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Dubnio

El dubnio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Db y su número atómico es 105. Es altamente radiactivo: el isótopo más estable conocido , el dubnio-268, tiene una vid...

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El dubnio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Db y su número atómico es 105. Es altamente radiactivo: el isótopo más estable conocido , el dubnio-268, tiene una vida media de aproximadamente 16 horas. Esto limita considerablemente la investigación a largo plazo sobre este elemento.

El dubnio no se encuentra de forma natural en la Tierra y se produce artificialmente. El Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) soviético reclamó el primer descubrimiento del elemento en 1968, seguido por el Laboratorio Lawrence Berkeley estadounidense en 1970. Ambos equipos propusieron nombres para el nuevo elemento y los utilizaron sin aprobación formal. La larga disputa se resolvió en 1993 mediante una investigación oficial de las reclamaciones del descubrimiento realizada por el Grupo de Trabajo sobre Transfermio, formado por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada , lo que resultó en que el mérito del descubrimiento se compartiera oficialmente entre ambos equipos. El elemento fue nombrado formalmente dubnio en 1997 en honor a la ciudad de Dubna , sede del JINR.

La investigación teórica sitúa al dubnio en el grupo 5 de la serie 6d de metales de transición , debajo del vanadio , el niobio y el tantalio . El dubnio debería compartir la mayoría de sus propiedades con los demás elementos del grupo 5, como su configuración electrónica de valencia y su estado de oxidación predominantemente +5, con algunas anomalías debidas a efectos relativistas . Un estudio limitado de la química del dubnio ha confirmado esta hipótesis.

Introducción

Síntesis de núcleos superpesados

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 han creado nuevos elementos hasta el momento han sido similares, aunque en su lugar se pueden emitir cantidades variables de neutrones —o partículas con carga alternativa—. [ 15 ]

Un núcleo atómico superpesado [ a ] se crea en una reacción nuclear que combina otros dos núcleos de tamaño desigual [ b ] en uno solo; aproximadamente, cuanto más desiguales sean los dos núcleos en términos de masa , mayor será la posibilidad de que reaccionen. [ 21 ] El material hecho de los núcleos más pesados ​​se convierte en un blanco, que luego es bombardeado por el haz de núcleos más ligeros. Dos núcleos solo pueden fusionarse en uno si están lo suficientemente cerca el uno del otro; normalmente, los núcleos (todos con carga positiva) se repelen entre sí debido a la repulsión electrostática . La interacción fuerte puede superar esta repulsión, pero solo dentro de una distancia muy corta de un núcleo; por lo tanto, los núcleos del haz se aceleran enormemente para que dicha repulsión sea insignificante en comparación con la velocidad del núcleo del haz. [ 22 ] La energía aplicada a los núcleos del haz para acelerarlos puede hacer que alcancen velocidades tan altas como una décima parte de la velocidad de la luz . Sin embargo, si se aplica demasiada energía, el núcleo del haz puede desintegrarse. [ 22 ]

El simple hecho de acercarse lo suficiente no basta para que dos núcleos se fusionen: cuando dos núcleos se aproximan, suelen permanecer juntos durante unos 10-20 segundos  y luego se separan (no necesariamente con la misma composición que antes de la reacción) en lugar de formar un solo núcleo. [ 22 ] [ 23 ] Esto sucede porque, durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. [ 22 ] Cada par de un blanco y un haz se caracteriza por su sección transversal : la probabilidad de que se produzca la fusión si dos núcleos se aproximan, expresada en términos del área transversal que la partícula incidente debe alcanzar para que se produzca la fusión. [ c ] Esta fusión puede ocurrir como resultado del efecto cuántico en el que los núcleos pueden atravesar la repulsión electrostática mediante el efecto túnel. Si los dos núcleos pueden permanecer cerca más allá de esa fase, las interacciones nucleares múltiples dan lugar a una redistribución de la energía y a un equilibrio energético. [ 22 ]

La fusión resultante es un estado excitado [ 26 ] —denominado núcleo compuesto— y, por lo tanto, es muy inestable. [ 22 ] Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin la formación de un núcleo más estable. [ 27 ] Alternativamente, el núcleo compuesto puede expulsar algunos neutrones , que se llevarían la energía de excitación; si esta última no es suficiente para la expulsión de neutrones, la fusión produciría un rayo gamma . Esto ocurre en aproximadamente 10⁻¹⁶ segundos  después de la colisión nuclear inicial y da como resultado la creación de un núcleo más estable. [ 27 ] La ​​definición del Grupo de Trabajo Conjunto (JWP) de la IUPAC/IUPAP establece que un elemento químico solo puede ser reconocido como descubierto si un núcleo del mismo no se ha desintegrado en 10⁻¹⁴ segundos . Este valor se eligió como una estimación del tiempo que tarda un núcleo en adquirir electrones y, por lo tanto, mostrar sus propiedades químicas. [ 28 ] [ d ]

Desintegración y detección

El haz pasa a través del blanco y llega a la siguiente cámara, el separador; si se produce un nuevo núcleo, este es transportado con el haz. [ 30 ] En el separador, el núcleo recién producido se separa de otros nucleidos (el del haz original y cualquier otro producto de reacción) [ e ] y se transfiere a un detector de barrera superficial , que detiene el núcleo. Se marca la ubicación exacta del próximo impacto en el detector; también se marcan su energía y el tiempo de llegada. [ 30 ] La transferencia tarda aproximadamente 10 −6  segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir este tiempo. [ 33 ] El núcleo se registra nuevamente una vez que se registra su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de la desintegración. [ 30 ]

