¿Dónde termina la tabla periódica de los elementos químicos y qué procesos conducen a la existencia de elementos pesados?
Estudio del fermio en el GSI/FAIR - Los investigadores estudian las propiedades nucleares del elemento 100 con luz láser
Un equipo internacional de investigadores informa sobre los experimentos realizados en el acelerador GSI/FAIR y en la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia para acercarse a una respuesta. Los investigadores han estudiado la estructura de núcleos atómicos de fermio (elemento 100) con distintos números de neutrones. Utilizando técnicas de espectroscopia láser de vanguardia, trazaron la evolución del radio de carga nuclear y descubrieron un aumento constante a medida que se añadían neutrones a los núcleos. Esto indica que los efectos localizados de la envoltura nuclear tienen una influencia reducida en el radio de carga nuclear de estos núcleos pesados. Los resultados se publicaron en la revista científica Nature.
Los elementos distintos del uranio (elemento 92), como por ejemplo el fermio (elemento 100), no se encuentran de forma natural en la corteza terrestre. Para poder estudiarlos, hay que producirlos artificialmente. Son el puente entre los elementos naturales más pesados y los denominados elementos superpesados, que comienzan en el elemento 104. Los elementos superpesados deben su existencia a los efectos estabilizadores de la envoltura de la mecánica cuántica, que añaden unas dos milésimas de la energía total de enlace nuclear. Aunque su contribución es pequeña, resulta decisiva para contrarrestar las fuerzas de repulsión entre los numerosos protones cargados positivamente.
Los efectos mecánicos cuánticos inducidos por los componentes básicos de los núcleos atómicos, los protones y neutrones, que juntos forman el núcleo, se explican mediante el modelo de la envoltura nuclear. Al igual que en los átomos, donde las envolturas de electrones llenas conducen a la estabilidad química y la inercia, los núcleos con envolturas nucleares llenas (que contienen los llamados números "mágicos" de protones/neutrones) muestran una mayor estabilidad. En consecuencia, sus energías de enlace nuclear y sus tiempos de vida aumentan. En los núcleos más ligeros, se sabe que las envolturas nucleares llenas también influyen en las tendencias de los radios de carga nuclear.
Mediante métodos de espectroscopia láser pueden analizarse cambios sutiles en la estructura atómica, que a su vez proporcionan información sobre propiedades nucleares como el radio de carga nuclear, es decir, la distribución de protones en el núcleo atómico. Los estudios de varios núcleos atómicos del mismo elemento, pero con distinto número de neutrones, han revelado un aumento constante de este radio, a menos que se cruce un número mágico. Entonces, se observa un pliegue, ya que la pendiente del aumento radial cambia en el cierre de la envoltura. Este efecto se observó en núcleos atómicos esféricos más ligeros, hasta el plomo.
Nuevos conocimientos sobre la estructura nuclear de los núcleos pesados
"Utilizando un método basado en láser, investigamos núcleos atómicos de fermio, que poseen 100 protones y entre 145 y 157 neutrones. En concreto, estudiamos la influencia de los efectos mecánicos cuánticos de la envoltura en el tamaño de los núcleos atómicos. Esto permitió arrojar luz sobre la estructura de estos núcleos en el rango alrededor del conocido efecto de cáscara en el número de neutrones 152 desde una nueva perspectiva", explica el Dr. Sebastian Raeder, portavoz del experimento en GSI/FAIR. "En este número de neutrones, la firma del cierre de una envoltura neutrónica se observó previamente en las tendencias de la energía de enlace nuclear. La fuerza del efecto cáscara se midió mediante mediciones de masa de alta precisión en GSI/FAIR en 2012. Como la masa es equivalente a la energía según Einstein, estas mediciones de masa dieron pistas sobre la energía de enlace adicional que proporciona el efecto de envoltura. Los núcleos atómicos en torno al número de neutrones 152 son un banco de pruebas ideal para estudios más profundos, ya que tienen una forma más parecida a la de un balón de rugby que a la de una esfera. Esta deformación permite que los numerosos protones de sus núcleos estén más separados que en un núcleo esférico".
Para las mediciones actuales, una colaboración internacional de 27 institutos de siete países examinó isótopos de fermio con tiempos de vida que oscilaban entre unos pocos segundos y cien días, utilizando diferentes métodos para producir los isótopos de fermio y mediante desarrollos metodológicos en las técnicas de espectroscopia láser aplicadas. Los isótopos de vida corta se produjeron en el acelerador GSI/FAIR, y en algunos casos sólo se disponía de unos pocos átomos por minuto para los experimentos. Para sondearlos, se utilizó un método de espectroscopia láser adaptado que los investigadores habían desarrollado hace unos años para mediciones en isótopos de nobelio. Los núcleos producidos se detuvieron en gas argón y captaron electrones para formar átomos neutros, que luego se sondearon con luz láser.
Los isótopos de fermio ricos en neutrones y de larga vida (fermio-255, fermio-257) se produjeron en cantidades de picogramos en el Oak Ridge National Laboratory de Oak Ridge (EE.UU.) y en el Institut Laue-Langevinde Grenoble (Francia). En la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) se realizó una preparación radioquímica de las muestras. Utilizando un método diferente, se evaporaron posteriormente en un depósito y se examinaron en vacío con luz láser.
La luz láser de una longitud de onda adecuada eleva un electrón del átomo de fermio a un orbital superior y, a continuación, lo extrae completamente del átomo, formando un ion de fermio, que puede detectarse eficazmente. La energía exacta necesaria para este proceso gradual de formación de iones varía con el número de neutrones. Este pequeño cambio en la energía de excitación se midió para obtener información sobre el cambio de tamaño de los núcleos atómicos.
Predominio de las propiedades macroscópicas
Las investigaciones proporcionaron información sobre los cambios del radio de carga nuclear en los isótopos de fermio a lo largo del número de neutrones 152 y mostraron un aumento constante y uniforme. La comparación de los datos experimentales con diversos cálculos realizados por socios de la colaboración internacional utilizando modelos teóricos modernos de física nuclear permite interpretar los efectos físicos subyacentes. A pesar de los diferentes métodos de cálculo, todos los modelos concuerdan entre sí y con los datos experimentales.
"Nuestros resultados experimentales y su interpretación con métodos teóricos modernos muestran que en los núcleos de fermio, los efectos de la envoltura nuclear tienen una influencia reducida en los radios de carga nuclear, en contraste con la fuerte influencia en las energías de enlace de estos núcleos", afirma la Dra. Jessica Warbinek, estudiante de doctorado en GSI/FAIR y JGU en el momento de los experimentos y primera autora de la publicación. "Los resultados confirman las predicciones teóricas de que los efectos locales de la envoltura, que se deben a pocos neutrones y protones individuales, pierden influencia cuando aumenta la masa nuclear. En su lugar, dominan los efectos que deben atribuirse al conjunto completo de todos los nucleones, viéndose los núcleos más bien como una gota líquida cargada".
Las mejoras experimentales del método allanan el camino para nuevos estudios espectroscópicos láser de elementos pesados en la región alrededor y más allá del número de neutrones 152 y representan un paso hacia una mejor comprensión de los procesos de estabilización en elementos pesados y superpesados. Los avances en curso prometen que los estudios futuros podrán revelar también efectos débiles de la estructura de la envoltura nuclear, que, sin embargo, están en el corazón de la existencia de los elementos más pesados conocidos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Jessica Warbinek, Elisabeth Rickert, Sebastian Raeder, Thomas Albrecht-Schönzart, Brankica Andelic, Julian Auler, Benjamin Bally, Michael Bender, