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 la tabla de nucleidos , separada de los radionucleidos primordiales estables y de larga duración conocidos . Su existencia teórica se atribuye a los efectos estabilizadores de los " números mágicos " pronosticados de protones y neutrones en la región de masas superpesadas. [1] [2]
Se han hecho varias predicciones con respecto a la ubicación exacta de la isla de estabilidad, aunque generalmente se piensa que se centra cerca de los isótopos de copernicium y flerovium en la vecindad de la capa de neutrones cerrada predicha en N = 184. [4] Estos modelos sugieren fuertemente que el el caparazón cerrado conferirá una mayor estabilidad frente a la fisión y la desintegración alfa . Si bien se espera que estos efectos sean mayores cerca del número atómico Z = 114 y N = 184, se espera que la región de mayor estabilidad abarque varios elementos vecinos, y también puede haber islas adicionales de estabilidad alrededor de núcleos más pesados que son doblemente mágicos (habiendo números mágicos de protones y neutrones). Las estimaciones de la estabilidad de los elementos en la isla suelen rondar la vida media de minutos o días; algunas estimaciones predicen vidas medias de millones de años. [5]
Aunque el modelo de capa nuclear que predice los números mágicos ha existido desde la década de 1940, no se ha demostrado definitivamente la existencia de nucleidos superpesados de larga duración. Como el resto de los elementos superpesados, los nucleidos de la isla de la estabilidad nunca se han encontrado en la naturaleza; por lo tanto, deben ser creados artificialmente en una reacción nuclear para ser estudiados. Los científicos no han encontrado la manera de llevar a cabo tal reacción, ya que es probable que se necesiten nuevos tipos de reacciones para poblar los núcleos cercanos al 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 desconocidos, apoyando la existencia de la isla de estabilidad. [4] [6]
Introducción
Estabilidad de nucleidos
La composición de un nucleido ( núcleo atómico ) se define por el número de protones Z y el número de neutrones N , que suma a número de masa A . El número de protón 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 gráfico con Z y N para sus ejes y la vida media para la desintegración radiactiva indicada para cada nucleido inestable (ver figura). [8] A partir de 2019[actualizar], Se observa que 252 nucleidos son estables (nunca se ha observado que se desintegran); [9] en general, a medida que aumenta el número de protones, los núcleos estables tienen una relación neutrón-protón más alta (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, la vida media de los isótopos de vida más larga) generalmente disminuyendo en elementos más pesados. [c] [12] 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. [13]
La estabilidad de un núcleo está determinada por su energía de enlace , la mayor energía de enlace confiere una mayor estabilidad. La energía de enlace por nucleón aumenta con el número atómico hasta una meseta amplia alrededor de A = 60, luego declina. [14] Si un núcleo se puede dividir en dos partes que tienen una energía total más baja (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 existe una barrera potencial que se opone a la división, pero esta barrera se puede cruzar mediante un túnel cuántico . Cuanto menor sea la barrera y las masas de los fragmentos , mayor será la probabilidad por unidad de tiempo de una división. [15]
Los protones en un núcleo están unidos por la fuerza fuerte , que contrarresta la repulsión de Coulomb entre protones cargados positivamente . En núcleos más pesados, se necesita una mayor cantidad de neutrones sin carga para reducir la repulsión y conferir estabilidad adicional. Aun así, a medida que los físicos comenzaron a sintetizar elementos que no se encuentran en la naturaleza, encontraron que la estabilidad disminuía a medida que los núcleos se volvían más pesados. [16] 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. [17] Tras los descubrimientos de elementos más pesados, de los cuales algunos decayeron 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 de elementos potenciales alrededor del elemento 104 , [18] y tras los primeros descubrimientos de elementos transactínidos a principios de la década de 1960, esta predicción de límite superior se extendió al elemento 108 . [dieciséis]
Números mágicos