La estabilidad de un núcleo está 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 desgarra por la repulsión electrostática entre protones, y su alcance no está limitado. [ 34 ] 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, esta última crece más rápido y se vuelve cada vez más importante para los núcleos pesados ​​y superpesados. [ 35 ] [ 36 ] Por lo tanto, se predice teóricamente que los núcleos superpesados ​​[ 37 ] y se han observado hasta ahora [ 38 ] se desintegran predominantemente a través de modos de desintegración que son causados ​​por dicha repulsión: desintegración alfa y fisión espontánea . [ f ] Casi todos los emisores alfa tienen más de 210  nucleones, [ 40 ] y el nucleido más ligero que experimenta principalmente fisión espontánea tiene 238. [ 41 ] En ambos modos de desintegración, los núcleos se ven inhibidos de desintegrarse por barreras de energía correspondientes para cada modo, pero pueden atravesarlas por efecto túnel. [ 35 ] [ 36 ]

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 de Dubna instalado en el Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares del JINR. La trayectoria dentro del detector y el aparato de enfoque del haz cambia debido a un imán dipolar en el primero y a imanes cuadrupolares en el segundo. [ 42 ]

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. [ 43 ] La fisión espontánea es causada por la repulsión electrostática que desgarra el núcleo y produce varios núcleos en diferentes instancias de fisión de núcleos idénticos. [ 36 ] A medida que aumenta el número atómico, la fisión espontánea se vuelve rápidamente más importante: las vidas medias parciales de fisión espontánea disminuyen en 23  órdenes de magnitud desde el uranio (elemento  92) hasta el nobelio (elemento  102), [ 44 ] y en 30  órdenes de magnitud desde el torio (elemento  90) hasta el fermio (elemento  100). [ 45 ] El modelo anterior de gota líquida sugirió entonces que la fisión espontánea ocurriría casi instantáneamente debido a la desaparición de la barrera de fisión para núcleos con aproximadamente 280  nucleones. [ 36 ] [ 46 ] El modelo de capas nucleares posterior sugirió que los núcleos con aproximadamente 300  nucleones formarían una isla de estabilidad en la que los núcleos serían más resistentes a la fisión espontánea y sufrirían principalmente desintegración alfa con vidas medias más largas. [ 36 ] [ 46 ] Descubrimientos posteriores sugirieron que la isla predicha podría estar más lejos de lo previsto originalmente; también mostraron que los núcleos intermedios entre los actínidos de larga vida y la isla predicha están deformados y ganan estabilidad adicional debido a los efectos de capa. [ 47 ] Experimentos en núcleos superpesados ​​más ligeros, [ 48 ] así como aquellos más cercanos a la isla esperada, [ 44 ] han mostrado una estabilidad mayor de la previamente anticipada contra la fisión espontánea, lo que demuestra la importancia de los efectos de capa en los núcleos. [ g ]

Las desintegraciones alfa se registran mediante las partículas alfa emitidas, y los productos de desintegración son fáciles de determinar antes de la desintegración real; si dicha desintegración o una serie de desintegraciones consecutivas produce un núcleo conocido, el producto original de una reacción puede determinarse fácilmente. [ h ] (Que todas las desintegraciones dentro de una cadena de desintegración estaban realmente relacionadas entre sí se establece por la ubicación de estas desintegraciones, que debe estar en el mismo lugar). [ 30 ] El núcleo conocido puede reconocerse por las características específicas de la desintegración que experimenta, como la energía de desintegración (o más específicamente, la energía cinética de la partícula emitida). [ i ] Sin embargo, la fisión espontánea produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no puede determinarse a partir de sus hijos. [ j ]

La información disponible para los físicos que buscan 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 que no pudo haber sido causado por un nucleido diferente al que se afirma. A menudo, los datos proporcionados son insuficientes para concluir que definitivamente se creó un nuevo elemento y que no existe otra explicación para los efectos observados; se han cometido errores en la interpretación de los datos. [ k ]

Descubrimiento

Fondo

El uranio , elemento 92, es el elemento más pesado que se encuentra en cantidades significativas en la naturaleza; los elementos más pesados ​​solo pueden producirse prácticamente mediante síntesis. La primera síntesis de un nuevo elemento, el neptunio , elemento 93, fue lograda en 1940 por un equipo de investigadores en Estados Unidos. [ 59 ] En los años siguientes, los científicos estadounidenses sintetizaron los elementos hasta el mendelevio , elemento 101, que fue sintetizado en 1955. A partir del elemento 102 , la prioridad de los descubrimientos fue disputada entre físicos estadounidenses y soviéticos. [ 60 ] Su rivalidad resultó en una carrera por nuevos elementos y el reconocimiento de sus descubrimientos, posteriormente denominada Guerras del Transfermio . [ 61 ]

Informes

Aparato en Dubna utilizado para la caracterización química de los elementos 104 , 105 y 106 [ 62 ].

