Isla de estabilidad
Conjunto previsto de isótopos de elementos superpesados ​​relativamente más estables

Un diagrama que muestra las vidas medias medidas y previstas de los nucleidos pesados ​​y superpesados, así como la línea de estabilidad beta y la ubicación prevista de la isla de estabilidad.
Diagrama del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear que muestra las semividas medidas (en un recuadro) y previstas de los nucleidos superpesados , ordenadas por número de protones y neutrones. La ubicación esperada de la isla de estabilidad alrededor de Z = 112 ( copernicio ) está marcada con un círculo. [1] [2]

En física nuclear , la isla de estabilidad es un conjunto previsto de isótopos de elementos superpesados ​​que pueden tener vidas medias considerablemente más largas que los isótopos conocidos de estos elementos. Se predice que aparecerá como una "isla" en el diagrama de nucleidos , separada de los radionucleidos primordiales estables y de larga vida conocidos. Su existencia teórica se atribuye a los efectos estabilizadores de los " números mágicos " previstos de protones y neutrones en la región de masa superpesada. [3] [4]

Física nuclear
Modelos del núcleo
Clasificación de los nucleidos
  • Isómeros : son iguales a todos los anteriores.
Estabilidad nuclear
Desintegración radiactiva
Fisión nuclear
Captura de procesos
Procesos de alta energía
Nucleosíntesis y
astrofísica nuclear
Física nuclear de alta energía
Científicos

Se han hecho varias predicciones sobre la ubicación exacta de la isla de estabilidad, aunque generalmente se cree que se centra cerca de los isótopos de copernicio y flerovio en las proximidades de la capa de neutrones cerrada predicha en N  = 184. [2] Estos modelos sugieren firmemente que la capa cerrada conferirá mayor estabilidad hacia la fisión y la desintegración alfa . Si bien se espera que estos efectos sean mayores cerca del número atómico Z  = 114 ( flerovio ) y N  = 184, se espera que la región de mayor estabilidad abarque varios elementos vecinos, y también puede haber islas de estabilidad adicionales alrededor de núcleos más pesados ​​que son doblemente mágicos (que tienen números mágicos tanto de protones como de neutrones). Las estimaciones de la estabilidad de los nucleidos dentro de la isla suelen rondar una vida media de minutos o días; algunos optimistas proponen vidas medias del orden de millones de años. [5]

Aunque el modelo de capas nucleares que predice los números mágicos existe desde la década de 1940, la existencia de nucleidos superpesados ​​de larga duración no se ha demostrado definitivamente. Al igual que el resto de los elementos superpesados, los nucleidos dentro de la isla de estabilidad nunca se han encontrado en la naturaleza; por lo tanto, deben crearse artificialmente en una reacción nuclear para ser estudiados. Los científicos no han encontrado una manera de llevar a cabo tal reacción, ya que es probable que se necesiten nuevos tipos de reacciones para poblar núcleos cerca del centro de la isla. Sin embargo, la síntesis exitosa de elementos superpesados ​​​​hasta Z  = 118 ( oganesson ) con hasta 177 neutrones demuestra un ligero efecto estabilizador alrededor de los elementos 110 a 114 que puede continuar en isótopos más pesados, en consonancia con la existencia de la isla de estabilidad. [2] [6]

Introducción

Estabilidad de los nucleidos

Diagrama completo de las vidas medias de los nucleidos representados en función de los ejes del número atómico Z y del número de neutrones N.
Diagrama de vidas medias de nucleidos conocidos

La composición de un nucleido ( núcleo atómico ) se define por el número de protones Z y el número de neutrones N , que suman el número másico A. El número de protones Z , también llamado número atómico, determina la posición de un elemento en la tabla periódica . Los aproximadamente 3300 nucleidos conocidos [7] se representan comúnmente en un diagrama con Z y N como sus ejes y la vida media de desintegración radiactiva indicada para cada nucleido inestable (ver figura). [8] A partir de 2019 [update], se observa que 251 nucleidos son estables (sin que nunca se haya observado que se desintegren); [9] generalmente, a medida que aumenta el número de protones, los núcleos estables tienen una mayor relación neutrón-protón (más neutrones por protón). El último elemento de la tabla periódica que tiene un isótopo estable es el plomo ( Z  = 82), [a] [b] con estabilidad (es decir, vidas medias de los isótopos de vida más larga) que generalmente disminuyen en elementos más pesados, [c] [12] especialmente más allá del curio ( Z  = 96). [13] Las vidas medias de los núcleos también disminuyen cuando hay una relación neutrón-protón desequilibrada, de modo que los núcleos resultantes tienen muy pocos o demasiados neutrones para ser estables. [14]

La estabilidad de un núcleo está determinada por su energía de enlace , siendo mayor la energía de enlace que confiere mayor estabilidad. La energía de enlace por nucleón aumenta con el número atómico hasta una amplia meseta alrededor de A  = 60, luego disminuye. [15] Si un núcleo se puede dividir en dos partes que tienen una energía total menor (una consecuencia del defecto de masa resultante de una mayor energía de enlace), es inestable. El núcleo puede mantenerse unido durante un tiempo finito porque hay una barrera potencial que se opone a la división, pero esta barrera puede ser cruzada por efecto túnel cuántico . Cuanto menor sea la barrera y las masas de los fragmentos , mayor será la probabilidad por unidad de tiempo de una división. [16]

