Elemento superpesado - Superheavy element

Elementos transactínidos
en la tabla periódica
Hidrógeno Helio
Litio Berilio Boro Carbón Nitrógeno Oxígeno Flúor Neón
Sodio Magnesio Aluminio Silicio Fósforo Azufre Cloro Argón
Potasio Calcio Escandio Titanio Vanadio Cromo Manganeso Planchar Cobalto Níquel Cobre Zinc Galio Germanio Arsénico Selenio Bromo Criptón
Rubidio Estroncio Itrio Circonio Niobio Molibdeno Tecnecio Rutenio Rodio Paladio Plata Cadmio Indio Estaño Antimonio Telurio Yodo Xenón
Cesio Bario Lantano Cerio Praseodimio Neodimio Prometeo Samario Europio Gadolinio Terbio Disprosio Holmio Erbio Tulio Iterbio Lutecio Hafnio Tantalio Tungsteno Renio Osmio Iridio Platino Oro Mercurio (elemento) Talio Dirigir Bismuto Polonio Astatine Radón
Francio Radio Actinio Torio Protactinio Uranio Neptunio Plutonio Americio Curio Berkelio Californio Einstenio Fermio Mendelevio Nobelio Lawrencium Rutherfordio Dubnium Seaborgio Bohrium Hassium Meitnerio Darmstadtium Roentgenio Copérnico Nihonium Flerovio Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Z  ≥ 104 (Rf)

Los elementos superpesados , también conocidos como elementos transactínidos , transactínidos o elementos superpesados , son los elementos químicos con números atómicos superiores a 103. Los elementos superpesados ​​están inmediatamente más allá de los actínidos en la tabla periódica; el actínido más pesado es el lawrencio (número atómico 103). Por definición, los elementos superpesados ​​también son elementos transuránicos , es decir, que tienen un número atómico mayor que el del uranio (92).

Glenn T. Seaborg propuso por primera vez el concepto de actínidos , lo que llevó a la aceptación de la serie de actínidos . También propuso una serie de transactínidos que van desde el elemento 104 al 121 y una serie de superactínidos que abarca aproximadamente los elementos 122 a 153 (aunque un trabajo más reciente sugiere que el final de la serie de superactínidos ocurra en el elemento 157). El transactinide seaborgio fue nombrado en su honor.

Los elementos superpesados ​​son radiactivos y solo se han obtenido sintéticamente en laboratorios. Ninguno de estos elementos se ha recogido nunca en una muestra macroscópica. Todos los elementos superpesados ​​llevan el nombre de físicos y químicos o lugares importantes involucrados en la síntesis de los elementos.

La IUPAC define que un elemento existe si su vida útil es superior a 10-14 segundos, que es el tiempo que tarda el núcleo en formar una nube de electrones.

Los elementos superpesados ​​conocidos forman parte de las series 6d y 7p de la tabla periódica. Excepto por el rutherfordio y el dubnio , incluso los isótopos de mayor duración de los elementos superpesados ​​tienen vidas medias cortas de minutos o menos. La controversia sobre el nombre del elemento involucró a los elementos 102-109. Por tanto, algunos de estos elementos utilizaron nombres sistemáticos durante muchos años después de que se confirmara su descubrimiento. (Por lo general, los nombres sistemáticos se reemplazan por nombres permanentes propuestos por los descubridores relativamente poco después de que se haya confirmado un descubrimiento).

Introducción

Síntesis de núcleos superpesados

Una representación gráfica de una reacción de fusión nuclear.
Representación gráfica de una reacción de fusión nuclear . Dos núcleos se fusionan en uno, emitiendo un neutrón . Las reacciones que crearon nuevos elementos en este momento fueron similares, con la única diferencia posible de que a veces se liberaban varios neutrones singulares, o ninguno en absoluto.

Un núcleo atómico superpesado se crea en una reacción nuclear que combina otros dos núcleos de tamaño desigual en uno; aproximadamente, cuanto más desiguales son los dos núcleos en términos de masa, mayor es la posibilidad de que reaccionen. 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 acercan 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; Por tanto, los núcleos de los haces se aceleran enormemente para hacer que dicha repulsión sea insignificante en comparación con la velocidad del núcleo del haz. La energía aplicada a los núcleos del haz para acelerarlos puede hacer que alcancen velocidades de hasta una décima parte de la velocidad de la luz . Sin embargo, si se aplica demasiada energía, el núcleo del haz puede desmoronarse.