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, planteó la hipótesis en 1931 de que los elementos transuránicos alrededor de Z = 100 o Z = 108 pueden tener una vida relativamente larga y posiblemente existir en la naturaleza. [21] En 1955, el físico estadounidense John Archibald Wheeler también propuso la existencia de estos elementos; [22] se le atribuye el primer uso del término "elemento superpesado" en un artículo de 1958 publicado con Frederick Werner. [23] Esta idea no atrajo un gran interés hasta una década más tarde, después de las mejoras en el modelo de caparazón nuclear . En este modelo, el núcleo atómico se construye en "capas", análoga a las capas de electrones en los átomos. Independientemente entre sí, los neutrones y los protones tienen niveles de energía que normalmente están muy juntos, pero una vez que se llena una capa determinada, se necesita sustancialmente más energía para comenzar a llenar la siguiente. Por 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. [24] Esta teoría de un modelo de capa nuclear 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. ideó de forma independiente la formulación correcta. [25]
Los números de nucleones para los que se llenan las capas se llaman números mágicos . Se han observado números mágicos de 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126 para los neutrones, y se predice que el siguiente número será 184. [6] [26] Los protones comparten los primeros seis de estos números mágicos, [27 ] y 126 se ha predicho como un número de protones mágico desde la década de 1940. [28] Núclidos 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 denominan "doblemente mágicos" y son más estables que los nucleidos cercanos como resultado de mayores energías de unión. [29] [30]
A finales de la década de 1960, el físico estadounidense William Myers y el físico polaco Władysław Świątecki formularon modelos de caparazón más sofisticados , e independientemente el físico alemán Heiner Meldner (1939-2019 [31] [32] ). Con estos modelos, teniendo en cuenta la repulsión de Coulomb, Meldner predijo que el próximo número mágico de protones podría ser 114 en lugar de 126. [33] 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, rápidamente adoptó el término y lo promovió. [28] [34] Myers y Świątecki también propusieron que algunos núcleos superpesados tendrían una vida más larga como consecuencia de las barreras de fisión más altas . Otras mejoras en el modelo de capa nuclear del físico soviético Vilen Strutinsky llevaron al surgimiento del método macroscópico-microscópico, un modelo de masa nuclear que toma en consideración tanto las tendencias suaves características del modelo de gota líquida como las fluctuaciones locales como los efectos de la 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. [33] Con la aparición de este modelo, Strutinsky, Nilsson y otros grupos defendieron 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. [33] Posteriormente, las estimaciones del número mágico de protones han oscilado entre 114 y 126, y todavía no hay consenso. [6] [20] [35] [36]
Descubrimientos
Elemento | Número atómico | Isótopo más estable | Vida media [d] | |
---|---|---|---|---|
Publicaciones [37] [38] | NUBASE 2016 [39] | |||
Rutherfordio | 104 | 267 Rf | 1,3 h | 2,5 h |
Dubnium | 105 | 268 Db | 1,2 días | 1,1 d |
Seaborgio | 106 | 269 Sg | 14 min [40] | 5 minutos |
Bohrium | 107 | 270 Bh [e] | 1 minuto | 3,8 min |
Hassium | 108 | 269 Hs | 9,7 s [42] | 16 s |
Meitnerio | 109 | 278 Mt [f] [g] | 4,5 s | 7 s |
Darmstadtium | 110 | 281 Ds [f] | 12,7 segundos | 14 s |
Roentgenio | 111 | 282 Rg [f] [h] | 1,7 min | 1,6 min |
Copérnico | 112 | 285 Cn [f] | 28 s | 32 s |
Nihonium | 113 | 286 Nh [f] | 9,5 segundos | 7 s |
Flerovio | 114 | 289 Fl [f] [i] | 1,9 s | 2,4 s |
Moscovium | 115 | 290 Mc [f] | 650 ms | 410 ms |
Livermorium | 116 | 293 Lv [f] | 57 ms | 80 ms |
Tennessine | 117 | 294 Ts [f] | 51 ms | 70 ms |
Oganesson | 118 | 294 Og [f] | 690 µs | 1,15 ms |
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. [44] [45] También se predijo que serían especialmente estables contra la fisión espontánea a pesar de su alta masa atómica. [33] [46] Se pensó que si tales elementos existen y tienen una vida suficientemente larga, puede haber varias aplicaciones nuevas como consecuencia de sus propiedades nucleares y químicas. Estos incluyen el uso en aceleradores de partículas como fuentes de neutrones , en armas nucleares como consecuencia de sus masas críticas bajas previstas y el alto número de neutrones emitidos por fisión, [47] y como combustible nuclear para impulsar misiones espaciales. [35] 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. [22]
