la información de la fisión no era suficiente para afirmar la síntesis de un elemento. Creían que la fisión espontánea no había sido estudiada lo suficiente como para usarla para la identificación de un nuevo elemento, ya que existía una dificultad para establecer que un núcleo compuesto solo había expulsado neutrones y no partículas cargadas como protones o partículas alfa. [26] Por lo tanto, prefirieron vincular nuevos isótopos a los ya conocidos mediante desintegraciones alfa sucesivas. [49]
^ Por ejemplo, el elemento 102 fue identificado erróneamente en 1957 en el Instituto Nobel de Física en Estocolmo , Condado de Estocolmo , Suecia . [51] No hubo afirmaciones definitivas anteriores de creación de este elemento, y el elemento recibió un nombre por sus descubridores suecos, estadounidenses y británicos, nobelio . Más tarde se demostró que la identificación era incorrecta. [52] El año siguiente, RL no pudo reproducir los resultados suecos y anunció en su lugar su síntesis del elemento; esa afirmación también fue refutada más tarde. [52] JINR insistió en que fueron los primeros en crear el elemento y sugirió un nombre propio para el nuevo elemento, joliotio ; [53] el nombre soviético tampoco fue aceptado (JINR más tarde se refirió a la denominación del elemento 102 como "apresurada"). [54] Este nombre fue propuesto a la IUPAC en una respuesta escrita a su decisión sobre la prioridad de las reclamaciones de descubrimiento de elementos, firmada el 29 de septiembre de 1992. [54] El nombre "nobelio" permaneció sin cambios debido a su uso generalizado. [55]
^ Distintas fuentes proporcionan distintos valores para las vidas medias; se enumeran los valores publicados más recientemente.
^ ab Este isótopo no está confirmado
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