Acercarse lo suficiente por sí solo no es suficiente para que dos núcleos se fusionen: cuando dos núcleos se acercan entre sí, generalmente permanecen juntos durante aproximadamente 10-20  segundos y luego se separan (no necesariamente en la misma composición que antes de la reacción) en lugar de formar un núcleo único. Esto sucede porque durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. Cada par de un objetivo y un haz se caracteriza por su sección transversal: la probabilidad de que se produzca la fusión si dos núcleos se acercan entre sí expresada en términos del área transversal que la partícula incidente debe golpear para que se produzca la fusión. 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 más allá de esa fase, múltiples interacciones nucleares dan como resultado una redistribución de energía y un equilibrio de energía.

Video externo
icono de video Visualización de fusión nuclear fallida, basada en cálculos de la Universidad Nacional de Australia

La fusión resultante es un estado excitado —denominado núcleo compuesto— y por tanto es muy inestable. Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin que se forme un núcleo más estable. Alternativamente, el núcleo compuesto puede expulsar algunos neutrones , que llevarían la energía de excitación; si esto último no es suficiente para una expulsión de neutrones, la fusión produciría un rayo gamma . Esto sucede aproximadamente entre 10 y 16  segundos después de la colisión nuclear inicial y da como resultado la creación de un núcleo más estable. 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 descompuesto en 10-14 segundos. Este valor se eligió como una estimación del tiempo que tarda un núcleo en adquirir sus electrones externos y mostrar así sus propiedades químicas.

Decaimiento y detección

El rayo atraviesa el objetivo y llega a la siguiente cámara, el separador; si se produce un nuevo núcleo, se transporta con este rayo. En el separador, el núcleo recién producido se separa de otros nucleidos (el del haz original y cualquier otro producto de reacción) y se transfiere a un detector de barrera de superficie , que detiene el núcleo. Se marca la ubicación exacta del próximo impacto en el detector; también están marcadas su energía y la hora de la llegada. La transferencia tarda entre 10 y 6  segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir tanto tiempo. El núcleo se registra nuevamente una vez que se registra su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de desintegración.

La estabilidad del núcleo es proporcionada por 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 rompe por la repulsión electrostática entre protones y su rango no está limitado. 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. Por lo tanto, los núcleos superpesados ​​se predicen teóricamente y hasta ahora se ha observado que se desintegran predominantemente a través de modos de desintegración que son causados ​​por tal repulsión: desintegración alfa y fisión espontánea . Casi todos los emisores alfa tienen más de 210 nucleones, y el nucleido más ligero que sufre principalmente fisión espontánea tiene 238. En ambos modos de desintegración, las barreras de energía correspondientes para cada modo inhiben la desintegración de los núcleos , pero se pueden tunelizar.

Aparato para la creación de elementos superpesados
Esquema de un aparato para la creación de elementos superpesados, basado en el Separador de Retroceso Lleno de Gas Dubna instalado en el Laboratorio de Reacciones Nucleares Flerov en JINR. La trayectoria dentro del detector y el aparato de enfoque de haz cambia debido a un imán dipolo en el primero y a imanes cuadripolares en el segundo.

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. La fisión espontánea es causada por la repulsión electrostática que desgarra el núcleo y produce varios núcleos en diferentes casos de fisión de núcleos idénticos. A medida que aumenta el número atómico, la fisión espontánea se vuelve más importante rápidamente: las vidas medias parciales de la fisión espontánea disminuyen en 23 órdenes de magnitud desde el uranio (elemento 92) hasta el nobelio (elemento 102) y en 30 órdenes de magnitud desde el torio (elemento 90). al fermio (elemento 100). El modelo anterior de gota de líquido sugirió que la fisión espontánea ocurriría casi instantáneamente debido a la desaparición de la barrera de fisión para núcleos con aproximadamente 280 nucleones. El último modelo de capa nuclear sugirió que los núcleos con aproximadamente 300 nucleones formarían una isla de estabilidad en la que los núcleos serían más resistentes a la fisión espontánea y principalmente sufrirían desintegración alfa con vidas medias más largas. Los descubrimientos posteriores sugirieron que la isla predicha podría estar más lejos de lo previsto originalmente; También demostraron que los núcleos intermedios entre los actínidos de vida larga y la isla predicha se deforman y obtienen estabilidad adicional a partir de los efectos de la capa. Los experimentos en núcleos superpesados ​​más ligeros, así como en aquellos más cercanos a la isla esperada, han demostrado una estabilidad mayor de la anticipada contra la fisión espontánea, lo que demuestra la importancia de los efectos de la capa sobre los núcleos.