Durante la década de 1970, se llevaron a cabo muchas búsquedas de núcleos superpesados de larga duración. En laboratorios de todo el mundo se llevaron a cabo experimentos destinados a sintetizar elementos con un número atómico de 110 a 127. [48] [49] Estos elementos se buscaron en reacciones de fusión-evaporación, en las que un objetivo pesado hecho de 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 al evaporar varias partículas (generalmente 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 el rendimiento de la reacción. [50] 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 se esperaran isótopos del elemento 126. [51] Ninguno de estos intentos tuvo éxito, [48] [49] lo que indica que tales experimentos pueden haber sido insuficientemente sensibles si las secciones transversales de la reacción eran bajas, lo que da como resultado rendimientos más bajos, o que cualquier núcleo accesible a través de tales reacciones de fusión-evaporación podría tener una vida demasiado corta para ser detectado. [j] Los experimentos exitosos posteriores revelan que las vidas medias y las secciones transversales de hecho disminuyen con el aumento del número atómico, lo que da como resultado la síntesis de solo unos pocos átomos de vida corta de los elementos más pesados en cada experimento. [52]
Búsquedas similares en la naturaleza tampoco tuvieron éxito, lo que sugiere que si existen elementos superpesados en la naturaleza, su abundancia es inferior a 10-14 moles de elementos superpesados por mol de mineral. [53] A pesar de estos intentos fallidos de observar núcleos superpesados de larga duración, [33] se sintetizaron nuevos elementos superpesados cada pocos años en laboratorios mediante bombardeo de iones ligeros y reacciones de fusión fría [k] ; rutherfordium, la primera transactinida , se descubrió en 1969, y copernicium, 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 ), [39] la mera existencia de elementos más pesados que el rutherfordio es indicativa de efectos estabilizadores que se cree que son causados por conchas cerradas; un modelo que no considere tales efectos prohibiría la existencia de estos elementos debido a la rápida fisión espontánea. [18]
Flerovium, con los 114 protones mágicos 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. [54] 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 [1] u observadas para elementos superpesados, [54] este evento fue visto como un "ejemplo de libro de texto "de una cadena de descomposición característica de la isla de estabilidad, lo que proporciona una fuerte evidencia de la existencia de la isla de estabilidad en esta región. [56] A pesar de que la cadena original de 1998 no se volvió a observar, y su asignación sigue siendo incierta, [41] otros experimentos exitosos en las próximas dos décadas llevaron al descubrimiento de todos los elementos hasta oganesson , cuyas vidas medias superaron valores inicialmente previstos; estas propiedades de descomposición respaldan aún más la presencia de la isla de estabilidad. [6] [43] [57] Sin embargo, un estudio de 2021 sobre las cadenas de desintegración de los isótopos de flerovium sugiere que no hay un efecto estabilizador fuerte de Z = 114 en la región de núcleos conocidos ( N = 174), [58] y que la estabilidad adicional sería predominantemente una consecuencia del cierre de la capa de neutrones. [36] Aunque los núcleos conocidos todavía caen varios neutrones por debajo 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, [5] [6] se ha demostrado la tendencia de estabilidad creciente más cercana a 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 desconocidos más pesados. [59]
Núcleos deformados
Aunque se predice que los núcleos dentro de la isla de estabilidad alrededor de N = 184 serán esféricos , los estudios de principios de la década de 1990, comenzando con los físicos polacos Zygmunt Patyk y Adam Sobiczewski en 1991 [60], sugieren que algunos elementos superpesados no tienen núcleos perfectamente esféricos. [61] [62] Un cambio en la forma del núcleo cambia la posición de los neutrones y protones en la capa. Las investigaciones indican que los núcleos grandes más alejados de los números mágicos esféricos se deforman , [62] provocando que los números mágicos cambien o 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 caparazón de los núcleos deformados; por lo tanto, tales núcleos superpesados solo sufrirían desintegración alfa. [63] [64] [65] Ahora se cree que el Hassium-270 es un núcleo deformado doblemente mágico, con números mágicos deformados Z = 108 y N = 162. [66] Tiene una vida media de 9 segundos. [39] Esto es consistente con los modelos que toman en cuenta la naturaleza deformada de los núcleos intermedios entre los actínidos y la isla de estabilidad cerca de N = 184, en los que emerge una "península" de estabilidad en los números mágicos deformados Z = 108 y N = 162. [67] [68] La determinación de las propiedades de desintegración de los isótopos vecinos de hassio y seaborgio cerca de N = 162 proporciona una fuerte evidencia adicional de esta región de estabilidad relativa en núcleos deformados. [46] 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. [67] [69]
Propiedades de descomposición previstas
Se desconocen las vidas medias de los núcleos en la propia isla de estabilidad, ya que no se ha observado ninguno de los nucleidos que estarían "en la isla". Muchos físicos creen que la vida media de estos núcleos es relativamente corta, del orden de minutos o días. [5] Algunos cálculos teóricos indican que sus vidas medias pueden ser largas, del orden de 100 años, [4] [52] o posiblemente hasta 10 9 años. [45]
