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Articulo de referencia

Isla de estabilidad

Diagrama del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear que muestra las vidas medias medidas (recuadradas) y predichas de los nucleidos superpesados , ordenados por número de p...

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

En física nuclear , la isla de estabilidad es un conjunto predicho de isótopos de elementos superpesados ​​que podrían 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 vida conocidos . Su existencia teórica se atribuye a los efectos estabilizadores de los " números mágicos " predichos de protones y neutrones en la región de masa superpesada. [ 3 ] [ 4 ]

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

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

Introducción

Estabilidad del nucleido

Tabla completa de las vidas medias de los nucleidos representadas en función del número atómico Z y el número de neutrones N.
Tabla de vidas medias de nucleidos conocidos

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

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

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

Números mágicos

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

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

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

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

Descubrimientos

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

Durante la década de 1970, se realizaron numerosas búsquedas de núcleos superpesados ​​de larga vida. En laboratorios de todo el mundo se llevaron a cabo experimentos destinados a sintetizar elementos con números atómicos comprendidos entre 110 y 127. [ 51 ] [ 52 ] Estos elementos se buscaban en reacciones de fusión-evaporación, en las que un blanco pesado compuesto por un nucleido es irradiado por iones acelerados de otro en un ciclotrón , y se producen nuevos nucleidos tras la fusión de estos núcleos y la liberación de energía del sistema excitado resultante mediante la evaporación de 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 menores y mayores ; esto afecta al rendimiento de la reacción. [ 53 ] Por ejemplo, se esperaba que la reacción entre 248 Cm y 40 Ar produjera isótopos del elemento 114, y que la reacción entre 232 Th y 84 Kr produjera isótopos del elemento 126. [ 54 ] Ninguno de estos intentos tuvo éxito, [ 51 ] [ 52 ] lo que indica que tales experimentos podrían haber sido insuficientemente sensibles si las secciones transversales de reacción eran bajas —lo que resultaba en rendimientos más bajos— o que cualquier núcleo alcanzable mediante tales reacciones de fusión-evaporación podría ser demasiado corto para ser detectado. [ j ] Experimentos exitosos posteriores revelan que las vidas medias y las secciones transversales disminuyen efectivamente con el aumento del número atómico, lo que resulta en la síntesis de solo unos pocos átomos de corta vida de los elementos más pesados ​​en cada experimento; [ 55 ] a partir de 2022, la sección transversal más alta reportada para un nucleido superpesado cerca de la isla de estabilidad es para 288 Mc en la reacción entre 243 Am y 48 Ca. [ 42 ]

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

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

Núcleos deformados

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

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

Propiedades de descomposición previstas

Diagrama que representa los cuatro modos principales de desintegración (alfa, captura electrónica, beta y fisión espontánea) de los núcleos superpesados ​​conocidos y predichos.
Diagrama que representa los modos de desintegración predichos para los núcleos superpesados, con los núcleos observados representados con contornos negros. Se predice que los núcleos con mayor deficiencia de neutrones, así como aquellos inmediatamente más allá del cierre de capa en N  =  184, experimentarán predominantemente fisión espontánea (SF), mientras que la desintegración alfa (α) puede predominar en los núcleos con deficiencia de neutrones más cercanos a la isla, y pueden aparecer ramas significativas de desintegración beta (β) o captura electrónica (EC) más cercanas al centro de la isla alrededor de 291 Cn y 293 Cn. [ 2 ]

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

Se predice que el cierre de capa en N  =  184 dará como resultado vidas medias parciales más largas para la desintegración alfa y la fisión espontánea. [ 2 ] Se cree que el cierre de capa dará como resultado barreras de fisión más altas para los núcleos alrededor de 298 Fl, lo que dificultará fuertemente la fisión y tal vez dé como resultado vidas medias de fisión 30 órdenes de magnitud mayores que las de los núcleos no afectados por el cierre de capa. [ 34 ] [ 75 ] Por ejemplo, el isótopo deficiente en neutrones 284 Fl (con N  =  170) experimenta 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 las proximidades del cierre de capa N  =  184. [ 43 ] Más allá de este punto, se predice que algunos isótopos no descubiertos experimentarán 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, así como para Z  >  120 y N  >  184). [ 14 ] [ 19 ] Estos núcleos pueden experimentar desintegración alfa o fisión espontánea en microsegundos o menos, con algunas vidas medias de fisión estimadas en el orden de 10 −20 segundos en ausencia de barreras de fisión. [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 75 ] Por el contrario, el 298 Fl (que se predice que se encuentra dentro de la región de efectos de capa máximos) puede tener una vida media de fisión espontánea mucho más larga, posiblemente del orden de 10 19 años. [ 34 ]

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

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

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

Considerando todos los modos de desintegración, varios modelos indican un desplazamiento del centro de la isla (es decir, el nucleido de vida más larga) de 298 Fl a un número atómico más bajo, y competencia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea en estos nucleidos; [ 83 ] estos incluyen vidas medias de 100 años para 291 Cn y 293 Cn, [ 55 ] [ 78 ] una vida media de 1000 años para 296 Cn, [ 55 ] una vida media de 300 años para 294 Ds, [ 75 ] y una vida media de 3500 años para 293 Ds, [ 69 ] [ 70 ] con 294 Ds y 296 Cn exactamente en el cierre de capa N  = 184.  También se ha planteado que esta región de estabilidad mejorada para elementos con 112  ≤ Z ≤ 118 puede ser en cambio una consecuencia de la deformación nuclear, y que el verdadero centro de la isla de estabilidad para núcleos superpesados ​​esféricos se encuentra alrededor de 306 Ubb ( Z = 122, N = 184). [ 20 ] Este modelo define la isla de estabilidad como la región con la mayor resistencia a la fisión en lugar de las vidas medias totales más largas; [ 20 ] todavía se predice que el nucleido 306 Ubb tiene una vida media corta con respecto a la desintegración alfa. [ 2 ] [ 70 ] La isla de estabilidad para núcleos esféricos también puede ser un "arrecife de coral" (es decir, una amplia región de mayor estabilidad sin un "pico" claro) alrededor de N = 184 y 114 ≤ Z ≤ 120, con vidas medias que disminuyen rápidamente a números atómicos más altos, debido a los efectos combinados de los cierres de capas de protones y neutrones. [ 84 ]             

Otro modo de desintegración potencialmente significativo para los elementos superpesados ​​más pesados ​​fue propuesto como desintegración en cúmulos por los físicos rumanos Dorin N. Poenaru y Radu A. Gherghescu y el físico alemán Walter Greiner . Se espera que su relación de ramificación con respecto a la desintegración alfa aumente con el número atómico, de modo que pueda competir con la desintegración alfa alrededor de Z  =  120, y quizás convertirse en el modo de desintegración dominante para los nucleidos más pesados ​​alrededor de Z  =  124. Por lo tanto, se espera que desempeñe un papel más importante más allá del centro de la isla de estabilidad (aunque todavía influenciado por los efectos de capa), a menos que el centro de la isla se encuentre en un número atómico mayor al predicho. [ 85 ]

Posible fenómeno 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 existieran primordialmente en la Tierra. Además, la inestabilidad de los núcleos intermedios entre los actínidos primordiales ( 232Th , 235U y 238U ) y la isla de estabilidad puede inhibir la producción de núcleos dentro de la isla en la nucleosíntesis del proceso r . Varios modelos sugieren que la fisión espontánea será el modo de desintegración dominante de los núcleos con A  > 280, y que la fisión  inducida por neutrones o retardada por beta —respectivamente, la captura de neutrones y la desintegración beta seguida inmediatamente de fisión— se convertirán en los canales de reacción primarios. Como resultado, la desintegración beta hacia la isla de estabilidad puede ocurrir solo dentro de una trayectoria muy estrecha o puede ser bloqueada completamente por la fisión, lo que impide la síntesis de nucleidos dentro de la isla. [ 86 ] Se cree que la no observación de nucleidos superpesados ​​como el 292 Hs y el 298 Fl en la naturaleza es consecuencia de un bajo rendimiento en el proceso r resultante de este mecanismo, así como de vidas medias demasiado cortas para permitir que persistan cantidades medibles en la naturaleza. [ 87 ] [ n ] Varios estudios que utilizan espectroscopia de masas con acelerador y centelleadores de cristal han informado límites superiores de la abundancia natural de dichos núcleos superpesados ​​de larga vida del orden de10 −14 en relación con sus homólogos estables . [ 90 ]