El primer informe del descubrimiento del elemento 105 provino del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en Dubna , óblast de Moscú , Unión Soviética , en abril de 1968. Los científicos bombardearon 243Am con un haz de iones de 22Ne e informaron actividades alfa  de 9,4 MeV (con una vida media de 0,1 a 3 segundos) y 9,7  MeV ( t 1/2  >  0,05  s), seguidas de actividades alfa similares a las de 256 103 o 257 103. Basándose en predicciones teóricas previas, las dos líneas de actividad se asignaron a 261 105 y 260 105, respectivamente. [ 63 ]

243 95 Soy+ 22 10 Ne→265−x105 +xn(x= 4, 5)

Después de observar las desintegraciones alfa del elemento 105, los investigadores se propusieron observar la fisión espontánea (FE) del elemento y estudiar los fragmentos de fisión resultantes. Publicaron un artículo en febrero de 1970, informando de múltiples ejemplos de dos de dichas actividades, con vidas medias de 14  ms y2,2 ± 0,5  s . Asignaron la primera actividad al 242mf Am [ l ] y atribuyeron la segunda actividad a un isótopo del elemento 105. Sugirieron que era improbable que esta actividad pudiera provenir de una reacción de transferencia en lugar del elemento 105, porque la relación de rendimiento para esta reacción era significativamente menor que la de la reacción de transferencia productora de 242mf Am, de acuerdo con las predicciones teóricas. Para establecer que esta actividad no provenía de una reacción ( 22 Ne, x n ), los investigadores bombardearon un blanco de 243 Am con iones 18 O; las reacciones que producían 256 103 y 257 103 mostraron muy poca actividad SF (coincidiendo con los datos establecidos), y la reacción que producía los más pesados ​​258 103 y 259 103 no produjo ninguna actividad SF, de acuerdo con los datos teóricos. Los investigadores concluyeron que las actividades observadas provenían de la SF del elemento 105. [ 63 ]

En abril de 1970, un equipo del Laboratorio Lawrence Berkeley (LBL), en Berkeley , California , Estados Unidos, afirmó haber sintetizado el elemento 105 bombardeando californio-249 con iones de nitrógeno-15 , con una actividad alfa de 9,1  MeV. Para asegurarse de que esta actividad no provenía de una reacción diferente, el equipo intentó otras reacciones: bombardeando 249Cf con 14N , Pb con 15N y Hg con 15N . Afirmaron que no se encontró tal actividad en esas reacciones. Las características de los núcleos hijos coincidían con las del 256 103, lo que implicaba que los núcleos padres eran del 260 105. [ 63 ]

249 98 Cf+ 15 7 N→260105 + 4n

Estos resultados no confirmaron los hallazgos del JINR con respecto a la desintegración alfa de 9,4  MeV o 9,7  MeV del 260 105, dejando solo al 261 105 como un isótopo posiblemente producido. [ 63 ]

El JINR intentó entonces otro experimento para crear el elemento 105, publicado en un informe en mayo de 1970. Afirmaron haber sintetizado más núcleos del elemento 105 y que el experimento confirmaba su trabajo anterior. Según el artículo, el isótopo producido por el JINR era probablemente 261 105, o posiblemente 260 105. [ 63 ] Este informe incluía un examen químico inicial: se aplicó la versión de gradiente térmico del método de cromatografía de gases para demostrar que el cloruro formado a partir de la actividad SF coincidía casi con el del pentacloruro de niobio , en lugar del tetracloruro de hafnio . El equipo identificó una actividad SF de 2,2 segundos en un cloruro volátil que presentaba propiedades de eka-tantalio, e infirió que la fuente de la actividad SF debía ser el elemento 105. [ 63 ]

En junio de 1970, el JINR mejoró su primer experimento, utilizando un blanco más puro y reduciendo la intensidad de las reacciones de transferencia mediante la instalación de un colimador antes del detector. En esta ocasión, lograron detectar  actividades alfa de 9,1 MeV con isótopos hijos identificables como 256 103 o 257 103, lo que implicaba que el isótopo original era 260 105 o 261 105. [ 63 ]

Controversia en torno a la denominación

Foto de Niels Bohr
Foto de Otto Hahn
El físico nuclear danés Niels Bohr y el químico nuclear alemán Otto Hahn fueron propuestos como posibles nombres para el elemento 105.

JINR no propuso un nombre después de su primer informe que afirmaba la síntesis del elemento 105, lo cual habría sido la práctica habitual. Esto llevó a LBL a creer que JINR no tenía suficientes datos experimentales para respaldar su afirmación. [ 64 ] Después de recopilar más datos, JINR propuso el nombre bohrio (Bo) en honor al físico nuclear danés Niels Bohr , fundador de las teorías de la estructura atómica y la teoría cuántica ; [ 65 ] pronto cambiaron su propuesta a nielsbohrio (Ns) para evitar confusiones con el boro . [ 66 ] Otro nombre propuesto fue dubnio . [ 67 ] [ 68 ] Cuando LBL anunció por primera vez su síntesis del elemento 105, propusieron que el nuevo elemento se llamara hahnio (Ha) en honor al químico alemán Otto Hahn , el "padre de la química nuclear", creando así una controversia sobre la denominación del elemento . [ 69 ]

A principios de la década de 1970, ambos equipos informaron la síntesis del siguiente elemento, el elemento 106, pero no sugirieron nombres. [ 70 ] JINR sugirió establecer un comité internacional para aclarar los criterios de descubrimiento. Esta propuesta fue aceptada en 1974 y se formó un grupo conjunto neutral. [ 71 ] Ninguno de los equipos mostró interés en resolver el conflicto a través de un tercero, por lo que los principales científicos del LBL — Albert Ghiorso y Glenn Seaborg — viajaron a Dubna en 1975 y se reunieron con los principales científicos del JINR — Georgy Flerov , Yuri Oganessian y otros — para intentar resolver el conflicto internamente y hacer innecesario el grupo conjunto neutral; después de dos horas de discusiones, esto fracasó. [ 72 ] El grupo neutral conjunto nunca se reunió para evaluar las afirmaciones, y el conflicto permaneció sin resolver. [ 71 ] En 1979, la IUPAC sugirió nombres de elementos sistemáticos para ser utilizados como marcadores de posición hasta que se establecieran nombres permanentes; Según esta teoría, el elemento 105 sería unnilpentio , derivado de las raíces latinas un- y nil- y de la raíz griega pent- (que significan "uno", "cero" y "cinco", respectivamente, los dígitos del número atómico). Ambos equipos la ignoraron, ya que no deseaban debilitar sus argumentos pendientes. [ 73 ]