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 se puede determinar fácilmente. (Que todas las desintegraciones dentro de una cadena de desintegración estaban relacionadas entre sí se establece por la ubicación de estas desintegraciones, que deben estar en el mismo lugar). 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). Sin embargo, la fisión espontánea produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no se puede determinar a partir de sus hijas.

La información disponible para los físicos que pretenden sintetizar un elemento superpesado es, por lo tanto, la información recopilada en los detectores: ubicación, energía y tiempo de llegada de una partícula al detector, y los de su desintegración. Los físicos analizan estos datos y buscan concluir que efectivamente fue causado por un nuevo elemento y no pudo haber sido causado por un nucleido diferente al que se afirma. A menudo, los datos proporcionados son insuficientes para llegar a la conclusión de que definitivamente se creó un nuevo elemento y no hay otra explicación para los efectos observados; Se han cometido errores en la interpretación de los datos.

Historia

Predicciones tempranas

El elemento más pesado conocido a fines del siglo XIX fue el uranio, con una masa atómica de aproximadamente 240 (ahora se sabe que 238)  amu . En consecuencia, se colocó en la última fila de la tabla periódica; esto alimentó la especulación sobre la posible existencia de elementos más pesados ​​que el uranio y por qué A  = 240 parecía ser el límite. Tras el descubrimiento de los gases nobles , comenzando por el del argón en 1895, se consideró la posibilidad de miembros más pesados ​​del grupo. El químico danés Julius Thomsen propuso en 1895 la existencia de un sexto gas noble con Z  = 86, A  = 212 y un séptimo con Z  = 118, A  = 292, cerrando el último un período de 32 elementos que contiene torio y uranio. En 1913, el físico sueco Johannes Rydberg amplió la extrapolación de la tabla periódica de Thomsen para incluir elementos aún más pesados ​​con números atómicos de hasta 460, pero no creía que estos elementos superpesados ​​existieran u ocurrieran en la naturaleza.

En 1914, el físico alemán Richard Swinne propuso que los elementos más pesados ​​que el uranio, como los que se encuentran alrededor de Z  = 108, podrían encontrarse en los rayos cósmicos . Sugirió que estos elementos pueden no necesariamente tener vidas medias decrecientes con un número atómico creciente, lo que lleva a especulaciones sobre la posibilidad de algunos elementos de vida más larga en Z = 98-102 y Z = 108-110 (aunque separados por elementos de vida corta ). Swinne publicó estas predicciones en 1926, creyendo que tales elementos podrían existir en el núcleo de la Tierra , en meteoritos de hierro o en los casquetes polares de Groenlandia, donde habían estado encerrados por su supuesto origen cósmico.

Descubrimientos

El trabajo realizado entre 1964 y 2013 en cuatro laboratorios: el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en los EE. UU., El Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en la URSS (más tarde Rusia), el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Alemania y RIKEN en Japón. y confirmó los elementos del rutherfordio al oganesson de acuerdo con los criterios de los Grupos de Trabajo IUPAC - IUPAP Transfermium y los subsecuentes Grupos de Trabajo Conjuntos. Estos descubrimientos completan la séptima fila de la tabla periódica. Los dos transactínidos restantes, ununennio (elemento 119) y unbinilio (elemento 120), aún no se han sintetizado. Comenzarían un octavo período.

Lista de elementos

Caracteristicas

Debido a sus vidas medias cortas (por ejemplo, el isótopo más estable conocido del seaborgio tiene una vida media de 14 minutos, y las vidas medias disminuyen gradualmente yendo hacia la derecha del grupo) y al bajo rendimiento de las reacciones nucleares que Para producirlos, se han tenido que crear nuevos métodos para determinar su fase gaseosa y la química de la solución basándose en muestras muy pequeñas de unos pocos átomos cada una. Los efectos relativistas se vuelven muy importantes en esta región de la tabla periódica, causando que los orbitales 7s llenos, los orbitales 7p vacíos y los orbitales 6d de llenado se contraigan hacia adentro, hacia el núcleo atómico. Esto provoca una estabilización relativista de los electrones 7s y hace que los orbitales 7p sean accesibles en estados de baja excitación.