A pesar de estos obstáculos para su síntesis, un estudio de 2013 publicado por un grupo de físicos rusos liderado por Valeriy Zagrebaev propone que los isótopos de copernicio de vida más larga pueden presentarse en una abundancia de 10 −12 en relación con el plomo, por lo que podrían ser detectables en rayos cósmicos . [ 63 ] De manera similar, en un experimento de 2013, un grupo de físicos rusos liderado por Aleksandr Bagulya informó la posible observación de tres núcleos superpesados ​​cosmogénicos en cristales de olivino en meteoritos. El número atómico de estos núcleos se estimó entre 105 y 130, con un núcleo probablemente restringido entre 113 y 129, y sus vidas medias se estimaron en al menos 3000 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 las vidas medias de estos nucleidos. [ 91 ] [ 92 ] [ 93 ]

La desintegración de elementos pesados ​​y de larga vida en la isla de estabilidad es una explicación propuesta para la inusual presencia de los isótopos radiactivos de corta vida observados en la Estrella de Przybylski . [ 94 ]

Síntesis y dificultades

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

La fabricación de núcleos en la isla de estabilidad resulta ser muy difícil porque los núcleos disponibles como materiales de partida no proporcionan 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 tales haces no están disponibles actualmente en las intensidades requeridas para realizar tales experimentos. [ 63 ] [ 95 ] [ 96 ] Varios isótopos más pesados ​​como 250 Cm y 254 Es aún pueden ser utilizables como blancos, permitiendo la producción de isótopos con uno o dos neutrones más que los isótopos conocidos, [ 63 ] aunque la producción de varios miligramos de estos isótopos raros para crear un blanco es difícil. [ 97 ] También puede ser posible investigar canales de reacción alternativos en las mismas reacciones de fusión-evaporación inducidas por 48 Ca que pueblan los isótopos conocidos más ricos en neutrones, a saber, aquellos a una energía de excitación más baja (lo que resulta en que se emitan menos neutrones durante la desexcitación), o aquellos que involucran la evaporación de partículas cargadas ( pxn , evaporando un protón y varios neutrones, o αxn , evaporando una partícula alfa y varios neutrones). [ 98 ] Esto puede permitir la síntesis de isótopos enriquecidos en neutrones de los elementos 111–117. [ 99 ] Aunque las secciones transversales predichas son del orden de 1–900 fb , más pequeñas que cuando solo se evaporan neutrones ( canales xn ), aún puede ser posible generar isótopos de elementos superpesados ​​que de otro modo serían inalcanzables en estas reacciones. [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] Algunos de estos isótopos más pesados ​​(como 291 Mc, 291 Fl y 291 Nh) también pueden sufrir captura electrónica (convirtiendo un protón en un neutrón) además de la desintegración alfa con vidas medias relativamente largas, desintegrándose en 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 medida hipotético, ya que aún no se han sintetizado núcleos superpesados ​​cerca de la línea de estabilidad beta y las predicciones de sus propiedades varían considerablemente entre los diferentes modelos . 1 ] [ 63 ] En 2024, un equipo de investigadores del JINR observó una cadena de desintegración del isótopo conocido289Mc como producto en elp2nde la reacción entre242Pu y50a isótopos de livermoriodeficientes en neutrones. Este fue el primer informe exitoso de un canal de salida de partículas cargadas en una reacción de fusión caliente entre un blanco de actínido y un proyectil conZ ≥ 20. [ 101 ]

El proceso de captura lenta de neutrones utilizado para producir nucleidos tan pesados ​​como el 257 Fm está bloqueado por isótopos de fermio de corta vida que experimentan fisión espontánea (por ejemplo, el 258 Fm tiene una vida media de 370  μs); esto se conoce como la "brecha del fermio" e impide la síntesis de elementos más pesados ​​en dicha reacción. Podría ser posible sortear esta brecha, así como otra región de inestabilidad predicha alrededor de A  =  275 y Z  =  104–108, en una serie de explosiones nucleares controladas con un flujo de neutrones más alto (aproximadamente mil veces mayor que los flujos en los reactores existentes) que imita el proceso astrofísico r . [ 63 ] Propuesta por primera vez en 1972 por Meldner, dicha reacción podría permitir la producción de cantidades macroscópicas de elementos superpesados ​​dentro de la isla de estabilidad; [ 1 ] El papel de la fisión en los nucleidos superpesados ​​intermedios es muy incierto y puede influir fuertemente en el rendimiento de dicha reacción. [ 86 ]