En 1981, la Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI; Sociedad para la Investigación de Iones Pesados ) en Darmstadt , Hesse , Alemania Occidental, afirmó haber sintetizado el elemento 107; su informe se publicó cinco años después del primer informe del JINR, pero con mayor precisión, lo que permitió una afirmación más sólida sobre el descubrimiento. [ 63 ] La GSI reconoció los esfuerzos del JINR sugiriendo el nombre de nielsbohrium para el nuevo elemento. [ 71 ] El JINR no sugirió un nuevo nombre para el elemento 105, afirmando que era más importante determinar primero a sus descubridores. [ 71 ]

Ubicación de Dubna en la Rusia europea

En 1985, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) formaron un Grupo de Trabajo sobre Transfermio (GTT) para evaluar los descubrimientos y establecer los nombres definitivos de los elementos controvertidos. [ 63 ] El grupo celebró reuniones con delegados de los tres institutos participantes; en 1990, establecieron criterios para el reconocimiento de un elemento y, en 1991, finalizaron la evaluación de los descubrimientos y se disolvieron. Estos resultados se publicaron en 1993. Según el informe, el primer experimento con éxito definitivo fue el experimento LBL de abril de 1970, seguido de cerca por el experimento JINR de junio de 1970, por lo que el mérito del descubrimiento del elemento debería compartirse entre los dos equipos. [ 63 ]

LBL afirmó que la contribución de JINR fue sobrevalorada en la revisión. Alegaron que JINR solo pudo demostrar de forma inequívoca la síntesis del elemento 105 un año después de que ellos lo hicieran. JINR y GSI respaldaron el informe. [ 71 ]

En 1994, la IUPAC publicó una recomendación sobre la denominación de los elementos en disputa. Para el elemento 105, propusieron joliotio (Jl) en honor al físico francés Frédéric Joliot-Curie , contribuyente al desarrollo de la física y la química nuclear; este nombre fue propuesto originalmente por el equipo soviético para el elemento 102, que para entonces ya se conocía como nobelio . [ 74 ] Esta recomendación fue criticada por los científicos estadounidenses por varias razones. En primer lugar, sus sugerencias estaban desordenadas: los nombres rutherfordio y hahnio , sugeridos originalmente por Berkeley para los elementos 104 y 105, fueron reasignados respectivamente a los elementos 106 y 108. En segundo lugar, a los elementos 104 y 105 se les dieron nombres favorecidos por el JINR, a pesar del reconocimiento previo de LBL como codescubridor en igualdad de condiciones para ambos. En tercer lugar, y lo más importante, la IUPAC rechazó el nombre de seaborgio para el elemento 106, tras haber aprobado recientemente una norma que prohibía nombrar un elemento en honor a una persona viva, a pesar de que el informe de 1993 había atribuido exclusivamente el descubrimiento al equipo del LBL. [ 75 ]

En 1995, la IUPAC abandonó la controvertida regla y estableció un comité de representantes nacionales con el objetivo de encontrar un compromiso. Sugirieron seaborgio para el elemento 106 a cambio de la eliminación de todas las demás propuestas estadounidenses, excepto el nombre establecido lawrencio para el elemento 103. El nombre igualmente arraigado nobelio para el elemento 102 fue reemplazado por flerovio en honor a Georgy Flerov, luego de que el informe de 1993 reconociera que ese elemento había sido sintetizado por primera vez en Dubna. Esto fue rechazado por los científicos estadounidenses y la decisión fue revocada. [ 76 ] [ 3 ] El nombre flerovio se usó más tarde para el elemento 114. [ 77 ]

En 1996, la IUPAC celebró otra reunión, reconsideró todos los nombres disponibles y aceptó otro conjunto de recomendaciones; fue aprobado y publicado en 1997. [ 78 ] El elemento 105 fue denominado dubnio (Db), en honor a Dubna en Rusia, donde se encuentra el JINR; las sugerencias estadounidenses se utilizaron para los elementos 102, 103, 104 y 106. El nombre dubnio ya se había utilizado para el elemento 104 en la recomendación anterior de la IUPAC. Los científicos estadounidenses aprobaron esta decisión a regañadientes. [ 79 ] La IUPAC señaló que el laboratorio de Berkeley ya había sido reconocido varias veces, en la denominación del berkelio , el californio y el americio , y que la aceptación de los nombres rutherfordio y seaborgio para los elementos 104 y 106 debería compensarse reconociendo las contribuciones del JINR al descubrimiento de los elementos 104, 105 y 106. [ 80 ]

Incluso después de 1997, LBL todavía usaba a veces el nombre hahnio para el elemento 105 en su propio material, haciéndolo tan recientemente como en 2014. [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] Sin embargo, el problema se resolvió en la literatura cuando Jens Volker Kratz, editor de Radiochimica Acta , se negó a aceptar artículos que no usaran la nomenclatura IUPAC de 1997. [ 85 ]

isótopos

Un gráfico 2D con celdas rectangulares en blanco y negro, que se extiende desde la esquina inferior izquierda hasta la esquina superior derecha, con celdas que se vuelven más claras a medida que se acercan a esta última.
Un diagrama de estabilidad de nucleidos utilizado por JINR en 2012. Los isótopos caracterizados se muestran con bordes. [ 86 ]