Los protones de un núcleo están unidos entre sí por la fuerza nuclear fuerte , que contrarresta la repulsión de Coulomb entre protones con carga positiva. En los núcleos más pesados, se necesitan mayores cantidades de neutrones sin carga para reducir la repulsión y conferir estabilidad adicional. Aun así, cuando los físicos comenzaron a sintetizar elementos que no se encuentran en la naturaleza, descubrieron que la estabilidad disminuía a medida que los núcleos se volvían más pesados. [17] Por lo tanto, especularon que la tabla periódica podría llegar a su fin. Los descubridores del plutonio (elemento 94) consideraron llamarlo "ultimium", pensando que era el último. [18] Después de los descubrimientos de elementos más pesados, de los cuales algunos se desintegraban en microsegundos, parecía que la inestabilidad con respecto a la fisión espontánea limitaría la existencia de elementos más pesados. En 1939, se estimó un límite superior de síntesis potencial de elementos alrededor del elemento 104 , [19] y luego de los primeros descubrimientos de elementos transactínidos a principios de la década de 1960, esta predicción del límite superior se extendió al elemento 108. [ 17]

Números mágicos

Diagrama que muestra los niveles de energía de las capas de protones conocidas y predichas, con espacios en los números atómicos 82, 114, 120 y 126.
Diagrama que muestra los niveles de energía de las capas de protones conocidas y predichas (izquierda y derecha muestran dos modelos diferentes). [20] Los huecos en Z  = 82, 114, 120 y 126 corresponden a cierres de capas, [20] que tienen configuraciones particularmente estables y por lo tanto dan como resultado núcleos más estables. [21]

Ya en 1914, se sugirió la posible existencia de elementos superpesados ​​con números atómicos muy superiores al del uranio (entonces el elemento más pesado conocido), cuando el físico alemán Richard Swinne propuso que los elementos superpesados ​​alrededor de Z  = 108 eran una fuente de radiación en los rayos cósmicos . Aunque no hizo ninguna observación definitiva, en 1931 planteó la hipótesis de que los elementos transuránicos alrededor de Z  = 100 o Z  = 108 pueden tener una vida relativamente larga y posiblemente existir en la naturaleza. [22] En 1955, el físico estadounidense John Archibald Wheeler también propuso la existencia de estos elementos; [23] se le atribuye el primer uso del término "elemento superpesado" en un artículo de 1958 publicado con Frederick Werner. [24] Esta idea no atrajo un amplio interés hasta una década después, después de las mejoras en el modelo de capas nucleares . En este modelo, el núcleo atómico está formado por "capas", análogas a las capas de electrones en los átomos. Independientemente unos de otros, los neutrones y los protones tienen niveles de energía que normalmente están próximos entre sí, pero una vez que se llena una capa dada, se necesita mucha más energía para empezar a llenar la siguiente. Por lo tanto, la energía de enlace por nucleón alcanza un máximo local y los núcleos con capas llenas son más estables que los que no las tienen. [25] Esta teoría de un modelo de capas nucleares se origina en la década de 1930, pero no fue hasta 1949 que los físicos alemanes Maria Goeppert Mayer y Johannes Hans Daniel Jensen et al. idearon de forma independiente la formulación correcta. [26]

Los números de nucleones para los que se llenan las capas se denominan números mágicos . Se han observado números mágicos de 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126 para neutrones, y se predice que el siguiente número será 184. [6] [27] Los protones comparten los primeros seis de estos números mágicos, [28] y 126 se ha predicho como un número mágico de protón desde la década de 1940. [29] Los nucleidos con un número mágico de cada uno, como 16 O ( Z  = 8, N  = 8), 132 Sn ( Z  = 50, N  = 82) y 208 Pb ( Z  = 82, N  = 126), se conocen como "doblemente mágicos" y son más estables que los nucleidos cercanos como resultado de mayores energías de enlace. [30] [31]

A finales de la década de 1960, el físico estadounidense William Myers y el físico polaco Władysław Świątecki , e independientemente por el físico alemán Heiner Meldner (1939-2019 [32] [33] ), formularon modelos de capas más sofisticados . Con estos modelos, teniendo en cuenta la repulsión de Coulomb, Meldner predijo que el próximo número mágico del protón podría ser 114 en lugar de 126. [34] Myers y Świątecki parecen haber acuñado el término "isla de estabilidad", y el químico estadounidense Glenn Seaborg , más tarde descubridor de muchos de los elementos superpesados, adoptó rápidamente el término y lo promovió. [29] [35] Myers y Świątecki también propusieron que algunos núcleos superpesados ​​tendrían una vida más larga como consecuencia de barreras de fisión más altas . Las mejoras posteriores en el modelo nuclear de capas por parte del físico soviético Vilen Strutinsky condujeron a la aparición del método macroscópico-microscópico, un modelo de masa nuclear que tiene en cuenta tanto las tendencias suaves características del modelo de gota de líquido como las fluctuaciones locales como los efectos de capa. Este enfoque permitió al físico sueco Sven Nilsson et al., así como a otros grupos, realizar los primeros cálculos detallados de la estabilidad de los núcleos dentro de la isla. [34] Con la aparición de este modelo, Strutinsky, Nilsson y otros grupos argumentaron la existencia del nucleido doblemente mágico 298 Fl ( Z  = 114, N  = 184), en lugar de 310 Ubh ( Z  = 126, N  = 184) que se predijo que sería doblemente mágico ya en 1957. [34] Posteriormente, las estimaciones del número mágico del protón han oscilado entre 114 y 126, y todavía no hay consenso. [6] [21] [36] [37]