Tabla de JAEA de nucleidos hasta Z = 149 y N = 256 que muestra los modos de desintegración predichos y la línea de estabilidad beta.
Esta tabla de nucleidos utilizada por la Agencia Japonesa de Energía Atómica muestra los modos de desintegración conocidos (recuadrados) y predichos de los núcleos hasta Z  =  149 y N  =  256. Se observan regiones de mayor estabilidad alrededor de los cierres de capa predichos en N  =  184 ( 294 Ds– 298 Fl) y N  =  228 ( 354 126), separadas por un hueco de núcleos fisionables de corta vida ( t 1/2  <  1  ns; no coloreados en la tabla). [ 75 ] Los elementos 113 ( nihonio ) y 114 ( flerovio ) no habían sido nombrados por la IUPAC en el momento en que se elaboró ​​esta tabla.

También puede ser posible generar isótopos en la isla de estabilidad como el 298 Fl en reacciones de transferencia de múltiples nucleones en colisiones de baja energía de núcleos de actínidos (como el 238 U y el 248 Cm). [ 95 ] Este mecanismo de cuasifisión inversa (fusión parcial seguida de fisión, con un desplazamiento del equilibrio de masas que da como resultado productos más asimétricos) [ 102 ] puede proporcionar una vía a la isla de estabilidad si los efectos de capa alrededor de Z  =  114 son suficientemente fuertes, aunque se predice que los elementos más ligeros como el nobelio y el seaborgio ( Z  =  102–106) tendrán mayores rendimientos. [ 63 ] [ 103 ] Los estudios preliminares de las reacciones de transferencia 238 U  + 238 U y 238 U + 248 Cm no han logrado producir elementos más pesados ​​que el mendelevio ( Z = 101), aunque el mayor rendimiento en la última reacción sugiere que el uso de blancos aún más pesados, como 254 Es (si está disponible), podría permitir la producción de elementos superpesados. [ 104 ] Este resultado está respaldado por un cálculo posterior que sugiere que el rendimiento de nucleidos superpesados ​​(con Z ≤ 109) probablemente será mayor en reacciones de transferencia que utilicen blancos más pesados. [ 96 ] Un estudio de 2018 de la reacción 238 U + 232 Th en el Instituto del Ciclotrón de Texas A&M por Sara Wuenschel et al. Se encontraron varias desintegraciones alfa desconocidas que posiblemente podrían atribuirse a nuevos isótopos ricos en neutrones de elementos superpesados ​​con 104 < Z < 116, aunque se requiere más investigación para determinar inequívocamente el número atómico de los productos. [ 96 ] [ 105 ] Este resultado sugiere fuertemente que los efectos de capa tienen una influencia significativa en las secciones transversales, y que la isla de estabilidad podría alcanzarse en futuros experimentos con reacciones de transferencia. [ 105 ]             

En abril de 2026, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley anunció un método fiable para producir el elemento 116, livermorio, utilizando un haz de titanio para irradiar una lámina de plutonio. Este método podría ser útil para producir varios elementos más allá del oganesón, elemento 118. [ 106 ]

Otras islas de estabilidad

Los cierres de capa adicionales 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 los núcleos doblemente mágicos más pesados; la primera cerca de 354 126 (con 228 neutrones) y la segunda cerca de 472 164 o 482 164 (con 308 o 318 neutrones). [ 34 ] [ 75 ] [ 107 ] Los nucleidos dentro de estas dos islas de estabilidad podrían ser especialmente resistentes a la fisión espontánea y tener vidas medias de desintegración alfa medibles en años, por lo que tienen una estabilidad comparable a la de los elementos en las proximidades del flerovio . [ 34 ] También pueden aparecer otras regiones de estabilidad relativa con cierres de capa de protones más débiles en nucleidos beta-estables; Estas posibilidades incluyen regiones cercanas a 342 126 [ 108 ] y 462 154. [ 109 ] La repulsión electromagnética sustancialmente mayor entre protones en núcleos tan pesados ​​puede reducir considerablemente su estabilidad y posiblemente restringir su existencia a islas localizadas en las proximidades de los efectos de capa. [ 110 ] Esto puede tener como consecuencia el aislamiento de estas islas de la tabla principal de nucleidos , ya que los nucleidos intermedios y quizás los elementos en un "mar de inestabilidad" sufrirían fisión rápidamente y serían esencialmente inexistentes. [ 107 ] 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 líquida y, por lo tanto, sufran fisión con vidas medias muy cortas, lo que los hace esencialmente inexistentes incluso en las proximidades de números mágicos mayores. [ 108 ]