El dubnio, con un número atómico de 105, es un elemento superpesado ; como todos los elementos con números atómicos tan altos, es muy inestable. El isótopo de dubnio conocido de mayor duración, el 268 Db, tiene una vida media de alrededor de un día. [ 87 ] No se han observado isótopos estables, y un cálculo de 2012 realizado por el JINR sugirió que las vidas medias de todos los isótopos de dubnio no superarían significativamente un día. [ 86 ] [ m ] El dubnio solo se puede obtener mediante producción artificial. [ n ]

La corta vida media del dubnio limita la experimentación. Esto se ve agravado por el hecho de que los isótopos más estables son los más difíciles de sintetizar. [ 90 ] Los elementos con un número atómico menor tienen isótopos estables con una menor relación neutrón-protón que aquellos con un número atómico mayor, lo que significa que los núcleos del blanco y del haz que podrían emplearse para crear el elemento superpesado tienen menos neutrones de los necesarios para formar estos isótopos más estables. (Se están considerando diferentes técnicas basadas en reacciones rápidas de captura y transferencia de neutrones desde la década de 2010, pero las basadas en la colisión de un núcleo grande y uno pequeño todavía dominan la investigación en el área). [ 91 ] [ 92 ]

Solo se pueden producir unos pocos átomos de 268 Db en cada experimento, por lo que las vidas medias medidas varían significativamente durante el proceso. A partir de 2022, tras experimentos adicionales realizados en la Fábrica de Elementos Superpesados ​​del JINR (que comenzó a operar en 2019), se mide que la vida media del 268 Db es16 +6 −4 horas. [ 13 ] El segundo isótopo más estable, 270 Db, se ha producido en cantidades aún menores: tres átomos en total, con vidas medias de 33,4 h, [ 93 ] 1,3 h y 1,6 h. [ 94 ] Estos dos son los isótopos más pesados ​​de dubnio hasta la fecha, y ambos se produjeron como resultado de la desintegración de los núcleos más pesados ​​288 Mc y 294 Ts en lugar de directamente, porque los experimentos que los produjeron fueron diseñados originalmente en Dubna para haces de 48 Ca. [ 95 ] Para su masa, 48 Ca tiene, con mucho, el mayor exceso de neutrones de todos los núcleos prácticamente estables, tanto cuantitativo como relativo, [ 87 ] lo que ayuda correspondientemente a sintetizar núcleos superpesados ​​con más neutrones, pero esta ganancia se compensa con la menor probabilidad de fusión para números atómicos altos. [ 96 ]

Propiedades previstas

Según la ley periódica , el dubnio debería pertenecer al grupo 5, junto con el vanadio , el niobio y el tantalio . Varios estudios han investigado las propiedades del elemento 105 y han encontrado que, en general, concuerdan con las predicciones de la ley periódica. Sin embargo, pueden producirse desviaciones significativas debido a efectos relativistas , [ o ] que modifican drásticamente las propiedades físicas tanto a escala atómica como macroscópica. Estas propiedades han sido difíciles de medir por varias razones: las dificultades en la producción de átomos superpesados, las bajas tasas de producción, que solo permiten escalas microscópicas, los requisitos de un laboratorio de radioquímica para analizar los átomos, la corta vida media de estos átomos y la presencia de muchas actividades no deseadas, además de las de la síntesis de átomos superpesados. Hasta ahora, solo se han realizado estudios en átomos individuales. [ 3 ]

Atómico y físico

Distribución radial relativista (línea continua) y no relativista (línea discontinua) de los electrones de valencia 7s en el dubnio.

Un efecto relativista directo es que, a medida que aumenta el número atómico de los elementos, los electrones más internos comienzan a girar más rápido alrededor del núcleo como resultado de un aumento de la atracción electromagnética entre un electrón y un núcleo. Se han encontrado efectos similares para los orbitales s más externos (y los p 1/2 , aunque en el dubnio no están ocupados): por ejemplo, el orbital 7s se contrae un 25 % en tamaño y se estabiliza en 2,6 eV . [ 3 ] 

Un efecto más indirecto es que los orbitales s y p 1/2 contraídos protegen la carga del núcleo de manera más efectiva, dejando menos para los electrones d y f externos, que por lo tanto se mueven en orbitales más grandes. El dubnio se ve muy afectado por esto: a diferencia de los miembros anteriores del grupo 5, sus electrones 7s son ligeramente más difíciles de extraer que sus electrones 6d. [ 3 ]

Estabilización relativista de los orbitales n s, desestabilización de los orbitales ( n -1)d y su desdoblamiento espín-órbita para los elementos del grupo 5.