Descubrimientos

Isótopos más estables de elementos superpesados ​​( Z  ≥ 104)
Elemento
Número atómico		Isótopo más
estable
Vida media [d]
Publicaciones
[38] [39]		NUBASE 2020
[40]
Rutherfordio104267 RF48 minutos [41]2,5 horas
Dubnio105268 dB16 horas [42]1,2 días
Seaborgio106269 ​​sg14 minutos [43]5 minutos
Bohrio107270 Bh [e]2,4 minutos [45]3,8 minutos
Hassio108269 ​​Hs9,7 s [46]16 segundos
Meitnerio109278 Mt [f] [g]4,5 segundos6 segundos
Darmstadtio110281 Ds [f]12,7 segundos14 segundos
Roentgenio111282 Rg [f] [h]1,7 minutos2,2 minutos
Copérnico112285 Cn [f]28 segundos30 segundos
Nihonio113286 Nh [f]9,5 segundos12 segundos
Flerovio114289 Fl [f] [i]1,9 segundos2,1 segundos
Moscovio115290 Mc [mujer]650 ms840 ms
Livermorio116293 Nivel [f]57 ms70 ms
Tennessee117294 Ts [f]51 ms70 ms
Oganesón118294 Og [f]690 microsegundos700 microsegundos

El interés en una posible isla de estabilidad creció a lo largo de la década de 1960, ya que algunos cálculos sugirieron que podría contener nucleidos con vidas medias de miles de millones de años. [48] [5] También se predijo que serían especialmente estables frente a la fisión espontánea a pesar de su alta masa atómica. [34] [49] Se pensó que si tales elementos existen y tienen una vida suficientemente larga, puede haber varias aplicaciones novedosas como consecuencia de sus propiedades nucleares y químicas. Estas incluyen el uso en aceleradores de partículas como fuentes de neutrones , en armas nucleares como consecuencia de sus bajas masas críticas previstas y el alto número de neutrones emitidos por fisión, [50] y como combustible nuclear para impulsar misiones espaciales. [36] Estas especulaciones llevaron a muchos investigadores a realizar búsquedas de elementos superpesados ​​​​en las décadas de 1960 y 1970, tanto en la naturaleza como a través de la nucleosíntesis en aceleradores de partículas. [23]

Durante la década de 1970, se llevaron a cabo muchas búsquedas de núcleos superpesados ​​de larga duración. Se llevaron a cabo experimentos destinados a sintetizar elementos con un número atómico de entre 110 y 127 en laboratorios de todo el mundo. [51] [52] Estos elementos se buscaron en reacciones de fusión-evaporación, en las que un objetivo pesado formado por un nucleido es irradiado por iones acelerados de otro en un ciclotrón , y se producen nuevos nucleidos después de que estos núcleos se fusionan y el sistema excitado resultante libera energía evaporando varias partículas (normalmente protones, neutrones o partículas alfa). Estas reacciones se dividen en fusión "fría" y "caliente", que crean respectivamente sistemas con energías de excitación más bajas y más altas ; esto afecta al rendimiento de la reacción. [53] Por ejemplo, se esperaba que la reacción entre 248 Cm y 40 Ar produjera isótopos del elemento 114, y que entre 232 Th y 84 Kr produjera isótopos del elemento 126. [54] Ninguno de estos intentos tuvo éxito, [51] [52] lo que indica que dichos experimentos pueden haber sido insuficientemente sensibles si las secciones transversales de reacción eran bajas (lo que resultaba en rendimientos más bajos) o que cualquier núcleo alcanzable a través de tales reacciones de fusión-evaporación podría tener una vida demasiado corta para ser detectado. [j] Experimentos exitosos posteriores revelan que las vidas medias y las secciones transversales de hecho disminuyen con el aumento del número atómico, lo que resulta en la síntesis de solo unos pocos átomos de vida corta de los elementos más pesados ​​​​en cada experimento; [55] a partir de 2022 [update], la sección transversal más alta informada para un nucleido superpesado cerca de la isla de estabilidad es para 288 Mc en la reacción entre 243 Am y 48 Ca. [42]

Búsquedas similares en la naturaleza también fueron infructuosas, lo que sugiere que si existen elementos superpesados ​​en la naturaleza, su abundancia es menor a 10 −14 moles de elementos superpesados ​​por mol de mineral. [56] A pesar de estos intentos infructuosos de observar núcleos superpesados ​​de larga vida, [34] se sintetizaron nuevos elementos superpesados ​​cada pocos años en laboratorios mediante bombardeo de iones ligeros y reacciones de fusión fría [k] ; el rutherfordio, el primer transactínido , se descubrió en 1969, y el copernicio, ocho protones más cerca de la isla de estabilidad predicha en Z  = 114, se alcanzó en 1996. Aunque las vidas medias de estos núcleos son muy cortas (del orden de segundos ), [40] la mera existencia de elementos más pesados ​​que el rutherfordio es indicativa de efectos estabilizadores que se cree que son causados ​​por capas cerradas; Un modelo que no considere tales efectos prohibiría la existencia de estos elementos debido a la rápida fisión espontánea. [19]