También se ha planteado la hipótesis de que en la región más allá de A  >  300, podría existir un " continente de estabilidad " completo, consistente en una hipotética fase de materia de quarks estable , compuesta por quarks que fluyen libremente hacia arriba y hacia abajo , en lugar de quarks ligados a protones y neutrones. Se teoriza que esta 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 este estado de la materia existe, posiblemente podría sintetizarse en las mismas reacciones de fusión que dan lugar a núcleos superpesados ​​normales, y se estabilizaría frente a la fisión como consecuencia de su enlace más fuerte, suficiente para superar la repulsión de Coulomb. [ 111 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Se creía que el elemento estable más pesado era el bismuto (número atómico 83) hasta 2003, cuando se observó que su único isótopo estable, el 209 Bi , sufría desintegración alfa. [ 10 ]
  2. ↑ Teóricamente es posible que otros nucleidos observablemente estables se desintegren, aunque sus vidas medias predichas son tan largas que este proceso nunca se ha observado. [ 11 ]
  3. ↑ Una región de mayor estabilidad abarca el torio ( Z  = 90) y el uranio ( Z  = 92), cuyas vidas medias son comparables a la edad de la Tierra . Los elementos intermedios entre el bismuto y el torio tienen vidas medias más cortas, y los núcleos más pesados, más allá del uranio, se vuelven más inestables con el aumento del número atómico. [ 12 ]
  4. ↑ Diferentes fuentes dan diferentes valores para las vidas medias; los valores publicados más recientemente en la literatura y en NUBASE se enumeran a modo de referencia.
  5. ↑ El 278 Bh no confirmado podría tener una vida media más larga de 11,5 minutos. [ 44 ]
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Para los elementos 109–118, el isótopo conocido de mayor duración es siempre el más pesado descubierto hasta ahora. Esto hace que parezca probable que existan isótopos no descubiertos de mayor duración entre los aún más pesados. [ 47 ]
  7. ↑ El 282 Mt no confirmado podría tener una vida media más larga de 1,1 minutos. [ 44 ]
  8. ↑ El 286 Rg no confirmado podría tener una vida media más larga de 10,7 minutos. [ 44 ]
  9. ↑ El 290 Fl no confirmado podría tener una vida media más larga de 19 segundos. [ 44 ]
  10. 1 2 Si bien tales núcleos pueden sintetizarse yregistrarse una serie de señales de desintegración, las desintegraciones más rápidas que un microsegundo pueden acumularse con señales subsiguientes y, por lo tanto, ser indistinguibles, especialmente cuando se pueden formar múltiples núcleos no caracterizados y emitir una serie de partículas alfa similares. [ 77 ] La principal dificultad radica, por lo tanto, en atribuir las desintegraciones al núcleo padre correcto , ya que un átomo superpesado que se desintegre antes de llegar al detector no se registrará en absoluto. [ 78 ]
  11. ↑ Este es un concepto distinto de la fusión hipotética a temperatura ambiente ( fusión fría ); en cambio, se refiere a reacciones de fusión con menor energía de excitación.
  12. ↑ Oganessian afirmó que el elemento 114 tendría una vida media del orden de 10 −19  s en ausencia de efectos estabilizadores en las proximidades de la isla teórica. [ 58 ]
  13. ↑ La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) define el límite de existencia nuclear en una vida media de 10⁻¹⁴ segundos ; este es aproximadamente el tiempo necesario para que los nucleones se organicen en capas nucleares y formen así un nucleido. [ 76 ]
  14. ↑ El físico israelí Amnon Marinov et al. [ 88 ] [ 89 ] afirmaronhaber observado isótopos de larga vida de roentgenio (con A  = 261, 265) y unbibio ( A  =, aunque las evaluaciones de la técnica empleada y las búsquedas posteriores sin éxito generan considerables dudas sobre estos resultados. [ 52 ] [ 90 ] 

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