Otro efecto es la interacción espín-órbita , en particular el desdoblamiento espín-órbita, que divide la subcapa 6d —el número cuántico azimutal ℓ de  la capa ad es 2— en dos subcapas, con cuatro de los diez orbitales cuyo ℓ se reduce a 3/2 y seis se elevan a 5/2. Los diez niveles de energía se elevan; cuatro de ellos son inferiores a los otros seis. (Los tres electrones 6d normalmente ocupan los niveles de energía más bajos, 6d 3/2 ). [ 3 ]

Un átomo de dubnio ionizado una vez (Db + ) debería perder un electrón 6d en comparación con un átomo neutro; los átomos de dubnio ionizados dos veces (Db2 + ) o tres veces (Db3 + ) deberían eliminar electrones 7s, a diferencia de sus homólogos más ligeros. A pesar de estos cambios, se espera que el dubnio conserve cinco electrones de valencia. Dado que los orbitales 6d del dubnio son más inestables que los 5d del tantalio, y se espera que el Db3 + tenga dos electrones 6d, en lugar de 7s, restantes, se prevé que el estado de oxidación +3 resultante sea inestable e incluso más raro que el del tantalio. El potencial de ionización del dubnio en su estado de oxidación máximo +5 debería ser ligeramente inferior al del tantalio, y el radio iónico del dubnio debería aumentar en comparación con el del tantalio; esto tiene un efecto significativo en la química del dubnio. [ 3 ]

Los átomos de dubnio en estado sólido deberían organizarse en una configuración cúbica centrada en el cuerpo , como los elementos del grupo 5 anteriores. [ 4 ] La densidad predicha del dubnio es de 21,6  g/ cm³ . [ 5 ]

Químico

Valores relativistas (rel) y no relativistas (nr) de la carga efectiva (Q M ) y la población de solapamiento (OP) en MCl 5 , donde M = V, Nb, Ta y Db

La química computacional es más sencilla en la química en fase gaseosa , donde las interacciones entre moléculas pueden ignorarse por ser insignificantes. Varios autores [ 3 ] han investigado el pentacloruro de dubnio; los cálculos muestran que es consistente con las leyes periódicas al exhibir las propiedades de un compuesto de un elemento del grupo 5. Por ejemplo, los niveles de orbitales moleculares indican que el dubnio utiliza tres niveles de electrones 6d como se esperaba. En comparación con su análogo de tantalio, se espera que el pentacloruro de dubnio muestre un mayor carácter covalente : una disminución en la carga efectiva sobre un átomo y un aumento en la población de solapamiento (entre orbitales de dubnio y cloro). [ 3 ]

Los cálculos de la química de soluciones indican que el estado de oxidación máximo del dubnio, +5, será más estable que los del niobio y el tantalio, y que los estados +3 y +4 serán menos estables. La tendencia a la hidrólisis de los cationes con el estado de oxidación más alto debería seguir disminuyendo dentro del grupo 5, pero aún se espera que sea bastante rápida. Se prevé que la complejación del dubnio siga las tendencias del grupo 5 en cuanto a su abundancia. Los cálculos para los complejos de hidróxido-cloruro han mostrado una inversión en las tendencias de formación de complejos y extracción de elementos del grupo 5, siendo el dubnio más propenso a ello que el tantalio. [ 3 ]

Química experimental

Los resultados experimentales sobre la química del dubnio datan de 1974 y 1976. Investigadores del JINR utilizaron un sistema termocromatográfico y concluyeron que la volatilidad del bromuro de dubnio era menor que la del bromuro de niobio y aproximadamente igual a la del bromuro de hafnio. No es seguro que los productos de fisión detectados confirmaran que el elemento progenitor fuera efectivamente el elemento 105. Estos resultados podrían implicar que el dubnio se comporta más como el hafnio que como el niobio. [ 3 ]

Los siguientes estudios sobre la química del dubnio se llevaron a cabo en 1988 en Berkeley. Examinaron si el estado de oxidación más estable del dubnio en solución acuosa era +5. El dubnio se fumigó dos veces y se lavó con ácido nítrico concentrado ; la sorción del dubnio en cubreobjetos de vidrio se comparó con la de los elementos del grupo 5, niobio y tantalio, y los elementos del grupo 4, circonio y hafnio, producidos en condiciones similares. Se sabe que los elementos del grupo 5 se adsorben en superficies de vidrio; los del grupo 4 no. Se confirmó que el dubnio pertenece al grupo 5. Sorprendentemente, el comportamiento de extracción de una solución mixta de ácido nítrico e hidrofluórico en metil isobutil cetona difirió entre el dubnio, el tantalio y el niobio. El dubnio no se extrajo y su comportamiento se asemejó más al del niobio que al del tantalio, lo que indica que el comportamiento de complejación no puede predecirse únicamente a partir de extrapolaciones simples de tendencias dentro de un grupo de la tabla periódica. [ 3 ]

Esto impulsó una mayor exploración del comportamiento químico de los complejos de dubnio. Varios laboratorios realizaron conjuntamente miles de experimentos cromatográficos repetitivos entre 1988 y 1993. Todos los elementos del grupo 5 y el protactinio se extrajeron del ácido clorhídrico concentrado ; después de mezclarlos con concentraciones más bajas de cloruro de hidrógeno, se añadieron pequeñas cantidades de fluoruro de hidrógeno para iniciar la reextracción selectiva. El dubnio mostró un comportamiento diferente al del tantalio, pero similar al del niobio y su pseudohomólogo protactinio a concentraciones de cloruro de hidrógeno inferiores a 12 moles por litro . Esta similitud con los dos elementos sugirió que el complejo formado era DbOX − 4 o [Db(OH)2 X4 ] −Tras experimentos de extracción de dubnio a partir de bromuro de hidrógeno en diisobutilcarbinol (2,6-dimetilheptan-4-ol), un extractante específico para protactinio, con eluciones posteriores con la mezcla de cloruro de hidrógeno/fluoruro de hidrógeno y cloruro de hidrógeno, se observó que el dubnio era menos propenso a la extracción que el protactinio o el niobio. Esto se explicó como una tendencia creciente a formar complejos no extraíbles de múltiples cargas negativas. Experimentos posteriores en 1992 confirmaron la estabilidad del estado +5: se demostró que el Db(V) era extraíble de columnas de intercambio catiónico con α-hidroxiisobutirato, al igual que los elementos del grupo 5 y el protactinio; el Db(III) y el Db(IV) no lo eran. En 1998 y 1999, nuevas predicciones sugirieron que el dubnio se extraería casi tan bien como el niobio y mejor que el tantalio de soluciones de haluros, lo cual se confirmó posteriormente. [ 3 ]