El flerovio, con los mágicos 114 protones esperados, fue sintetizado por primera vez en 1998 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en Dubna , Rusia, por un grupo de físicos dirigido por Yuri Oganessian . Se detectó un solo átomo del elemento 114, con una vida útil de 30,4 segundos, y sus productos de desintegración tenían vidas medias medibles en minutos. [57] Debido a que los núcleos producidos sufrieron desintegración alfa en lugar de fisión, y las vidas medias fueron varios órdenes de magnitud más largas que las previamente predichas [l] u observadas para elementos superpesados, [57] este evento fue visto como un "ejemplo clásico" de una cadena de desintegración característica de la isla de estabilidad, proporcionando una fuerte evidencia de la existencia de la isla de estabilidad en esta región. [59] Aunque la cadena original de 1998 no se volvió a observar y su asignación sigue siendo incierta, [44] otros experimentos exitosos en las siguientes dos décadas llevaron al descubrimiento de todos los elementos hasta el oganesón , cuyas vidas medias superaron los valores predichos inicialmente; estas propiedades de desintegración respaldan aún más la presencia de la isla de estabilidad. [6] [47] [60] Sin embargo, un estudio de 2021 sobre las cadenas de desintegración de los isótopos de flerovio sugiere que no existe un fuerte efecto estabilizador de Z  = 114 en la región de los núcleos conocidos ( N  = 174), [61] y que la estabilidad adicional sería predominantemente una consecuencia del cierre de la capa de neutrones. [37] Aunque los núcleos conocidos todavía están a varios neutrones de N  = 184, donde se espera la máxima estabilidad (los núcleos confirmados más ricos en neutrones, 293 Lv y 294 Ts, solo alcanzan N  = 177), y la ubicación exacta del centro de la isla sigue siendo desconocida, [62] [6]  se ha demostrado la tendencia de aumentar la estabilidad cerca de N = 184. Por ejemplo, el isótopo 285 Cn, con ocho neutrones más que 277 Cn, tiene una vida media casi cinco órdenes de magnitud más larga. Se espera que esta tendencia continúe en isótopos más pesados ​​desconocidos en la proximidad del cierre de la capa. [63]

Núcleos deformados

Diagrama de cadenas de desintegración observadas de nucleidos superpesados ​​de tamaño Z, que constan de varias desintegraciones alfa y terminan en fisión espontánea.
Un resumen de las cadenas de desintegración observadas en elementos superpesados ​​​​de Z par , incluidas las asignaciones tentativas en las cadenas 3, 5 y 8. [44] Según otro análisis, la cadena 3 (que comienza en el elemento 120) no es una cadena de desintegración real, sino más bien una secuencia aleatoria de eventos. [64] Existe una tendencia general de creciente estabilidad para los isótopos con un mayor exceso de neutrones ( N  −  Z , la diferencia en el número de protones y neutrones), especialmente en los elementos 110, 112 y 114, lo que sugiere fuertemente que el centro de la isla de estabilidad se encuentra entre isótopos aún más pesados.

Aunque se predice que los núcleos dentro de la isla de estabilidad alrededor de N  = 184 son esféricos , estudios de principios de la década de 1990, comenzando con los físicos polacos Zygmunt Patyk y Adam Sobiczewski en 1991 [65], sugieren que algunos elementos superpesados ​​no tienen núcleos perfectamente esféricos. [66] [67] Un cambio en la forma del núcleo cambia la posición de los neutrones y protones en la capa. La investigación indica que los núcleos grandes más alejados de los números mágicos esféricos se deforman , [67] causando que los números mágicos cambien o que aparezcan nuevos números mágicos. La investigación teórica actual indica que en la región Z  = 106–108 y N  ≈ 160–164, los núcleos pueden ser más resistentes a la fisión como consecuencia de los efectos de capa para los núcleos deformados; por lo tanto, dichos núcleos superpesados ​​solo sufrirían desintegración alfa. [68] [69] [70] Ahora se cree que el hasio-270 es un núcleo deformado doblemente mágico, con números mágicos deformados Z  = 108 y N  = 162. [71] Tiene una vida media de 9 segundos. [40] Esto es consistente con los modelos que tienen en cuenta la naturaleza deformada de los núcleos intermedios entre los actínidos y la isla de estabilidad cerca de N  = 184, en la que emerge una "península" de estabilidad en números mágicos deformados Z  = 108 y N  = 162. [72] [73] La determinación de las propiedades de desintegración de los isótopos vecinos de hasio y seaborgio cerca de N  = 162 proporciona evidencia sólida adicional para esta región de estabilidad relativa en núcleos deformados. [49] Esto también sugiere fuertemente que la isla de estabilidad (para núcleos esféricos) no está completamente aislada de la región de núcleos estables, sino que ambas regiones están unidas a través de un istmo de núcleos deformados relativamente estables. [72] [74]

Propiedades de descomposición previstas

Un diagrama que representa los cuatro modos principales de desintegración (alfa, captura de electrones, beta y fisión espontánea) de núcleos superpesados ​​conocidos y previstos.
Diagrama que muestra los modos de desintegración previstos de los núcleos superpesados, con los núcleos observados marcados con contornos negros. Se prevé que los núcleos más deficientes en neutrones, así como los que se encuentran inmediatamente más allá del cierre de la capa en N  = 184, experimenten predominantemente fisión espontánea (FE), mientras que la desintegración alfa (α) puede predominar en los núcleos deficientes en neutrones más cercanos a la isla, y pueden aparecer ramificaciones significativas de desintegración beta (β) o captura de electrones (EC) más cercanas al centro de la isla alrededor de 291 Cn y 293 Cn. [2]