Los elementos 103 a 112, de lawrencio a copernicio, pueden tomarse para formar la serie 6d de elementos de transición. La evidencia experimental muestra que los elementos 103-108 se comportan como se esperaba para su posición en la tabla periódica, como homólogos más pesados ​​del lutecio al osmio. Se espera que tengan radios iónicos entre los de sus homólogos de metales de transición 5d y sus pseudohomólogos de actínidos : por ejemplo, se calcula que Rf 4+ tiene un radio iónico de 76  pm , entre los valores de Hf 4+ (71 pm) y Th 4+ (94 horas). Sus iones también deberían ser menos polarizables que los de sus homólogos 5d. Se espera que los efectos relativistas alcancen un máximo al final de esta serie, en roentgenium (elemento 111) y copernicium (elemento 112). Sin embargo, todavía no se conocen experimentalmente muchas propiedades importantes de las transactínidas, aunque se han realizado cálculos teóricos.

Los elementos 113 a 118, nihonium a oganesson, deben formar una serie 7p, completando el séptimo período de la tabla periódica. Su química estará muy influenciada por la muy fuerte estabilización relativista de los electrones 7s y un fuerte efecto de acoplamiento espín-órbita que "desgarra" la subcapa 7p en dos secciones, una más estabilizada (7p 1/2 , que contiene dos electrones) y una más desestabilizado (7p 3/2 , con cuatro electrones). Además, los electrones 6d todavía están desestabilizados en esta región y, por lo tanto, pueden contribuir con algún carácter de metal de transición a los primeros elementos 7p. Los estados de oxidación más bajos deben estabilizarse aquí, continuando las tendencias de grupo, ya que los electrones 7s y 7p 1/2 exhiben el efecto de par inerte . Se espera que estos elementos sigan en gran medida las tendencias del grupo, aunque los efectos relativistas juegan un papel cada vez más importante. En particular, la gran división de 7p da como resultado un cierre de capa eficaz en flerovium (elemento 114) y, por lo tanto, una actividad química mucho más alta de lo esperado para el oganesson (elemento 118).

El elemento 118 es el último elemento que se ha sintetizado. Los dos elementos siguientes, los elementos 119 y 120 , deben formar una serie de 8s y ser un metal alcalino y alcalinotérreo, respectivamente. Se espera que los electrones 8s se estabilicen relativistamente, de modo que la tendencia hacia una mayor reactividad hacia abajo de estos grupos invertirá la dirección y los elementos se comportarán más como sus homólogos del período 5, rubidio y estroncio . Sin embargo, el orbital 7p 3/2 todavía está desestabilizado de manera relativista, lo que potencialmente da a estos elementos radios iónicos más grandes y tal vez incluso pueda participar químicamente. En esta región, los electrones 8p también se estabilizan relativistamente, lo que da como resultado una configuración de electrones de valencia 8s 2 8p 1 en el estado fundamental para el elemento 121 . Se espera que ocurran grandes cambios en la estructura de la subcapa al pasar del elemento 120 al elemento 121: por ejemplo, el radio de los orbitales de 5g debería caer drásticamente, de 25  unidades de Bohr en el elemento 120 en la configuración excitada [Og] 5g 1 8s 1 a 0,8 unidades de Bohr en el elemento 121 en la configuración [Og] 5g 1 7d 1 8s 1 excitada , en un fenómeno llamado "colapso radial". El elemento 122 debe agregar un electrón 7d adicional o un electrón 8p adicional a la configuración electrónica del elemento 121. Los elementos 121 y 122 deben ser similares al actinio y al torio , respectivamente.

En el elemento 121, se espera que comience la serie de superactínidos , cuando los electrones 8s y las subcapas 8p 1/2 , 7d 3/2 , 6f 5/2 y 5g 7/2 de relleno determinen la química de estos elementos. No se dispone de cálculos completos y precisos para elementos más allá de 123 debido a la extrema complejidad de la situación: los orbitales 5g, 6f y 7d deben tener aproximadamente el mismo nivel de energía, y en la región del elemento 160 los 9s, 8p 3/2 , y los orbitales 9p 1/2 también deberían tener aproximadamente la misma energía. Esto hará que las capas de electrones se mezclen de modo que el concepto de bloque ya no se aplique muy bien, y también dará como resultado propiedades químicas novedosas que dificultarán mucho el posicionamiento de estos elementos en una tabla periódica; Se espera que el elemento 164 combine características de los elementos del grupo 10 , 12 y 18 .

Más allá de los elementos superpesados

Se ha sugerido que los elementos más allá de Z = 126 se llamen más allá de los elementos superpesados .

Ver también

Notas

Referencias

Bibliografía