Los primeros experimentos de cromatografía de gases isotérmica se realizaron en 1992 con 262 Db (vida media de 35 segundos). Las volatilidades del niobio y el tantalio fueron similares dentro de los límites de error, pero el dubnio pareció ser significativamente menos volátil. Se postuló que trazas de oxígeno en el sistema podrían haber llevado a la formación de DbOBr.3 , que se predijo que sería menos volátil queel DbBr5. Experimentos posteriores realizados en 1996 demostraron que los cloruros del grupo 5 eran más volátiles que los bromuros correspondientes, con la excepción del tantalio, presumiblemente debido a la formación deTaOCl.3. Estudios posteriores sobre la volatilidad de los cloruros de dubnio y niobio en función de presiones parciales controladas de oxígeno mostraron que la formación de oxicloruros y la volatilidad general dependen de las concentraciones de oxígeno. Se demostró que los oxicloruros eran menos volátiles que los cloruros. [ 3 ]

En 2004-05, investigadores de Dubna y Livermore identificaron un nuevo isótopo de dubnio, 268 Db, como producto de la desintegración alfa quíntuple del elemento 115 , de reciente creación . Este nuevo isótopo demostró ser lo suficientemente longevo como para permitir más experimentación química, con una vida media de más de un día. En el experimento de 2004, se extrajo una fina capa de dubnio de la superficie del objetivo y se disolvió en agua regia con trazadores y un portador de lantano , a partir de la cual se precipitaron varias especies +3, +4 y +5 al añadir hidróxido de amonio . El precipitado se lavó y se disolvió en ácido clorhídrico, donde se convirtió en nitrato y luego se secó sobre una película y se analizó. Contenía principalmente una especie +5, que se asignó inmediatamente al dubnio, pero también tenía una especie +4; basándose en ese resultado, el equipo decidió que era necesaria una separación química adicional. En 2005, se repitió el experimento, obteniéndose como producto final un precipitado de hidróxido en lugar de nitrato, el cual se procesó posteriormente tanto en Livermore (mediante cromatografía de fase inversa) como en Dubna (mediante cromatografía de intercambio aniónico). La especie +5 se aisló eficazmente; el dubnio apareció tres veces en fracciones de tantalio puro y nunca en fracciones de niobio puro. Se observó que estos experimentos eran insuficientes para extraer conclusiones sobre el perfil químico general del dubnio. [ 97 ]

En 2009, en el acelerador tándem JAEA en Japón, se procesó dubnio en una solución de ácido nítrico e hidrofluórico, a concentraciones en las que el niobio forma NbOF − 4 y el tantalio forma TaF − 6. El comportamiento del dubnio fue similar al del niobio, pero no al del tantalio; por lo tanto, se dedujo que el dubnio formaba DbOF − 4. A partir de la información disponible, se concluyó que el dubnio a menudo se comportaba como el niobio, a veces como el protactinio, pero rara vez como el tantalio. [ 98 ]

En 2021, los oxicloruros volátiles pesados ​​del grupo 5 MOCl₃ ( M = Nb, Ta, Db) fueron estudiados experimentalmente en el acelerador en tándem JAEA. Se encontró que la tendencia en las volatilidades era NbOCl₃ > TaOCl₃ ≥ DbOCl₃ , por lo que el dubnio se comporta de acuerdo con las tendencias periódicas. [ 99 ]