Las vidas medias de los núcleos en la propia isla de estabilidad son desconocidas, ya que no se ha observado ninguno de los nucleidos que estarían "en la isla". Muchos físicos creen que las vidas medias de estos núcleos son relativamente cortas, del orden de minutos o días. [62] Algunos cálculos teóricos indican que sus vidas medias pueden ser largas, del orden de 100 años, [2] [55] o posiblemente hasta 10 9 años. [5]

 Se predice que el cierre de la capa en N = 184 dará como resultado vidas medias parciales más largas para la desintegración alfa y la fisión espontánea. [2] Se cree que el cierre de la capa dará como resultado barreras de fisión más altas para los núcleos alrededor de 298 Fl, obstaculizando fuertemente la fisión y tal vez dando como resultado vidas medias de fisión 30 órdenes de magnitud mayores que las de los núcleos no afectados por el cierre de la capa. [34] [75] Por ejemplo, el isótopo deficiente en neutrones 284 Fl (con N  = 170) sufre fisión con una vida media de 2,5 milisegundos, y se piensa que es uno de los nucleidos más deficientes en neutrones con mayor estabilidad en la proximidad del cierre de la capa N  = 184. [43] Más allá de este punto, se predice que algunos isótopos no descubiertos sufrirán fisión con vidas medias aún más cortas, lo que limita la existencia [m] y la posible observación [j] de núcleos superpesados ​​lejos de la isla de estabilidad (a saber, para N  < 170 así como para Z  > 120 y N  > 184). [14] [19] Estos núcleos pueden sufrir desintegración alfa o fisión espontánea en microsegundos o menos, con algunas vidas medias de fisión estimadas en el orden de 10 −20 segundos en ausencia de barreras de fisión. [68] [69] [70] [75] Por el contrario, 298 Fl (que se predice que se encuentra dentro de la región de efectos de capa máximos) puede tener una vida media de fisión espontánea mucho más larga, posiblemente del orden de 10 19 años. [34]

En el centro de la isla, puede haber competencia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea, aunque la proporción exacta depende del modelo. [2] Las vidas medias de desintegración alfa de 1700 núcleos con 100 ≤  Z  ≤ 130 se han calculado en un modelo de túnel cuántico con valores Q de desintegración alfa tanto experimentales como teóricos , y concuerdan con las vidas medias observadas para algunos de los isótopos más pesados. [68] [69] [70] [79] [80] [81]

También se predice que los nucleidos de vida más larga se encuentran en la línea de estabilidad beta , ya que se predice que la desintegración beta competirá con los otros modos de desintegración cerca del centro predicho de la isla, especialmente para los isótopos de los elementos 111-115. A diferencia de otros modos de desintegración predichos para estos nucleidos, la desintegración beta no cambia el número másico. En cambio, un neutrón se convierte en un protón o viceversa, produciendo una isobara adyacente más cercana al centro de estabilidad (la isobara con el menor exceso de masa ). Por ejemplo, pueden existir ramas significativas de desintegración beta en nucleidos como 291 Fl y 291 Nh; estos nucleidos tienen solo unos pocos neutrones más que los nucleidos conocidos, y podrían desintegrarse a través de una "vía estrecha" hacia el centro de la isla de estabilidad. [1] [2] El posible papel de la desintegración beta es muy incierto, ya que se predice que algunos isótopos de estos elementos (como 290 Fl y 293 Mc) tienen vidas medias parciales más cortas para la desintegración alfa. La desintegración beta reduciría la competencia y daría como resultado que la desintegración alfa siga siendo el canal de desintegración dominante, a menos que exista una estabilidad adicional hacia la desintegración alfa en los isómeros superdeformados de estos nucleidos. [82]

Un diagrama que representa los cuatro modos principales de desintegración (alfa, captura de electrones, beta y fisión espontánea) de núcleos superpesados ​​conocidos y previstos, según el modelo KTUY.
Este gráfico de modos de desintegración previstos, derivado de la investigación teórica de la Agencia de Energía Atómica de Japón , predice el centro de la isla de estabilidad alrededor de 294 Ds; sería el de mayor duración de varios nucleidos de duración relativamente larga que experimentan principalmente desintegración alfa (en un círculo). Esta es la región donde la línea de estabilidad beta cruza la región estabilizada por el cierre de la capa en N  = 184. A la izquierda y a la derecha, las vidas medias disminuyen a medida que la fisión se convierte en el modo de desintegración dominante, en consonancia con otros modelos. [14] [75]

Considerando todos los modos de desintegración, varios modelos indican un desplazamiento del centro de la isla (es decir, el nucleido de vida más larga) desde 298 Fl a un número atómico más bajo, y competencia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea en estos nucleidos; [83] estos incluyen vidas medias de 100 años para 291 Cn y 293 Cn, [55] [78] una vida media de 1000 años para 296 Cn, [55] una vida media de 300 años para 294 Ds, [75] y una vida media de 3500 años para 293 Ds, [84] [85] con 294 Ds y 296 Cn exactamente en el cierre de la capa N  = 184. También se ha postulado que esta región de estabilidad mejorada para elementos con 112 ≤  Z  ≤ 118 puede ser en cambio una consecuencia de la deformación nuclear, y que el verdadero centro de la isla de estabilidad para núcleos superpesados ​​esféricos se encuentra alrededor de 306 Ubb ( Z  = 122, N  = 184). [20] Este modelo define la isla de estabilidad como la región con la mayor resistencia a la fisión en lugar de las vidas medias totales más largas; [20] todavía se predice que el nucleido 306 Ubb tiene una vida media corta con respecto a la desintegración alfa. [2] [70] La isla de estabilidad para los núcleos esféricos también puede ser un "arrecife de coral" (es decir, una amplia región de mayor estabilidad sin un "pico" claro) alrededor de N  = 184 y 114 ≤  Z  ≤ 120, con vidas medias que disminuyen rápidamente a un número atómico más alto, debido a los efectos combinados de los cierres de las capas de protones y neutrones. [86]