Se predice que el cierre de la capa en N = 184 resultará en vidas medias parciales más largas para la desintegración alfa y la fisión espontánea. [4] Se cree que el cierre de la capa dará como resultado barreras de fisión más altas para los núcleos alrededor de 298 Fl, lo que obstaculizará fuertemente la fisión y tal vez resulte en vidas medias de fisión 30 órdenes de magnitud mayores que las de los núcleos no afectados por el cierre de la capa. [33] [70] Por ejemplo, el isótopo 284 Fl con deficiencia de neutrones (con N = 170) sufre fisión con una vida media de 2,5 milisegundos, y se cree que es uno de los nucleidos más deficientes en neutrones con mayor estabilidad en la vecindad del cierre del caparazón N = 184. [40] 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 (es decir, para N <170 como así como para Z > 120 y N > 184). [13] [18] 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 a 20 segundos en ausencia de barreras de fisión. [63] [64] [65] [70] En contraste, 298 Fl (que se predice dentro de la región de efectos máximos de caparazón) puede tener una vida media de fisión espontánea mucho más prolongada, posiblemente del orden de 10 19 años. [33]
En el centro de la isla, puede haber competencia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea, aunque la proporción exacta depende del modelo. [4] Las semividas 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 experimentales y teóricos , y están de acuerdo con las semividas observadas para algunas de las isótopos más pesados. [63] [64] [65] [74] [75] [76]
Los nucleidos más longevos también se prevé que se encuentran en la línea de beta-estabilidad , por la desintegración beta se prevé que competir con los otros modos de desintegración cerca del centro previsto 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 de masa. 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 ramificaciones 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. [3] [4] El posible papel de la desintegración beta es muy incierto, ya que se prevé que algunos isótopos de estos elementos (como 290 Fl y 293 Mc) tengan 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 estabilidad adicional hacia la desintegración alfa en los isómeros superdeformados de estos nucleidos. [77]
Teniendo en cuenta todos los modos de desintegración, varios modelos indican un desplazamiento del centro de la isla (es decir, el nucleido de vida más larga) de 298 Fl a un número atómico más bajo, y la competencia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea en estos nucleidos; [78] Estos incluyen vidas medias de 100 años para 291 Cn y 293 Cn, [52] [73] una vida media de 1000 años para 296 Cn, [52] una vida media de 300 años para 294 Ds, [ 70] y una vida media de 3500 años para 293 Ds, [79] [80] 296 Cn y 294 exactamente en el cierre de la cáscara 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). [19] 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; [19] Todavía se predice que el nucleido 306 Ubb tiene una vida media corta con respecto a la desintegración alfa. [4] [65]
Otro modo de desintegración potencialmente significativo para los elementos superpesados más pesados fue propuesto por los físicos rumanos Dorin N. Poenaru y Radu A. Gherghescu y el físico alemán Walter Greiner como la desintegración de racimos . Se espera que su relación de ramificación en relación con la desintegración alfa aumente con el número atómico de manera que pueda competir con la desintegración alfa alrededor de Z = 120, y quizás se convierta en el modo de desintegración dominante para nucleidos más pesados alrededor de Z = 124. Como tal, se espera que juegue un papel más importante más allá del centro de la isla de estabilidad (aunque todavía influenciado por los efectos de la capa), a menos que el centro de la isla se encuentre en un número atómico superior al previsto. [81]
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 pueden 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 inducida por neutrones o beta-retardada fisión captura de neutrones -respectivamente y desintegración beta seguidos inmediatamente por fisión-se convertirán en los canales de reacción primaria. Como resultado, la desintegración beta hacia la isla de estabilidad solo puede ocurrir dentro de un camino muy estrecho o puede estar completamente bloqueada por la fisión, lo que impide la síntesis de nucleidos dentro de la isla. [82] 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 mediciones cantidades para persistir en la naturaleza. [83] [n]