Notas

  1. ↑ En física nuclear , un elemento se llama pesado si su número atómico es alto; el plomo (elemento 82) es un ejemplo de un elemento pesado. El término "elementos superpesados" generalmente se refiere a elementos con número atómico mayor que 103 (aunque hay otras definiciones, como número atómico mayor que 100 [ 16 ] o 112 ; [ 17 ] a veces, el término se presenta como un equivalente al término "transactínido", que pone un límite superior antes del comienzo de la hipotética serie de superactínidos ). [ 18 ] Los términos "isótopos pesados" (de un elemento dado) y "núcleos pesados" significan lo que podría entenderse en el lenguaje común: isótopos de alta masa (para el elemento dado) y núcleos de alta masa, respectivamente.
  2. ↑ En 2009, un equipo del JINR liderado por Oganessian publicó los resultados de su intento de crear hassio en una reacción simétrica 136 Xe + 136 Xe. No lograron observar un solo átomo en dicha reacción, estableciendo el límite superior de la sección transversal, la medida de probabilidad de una reacción nuclear, en 2,5 pb . [ 19 ] En comparación, la reacción que condujo al descubrimiento del hassio, 208 Pb + 58 Fe, tuvo una sección transversal de ~20pb (más específicamente, 19 +19 -11 pb), según la estimación de los descubridores. [ 20 ]    
  3. ↑ La cantidad de energía aplicada a la partícula del haz para acelerarla también puede influir en el valor de la sección transversal. Por ejemplo, en la reacción 28 14 Si + 1 0 n → 28 13 Al + 1 1 p , la sección transversal cambia suavemente de 370 mb a 12,3 MeV a 160 mb a 18,3 MeV, con un pico amplio a 13,5 MeV con un valor máximo de 380 mb. [ 24 ]
  4. ↑ Esta cifra también marca el límite superior generalmente aceptado para la vida útil de un núcleo compuesto. [ 29 ]
  5. ↑ Esta separación se basa en que los núcleos resultantes se mueven más lentamente al pasar por el blanco que los núcleos del haz que no reaccionaron. El separador contiene campos eléctricos y magnéticos cuyos efectos sobre una partícula en movimiento se cancelan para una velocidad específica de la partícula. [ 31 ] Dicha separación también puede complementarse con una medición del tiempo de vuelo y una medición de la energía de retroceso; una combinación de ambas puede permitir estimar la masa de un núcleo. [ 32 ]
  6. ↑ No todos los modos de desintegración son causados ​​por repulsión electrostática. Por ejemplo, la desintegración beta es causada por la interacción débil . [ 39 ]
  7. ↑ Ya en la década de 1960 se sabía que los estados fundamentales de los núcleos diferían en energía y forma, así como que ciertos números mágicos de nucleones correspondían a una mayor estabilidad del núcleo. Sin embargo, se asumía que los núcleos superpesados ​​carecían de estructura nuclear, ya que estaban demasiado deformados para formarla. [ 44 ]
  8. ↑ Dado que la masa de un núcleo no se mide directamente, sino que se calcula a partir de la de otro núcleo, dicha medición se denomina indirecta. Las mediciones directas también son posibles, pero en su mayor parte no han estado disponibles para los núcleos superpesados. [ 49 ] La primera medición directa de la masa de un núcleo superpesado se informó en 2018 en LBNL. [ 50 ] La masa se determinó a partir de la ubicación de un núcleo después de la transferencia (la ubicación ayuda a determinar su trayectoria, que está vinculada a la relación masa-carga del núcleo, ya que la transferencia se realizó en presencia de un imán). [ 51 ]
  9. ↑ Si la desintegración ocurriera en el vacío, entonces, dado que el momento total de un sistema aislado antes y después de la desintegración debe conservarse , el núcleo hijo también recibiría una pequeña velocidad. La relación de las dos velocidades, y por consiguiente la relación de las energías cinéticas, sería inversamente proporcional a la relación de las dos masas. La energía de desintegración es igual a la suma de la energía cinética conocida de la partícula alfa y la del núcleo hijo (una fracción exacta de la primera). [ 40 ] Los cálculos también son válidos para un experimento, pero la diferencia es que el núcleo no se mueve después de la desintegración porque está ligado al detector.
  10. ↑ La fisión espontánea fue descubierta por el físico soviético Georgy Flerov , [ 52 ] un científico destacado del JINR, y por lo tanto era un "caballo de batalla" para la instalación. [ 53 ] En contraste, los científicos del LBL creían que la información sobre la fisión no era suficiente para afirmar la síntesis de un elemento. Creían que la fisión espontánea no se había estudiado lo suficiente como para utilizarla en la identificación de un nuevo elemento, ya que existía la dificultad de establecer que un núcleo compuesto solo había eyectado neutrones y no partículas cargadas como protones o partículas alfa. [ 29 ] Por lo tanto, preferían vincular los nuevos isótopos con los ya conocidos mediante desintegraciones alfa sucesivas. [ 52 ]
  11. ↑ Por ejemplo, el elemento 102 fue identificado erróneamente en 1957 en el Instituto Nobel de Física en Estocolmo , condado de Estocolmo , Suecia . [ 54 ] No hubo afirmaciones definitivas previas sobre la creación de este elemento, y sus descubridores suecos, estadounidenses y británicos le asignaron el nombre de nobelio . Posteriormente se demostró que la identificación era incorrecta. [ 55 ] Al año siguiente, RL no pudo reproducir los resultados suecos y anunció en su lugar su síntesis del elemento; esa afirmación también fue refutada más tarde. [ 55 ] JINR insistió en que fueron los primeros en crear el elemento y sugirió un nombre propio para el nuevo elemento, joliotio ; [ 56 ] el nombre soviético tampoco fue aceptado (JINR posteriormente se refirió a la denominación del elemento 102 como "precipitada"). [ 57 ] Este nombre fue propuesto a la IUPAC en una respuesta escrita a su dictamen sobre la prioridad de las reivindicaciones de descubrimiento de elementos, firmada el 29 de septiembre de 1992. [ 57 ] El nombre "nobelio" permaneció sin cambios debido a su uso generalizado. [ 58 ]
  12. ↑ Esta notación significa que el núcleo es un isómero nuclear que se desintegra por fisión espontánea.
  13. ↑ El valor experimental actual es de 16 + 6 − 4  horas para 268 Db, pero la ley estadística de los grandes números , en la que se basa la determinación de las vidas medias, no puede aplicarse directamente debido al número muy limitado de experimentos (desintegraciones). El rango de incertidumbre indica que el período de vida media se encuentra dentro de este rango con una probabilidad del 95 %.
  14. ↑ La teoría moderna del núcleo atómico no sugiere un isótopo de dubnio de larga duración, pero en el pasado se hicieron afirmaciones de que isótopos desconocidos de elementos superpesados ​​existieron primordialmente en la Tierra: por ejemplo, tal afirmación se planteó para el 267 108 de una vida media de 400 a 500 millones de años en 1963 [ 88 ] o el 292 122 de una vida media de más de 100 millones de años en 2009; [ 89 ] ninguna de las afirmaciones fue aceptada.
  15. ↑ Los efectos relativistas surgen cuando un objeto se mueve a velocidades comparables a la velocidad de la luz; en los átomos pesados, los objetos que se mueven rápidamente son los electrones.

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