Los físicos rumanos Dorin N. Poenaru y Radu A. Gherghescu y el físico alemán Walter Greiner propusieron otro modo de desintegración potencialmente significativo para los elementos superpesados ​​más pesados: la desintegración en racimos . Se espera que su relación de ramificación en relación con la desintegración alfa aumente con el número atómico, de modo que pueda competir con la desintegración alfa alrededor de Z  = 120, y tal vez convertirse en el modo de desintegración dominante para los nucleidos más pesados ​​alrededor de Z  = 124. Como tal, se espera que desempeñe un papel más importante más allá del centro de la isla de estabilidad (aunque todavía influenciado por los efectos de capa), a menos que el centro de la isla se encuentre en un número atómico más alto que el predicho. [87]

Posible ocurrencia natural

Aunque las vidas medias de cientos o miles de años serían relativamente largas para los elementos superpesados, son demasiado cortas para que tales nucleidos existan primordialmente en la Tierra. Además, la inestabilidad de los núcleos intermedios entre los actínidos primordiales ( 232 Th , 235 U y 238 U ) y la isla de estabilidad puede inhibir la producción de núcleos dentro de la isla en la nucleosíntesis del proceso r . Varios modelos sugieren que la fisión espontánea será el modo de desintegración dominante de los núcleos con A > 280, y que la fisión  inducida por neutrones o beta retardada (respectivamente, captura de neutrones y desintegración beta inmediatamente seguida de fisión) se convertirán en los canales de reacción primarios. Como resultado, la desintegración beta hacia la isla de estabilidad solo puede ocurrir dentro de un camino muy estrecho o puede ser bloqueada completamente por la fisión, impidiendo así la síntesis de nucleidos dentro de la isla. [88] Se cree que la no observación de nucleidos superpesados ​​como 292 Hs y 298 Fl en la naturaleza es consecuencia de un bajo rendimiento en el proceso r resultante de este mecanismo, así como de vidas medias demasiado cortas para permitir que persistan cantidades mensurables en la naturaleza. [89] [n] Varios estudios que utilizan espectroscopia de masas con aceleradores y centelleadores de cristal han informado límites superiores de la abundancia natural de dichos núcleos superpesados ​​de larga duración del orden de10 −14 en relación con sus homólogos estables . [92]

A pesar de estos obstáculos para su síntesis, un estudio de 2013 publicado por un grupo de físicos rusos dirigido por Valeriy Zagrebaev propone que los isótopos de copernicio de vida más larga pueden presentarse en una abundancia de 10 −12 en relación con el plomo, por lo que pueden ser detectables en rayos cósmicos . [63] De manera similar, en un experimento de 2013, un grupo de físicos rusos dirigido por Aleksandr Bagulya informó la posible observación de tres núcleos superpesados ​​cosmogénicos en cristales de olivino en meteoritos. El número atómico de estos núcleos se estimó entre 105 y 130, con un núcleo probablemente restringido entre 113 y 129, y se estimó que sus vidas medias eran de al menos 3000 años. Aunque esta observación aún debe ser confirmada en estudios independientes, sugiere firmemente la existencia de la isla de estabilidad y es consistente con los cálculos teóricos de las vidas medias de estos nucleidos. [93] [94] [95]

La desintegración de elementos pesados ​​y de larga duración en la isla de estabilidad es una explicación propuesta para la presencia inusual de isótopos radiactivos de vida corta observados en la estrella de Przybylski . [96]

Síntesis y dificultades

Un gráfico 3D de la estabilidad de los elementos en función del número de protones Z y neutrones N, que muestra una "cadena montañosa" que corre en diagonal a través del gráfico desde los números bajos a los altos, así como una "isla de estabilidad" en N y Z altos.
Representación tridimensional de la isla de estabilidad alrededor de N  = 178 y Z  = 112