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 ocurrir en una abundancia de 10-12 en relación con el plomo, por lo que pueden ser detectables en los rayos cósmicos. . [59] 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 limitado entre 113 y 129, y se estimó que su vida útil era de al menos 3.000 años. Aunque esta observación aún no ha sido confirmada en estudios independientes, sugiere fuertemente la existencia de la isla de estabilidad y es consistente con los cálculos teóricos de la vida media de estos nucleidos. [86] [87] [88]
Posibles síntesis y dificultades
La fabricación de núcleos en la isla de la estabilidad resulta muy difícil porque los núcleos disponibles como materiales de partida no entregan la suma necesaria de neutrones. Los haces de iones radiactivos (como 44 S) en combinación con blancos de actínidos (como 248 Cm ) pueden permitir la producción de núcleos más ricos en neutrones más cerca del centro de la isla de estabilidad, aunque estos haces no están disponibles actualmente en las intensidades requeridas. para realizar tales experimentos. [59] [89] [90] Varios isótopos más pesados, como 250 Cm y 254 Es , aún pueden usarse como objetivos, lo que permite la producción de isótopos con uno o dos neutrones más que los isótopos conocidos, [59] aunque la producción de varios miligramos de estos isótopos raros para crear un objetivo es difícil. [91] También puede ser posible sondear canales de reacción alternativos en las mismas 48 reacciones de fusión-evaporación inducidas por Ca que pueblan los isótopos conocidos más ricos en neutrones, a saber, pxn y αxn (emisión de un protón o partícula alfa , respectivamente, seguido de varios canales de neutrones). Esto puede permitir la síntesis de isótopos enriquecidos en neutrones de los elementos 111-117. [92] Aunque las secciones transversales pronosticadas son del orden de 1 a 900 fb , más pequeñas que las de los canales xn (emisión de neutrones solamente), aún puede ser posible generar isótopos inalcanzables de elementos superpesados en estas reacciones. [92] [93] 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 la desintegración alfa con vidas medias relativamente largas, decayendo a núcleos como 291 Cn que se predice que se encuentran cerca del centro de la isla de estabilidad. Sin embargo, esto sigue siendo en gran parte hipotético, ya que todavía 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. [3] [59]
El proceso de captura lenta de neutrones utilizado para producir nucleidos tan pesados como 257 Fm está bloqueado por isótopos de fermio de vida corta que sufren fisión espontánea (por ejemplo, 258 Fm tiene una vida media de 370 µs); esto se conoce como "brecha de fermio" e impide la síntesis de elementos más pesados en tal reacción. Podría ser posible evitar esta brecha, así como otra región predicha de inestabilidad 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 reactores) que imita el proceso r astrofísico . [59] Propuesto por primera vez en 1972 por Meldner, tal reacción podría permitir la producción de cantidades macroscópicas de elementos superpesados dentro de la isla de estabilidad; [3] El papel de la fisión en los nucleidos superpesados intermedios es muy incierto y puede influir fuertemente en el rendimiento de dicha reacción. [82]
También puede ser 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). [89] Este mecanismo de cuasifisión inversa (fusión parcial seguida de fisión, con un alejamiento del equilibrio de masas que da como resultado productos más asimétricos) [94] puede proporcionar un camino hacia la isla de estabilidad si los efectos de capa alrededor de Z = 114 son lo suficientemente fuertes , aunque se predice que los elementos más ligeros como el nobelio y el seaborgio ( Z = 102-106) tendrán rendimientos más altos. [59] [95] 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 aumento de rendimiento en la última reacción sugiere que el uso de incluso objetivos más pesados como 254 Es (si está disponible) pueden permitir la producción de elementos superpesados. [96] Este resultado está respaldado por un cálculo posterior que sugiere que el rendimiento de núclidos superpesados (con Z ≤ 109) probablemente será mayor en las reacciones de transferencia que utilizan objetivos más pesados. [90] Un estudio de 2018 de la reacción de 238 U + 232 Th en el Texas A&M Cyclotron Institute por Sara Wuenschel et al. 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 requieren más investigaciones para determinar de manera inequívoca el número atómico de los productos. [90] [97] Este resultado sugiere fuertemente que los efectos de caparazón tienen una influencia significativa en las secciones transversales, y que la isla de estabilidad posiblemente podría alcanzarse en experimentos futuros con reacciones de transferencia. [97]
Otras islas de estabilidad