La fabricación de núcleos en la isla de estabilidad resulta muy difícil porque los núcleos disponibles como materiales de partida no proporcionan la suma necesaria de neutrones. Los haces de iones radiactivos (como el 44 S) en combinación con objetivos de actínidos (como el 248 Cm ) pueden permitir la producción de más núcleos ricos en neutrones más cerca del centro de la isla de estabilidad, aunque dichos haces no están disponibles actualmente en las intensidades requeridas para realizar dichos experimentos. [63] [97] [98] Varios isótopos más pesados, como el 250 Cm y el 254 Es, aún pueden utilizarse como objetivos, lo que permite la producción de isótopos con uno o dos neutrones más que los isótopos conocidos, [63] aunque la producción de varios miligramos de estos isótopos raros para crear un objetivo es difícil. [99] También puede ser posible investigar canales de reacción alternativos en las mismas reacciones de fusión-evaporación inducidas por 48 Ca que pueblan los isótopos conocidos más ricos en neutrones, es decir, aquellos con una energía de excitación más baja (lo que resulta en la emisión de menos neutrones durante la desexcitación), o aquellos que involucran la evaporación de partículas cargadas ( pxn , evaporando un protón y varios neutrones, o αxn , evaporando una partícula alfa y varios neutrones). [100] Esto puede permitir la síntesis de isótopos enriquecidos con neutrones de los elementos 111-117. [101] Aunque las secciones eficaces predichas son del orden de 1-900  fb , más pequeñas que cuando solo se evaporan neutrones ( canales xn ), aún puede ser posible generar isótopos de elementos superpesados ​​que de otra manera serían inalcanzables en estas reacciones. [100] [101] [102] Algunos de estos isótopos más pesados ​​(como 291 Mc, 291 Fl y 291 Nh) también pueden sufrir captura de electrones (convirtiendo un protón en un neutrón) además de desintegración alfa con vidas medias relativamente largas, desintegrándose en núcleos como 291 Cn que se prevé que se encuentren cerca del centro de la isla de estabilidad. Sin embargo, esto sigue siendo en gran medida hipotético ya que aún no se han sintetizado núcleos superpesados ​​cerca de la línea de estabilidad beta y las predicciones de sus propiedades varían considerablemente entre los diferentes modelos. [1] [63]

El proceso de captura lenta de neutrones utilizado para producir nucleidos tan pesados ​​como el 257 Fm es bloqueado por isótopos de fermio de vida corta que experimentan fisión espontánea (por ejemplo, el 258 Fm tiene una vida media de 370 μs); esto se conoce como la "brecha de fermio" e impide la síntesis de elementos más pesados ​​en dicha reacción. Podría ser posible evitar esta brecha, así como otra región de inestabilidad prevista alrededor de A  = 275 y Z  = 104–108, en una serie de explosiones nucleares controladas con un flujo de neutrones más alto (aproximadamente mil veces mayor que los flujos en los reactores existentes) que imita el proceso r astrofísico . [63] Propuesta por primera vez en 1972 por Meldner, dicha reacción podría permitir la producción de cantidades macroscópicas de elementos superpesados ​​dentro de la isla de estabilidad; [1] El papel de la fisión en los nucleidos superpesados ​​intermedios es muy incierto y puede influir fuertemente en el rendimiento de dicha reacción. [88]

Diagrama JAEA de nucleidos hasta Z = 149 y N = 256 que muestra los modos de desintegración previstos y la línea de estabilidad beta
Este gráfico de nucleidos utilizado por la Agencia de Energía Atómica de Japón muestra los modos de desintegración conocidos (en recuadros) y predichos de los núcleos hasta Z  = 149 y N  = 256. Las regiones de mayor estabilidad son visibles alrededor de los cierres de capa predichos en N  = 184 ( 294 Ds– 298 Fl) y N  = 228 ( 354 126), separados por un espacio de núcleos fisionantes de vida corta ( t 1/2  < 1 ns; no coloreado en el gráfico). [75]

También es posible generar isótopos en la isla de estabilidad, como 298 Fl, en reacciones de transferencia de múltiples nucleones en colisiones de baja energía de núcleos de actínidos (como 238 U y 248 Cm). [97] Este mecanismo de cuasifisión inversa (fusión parcial seguida de fisión, con un cambio que se aleja del equilibrio de masa que da como resultado productos más asimétricos) [103] puede proporcionar un camino a la isla de estabilidad si los efectos de capa alrededor de Z  = 114 son suficientemente fuertes, aunque se predice que los elementos más ligeros como el nobelio y el seaborgio ( Z  = 102–106) tienen rendimientos más altos. [63] [104] Los estudios preliminares de las reacciones de transferencia 238 U +  238 U y 238 U +  248 Cm no han logrado producir elementos más pesados ​​que el mendelevio ( Z  = 101), aunque el mayor rendimiento en la última reacción sugiere que el uso de objetivos aún más pesados, como 254 Es (si está disponible), puede permitir la producción de elementos superpesados. [105] Este resultado está respaldado por un cálculo posterior que sugiere que el rendimiento de nucleidos superpesados ​​(con Z  ≤ 109) probablemente será mayor en reacciones de transferencia que utilicen objetivos más pesados. [98] Un estudio de 2018 de la reacción 238 U +  232 Th en el Texas A&M Cyclotron Institute por Sara Wuenschel et al. Se encontraron varias desintegraciones alfa desconocidas que posiblemente se puedan atribuir a nuevos isótopos ricos en neutrones de elementos superpesados ​​con 104 <  Z  < 116, aunque se requiere más investigación para determinar de manera inequívoca el número atómico de los productos. [98] [106] Este resultado sugiere firmemente que los efectos de capa tienen una influencia significativa en las secciones transversales, y que la isla de estabilidad posiblemente se podría alcanzar en futuros experimentos con reacciones de transferencia. [106]