Más cierres de proyectiles 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; el primero cerca de 354 126 (con 228 neutrones) y el segundo cerca de 472 164 o 482 164 (con 308 o 318 neutrones). [33] [70] [98] Los nucleidos dentro de estas dos islas de estabilidad pueden ser especialmente resistentes a la fisión espontánea y tener semividas de desintegración alfa medibles en años, por lo que tienen una estabilidad comparable a los elementos cercanos al flerovium . [33] Otras regiones de estabilidad relativa también pueden aparecer con cierres de capa de protones más débiles en nucleidos beta-estables; tales posibilidades incluyen regiones cercanas a 342 126 [99] y 462 154. [100] Una repulsión electromagnética sustancialmente mayor entre protones en núcleos tan pesados puede reducir en gran medida su estabilidad y posiblemente restringir su existencia a islas localizadas en la vecindad de efectos de caparazón. [101] Esto puede tener la consecuencia de aislar estas islas del mapa principal de nucleidos , ya que los nucleidos intermedios y quizás los elementos en un "mar de inestabilidad" sufrirían fisión rápidamente y esencialmente no existirían. [98] También es posible que más allá de una región de estabilidad relativa alrededor del elemento 126, los núcleos más pesados se encuentren más allá de un umbral de fisión dado por el modelo de gota de líquido y, por lo tanto, se sometan a fisión con vidas muy cortas, haciéndolos esencialmente inexistentes incluso en las proximidades de mayores números mágicos. [99]
También se ha postulado que en la región más allá de A > 300 , puede existir un " continente de estabilidad " completo que consiste en una fase hipotética de materia de quarks estable , que comprende quarks que fluyen libremente hacia arriba y hacia abajo en lugar de quarks unidos a protones y neutrones. Se teoriza que tal forma de materia es un estado fundamental de la 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 existe este estado de la materia, 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 unión más fuerte que es suficiente para vencer la repulsión de Coulomb. [102]
Ver también
- Isla de inversión
- Tabla de nucleidos
Notas
- ↑ Se creía que el elemento estable más pesado era el bismuto (número atómico 83) hasta 2003, cuandose observó quesu único isótopo estable, 209 Bi , sufría desintegración alfa. [10]
- ↑ Es teóricamente posible que otrosnucleidos observacionalmente estables se descompongan, aunque sus vidas medias previstas son tan largas que este proceso nunca se ha observado. [11]
- ^ Una región de mayor estabilidad comprende 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 con el aumento del número atómico. [12]
- ^ Las diferentes fuentes dan diferentes valores para las vidas medias; los valores publicados más recientemente en la literatura y NUBASE se enumeran como referencia.
- ^ Los 278 Bhno confirmadospueden tener una vida media más larga de 11,5 minutos. [41]
- ^ a b c d e f g h i j Para los elementos 109-118, el isótopo conocido de vida más larga es siempre el más pesado descubierto hasta ahora. Esto hace que parezca probable que haya isótopos no descubiertos de vida más larga entre los aún más pesados. [43]
- ^ Los 282 Mtno confirmadospueden tener una vida media más larga de 1,1 minutos. [41]
- ^ Los 286 Rgno confirmadospueden tener una vida media más larga de 10,7 minutos. [41]
- ^ Los 290 Flno confirmadospueden tener una vida media más larga de 19 segundos. [41]
- ^ a b Si bien dichos núcleos pueden sintetizarse y pueden registrarse una serie de señales de desintegración, las desintegraciones más rápidas de un microsegundo pueden acumularse con señales posteriores y, por lo tanto, ser indistinguibles, especialmente cuando se pueden formar múltiples núcleos no caracterizados y emitir una serie de alfa similares partículas. [72] La principal dificultad es, por tanto, atribuir las desintegraciones al núcleo principal correcto , ya que un átomo superpesado que se desintegra antes de llegar al detector no se registrará en absoluto. [73]
- ^ 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.
- ↑ Oganessian declaró que el elemento 114 tendría una vida media del orden de 10-19 s en ausencia de efectos estabilizadores en las cercanías de la isla teorizada. [55]
- ^ La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) define el límite de la 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 núclido. [71]
- ↑ Elfísico israelí Amnon Marinov et al., [84] [85] ha afirmado laobservación de isótopos de larga vida de roentgenium y unbibium en la naturaleza, [84] [85] aunque las evaluaciones de la técnica utilizada y las subsiguientes búsquedas infructuosas arrojan considerables dudas sobre estos resultados. [49]
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enlaces externos
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- Segunda postal de la isla de la estabilidad ( CERN , 2001; nucleidos con 116 protones y masa 292)
- Primera postal de la isla de la estabilidad nuclear ( CERN , 1999; primeros Z = 114 átomos)