Otras islas de estabilidad

Otros cierres de capas más allá de la isla principal de estabilidad en las proximidades de Z  = 112–114 pueden dar lugar a islas de estabilidad adicionales. Aunque las predicciones para la ubicación de los próximos números mágicos varían considerablemente, se cree que existen dos islas significativas alrededor de núcleos doblemente mágicos más pesados; la primera cerca de 354 126 (con 228 neutrones) y la segunda cerca de 472 164 o 482 164 (con 308 o 318 neutrones). [34] [75] [107] Los nucleidos dentro de estas dos islas de estabilidad podrían ser especialmente resistentes a la fisión espontánea y tener vidas medias de desintegración alfa medibles en años, teniendo así una estabilidad comparable a los elementos en las proximidades del flerovio . [34] También pueden aparecer otras regiones de relativa estabilidad con cierres de capas de protones más débiles en nucleidos beta-estables; Tales posibilidades incluyen regiones cerca de 342 126 [108] y 462 154. [109] Una repulsión electromagnética sustancialmente mayor entre protones en tales núcleos pesados ​​puede reducir en gran medida su estabilidad, y posiblemente restringir su existencia a islas localizadas en la proximidad de los efectos de capa. [110] Esto puede tener la consecuencia de aislar estas islas del cuadro principal de nucleidos , ya que los nucleidos intermedios y quizás los elementos en un "mar de inestabilidad" sufrirían rápidamente fisión y esencialmente serían inexistentes. [107] También es posible que más allá de una región de relativa estabilidad alrededor del elemento 126, los núcleos más pesados ​​se encontrarían más allá de un umbral de fisión dado por el modelo de gota líquida y, por lo tanto, sufrirían fisión con vidas medias muy cortas, volviéndolos esencialmente inexistentes incluso en la proximidad de números mágicos mayores. [108]

También se ha postulado que en la región más allá de A  > 300, puede existir un " continente de estabilidad " entero que consiste en una fase hipotética de materia de quarks estable , que comprende quarks arriba y abajo que fluyen libremente en lugar de quarks ligados a protones y neutrones. Se teoriza que tal forma de materia es un estado fundamental de materia bariónica con una mayor energía de enlace por barión que la materia nuclear , lo que favorece la desintegración de la materia nuclear más allá de este umbral de masa en materia de quarks. Si este estado de materia existe, posiblemente podría sintetizarse en las mismas reacciones de fusión que conducen a núcleos superpesados ​​normales, y se estabilizaría contra la fisión como consecuencia de su enlace más fuerte que es suficiente para superar la repulsión de Coulomb. [111]

Véase también

Notas

  1. ^ Se creía que el elemento estable más pesado era el bismuto (número atómico 83) hasta 2003, cuando se observó que su único isótopo estable, el 209 Bi , sufría desintegración alfa. [10]
  2. ^ Es teóricamente posible que otros nucleidos observablemente estables se desintegren, aunque sus vidas medias previstas son tan largas que este proceso nunca ha sido observado. [11]
  3. ^ Una región de mayor estabilidad abarca el torio ( Z  = 90) y el uranio ( Z  = 92), cuyas vidas medias son comparables a la edad de la Tierra . Los elementos intermedios entre el bismuto y el torio tienen vidas medias más cortas, y los núcleos más pesados ​​más allá del uranio se vuelven más inestables a medida que aumenta el número atómico. [12]
  4. ^ Diferentes fuentes dan diferentes valores para las vidas medias; los valores publicados más recientemente en la literatura y en NUBASE se enumeran como referencia.
  5. ^ El 278 Bh, no confirmado, puede tener una vida media más larga, de 11,5 minutos. [44]
  6. ^ abcdefghij En el caso de los elementos 109-118, el isótopo conocido de vida más larga es siempre el más pesado descubierto hasta el momento. Esto hace que parezca probable que existan isótopos de vida más larga aún por descubrir entre los más pesados. [47]
  7. ^ El 282 Mt, aún no confirmado, puede tener una vida media más larga, de 1,1 minutos. [44]
  8. ^ El 286 Rg, no confirmado, puede tener una vida media más larga, de 10,7 minutos. [44]
  9. ^ El 290 Fl, cuya vida media no está confirmada, podría ser más larga, de 19 segundos. [44]
  10. ^ ab Si bien dichos núcleos pueden sintetizarse y puede registrarse una serie de señales de desintegración, las desintegraciones más rápidas que un microsegundo pueden acumularse con señales posteriores y, por lo tanto, ser indistinguibles, especialmente cuando pueden formarse múltiples núcleos no caracterizados y emitir una serie de partículas alfa similares. [77] La ​​principal dificultad es, por lo tanto, atribuir las desintegraciones al núcleo original correcto , ya que un átomo superpesado que se desintegra antes de llegar al detector no se registrará en absoluto. [78]
  11. ^ Este es un concepto distinto de la fusión hipotética cerca de la temperatura ambiente ( fusión fría ); en cambio, se refiere a reacciones de fusión con menor energía de excitación.
  12. ^ Oganessian afirmó que el elemento 114 tendría una vida media del orden de 10 −19  s en ausencia de efectos estabilizadores en las proximidades de la isla teorizada. [58]
  13. ^ La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) define el límite de existencia nuclear en una vida media de 10 −14 segundos; este es aproximadamente el tiempo necesario para que los nucleones se organicen en capas nucleares y formen así un nucleido. [76]
  14. ^ El físico israelí Amnon Marinov et al.  han afirmado la observación de isótopos de larga duración de roentgenio (con A  = 261, 265) y unbibio ( A = 292) en la naturaleza, [90] [91] aunque las evaluaciones de la técnica utilizada y las posteriores búsquedas infructuosas arrojan considerables dudas sobre estos resultados. [52] [92]

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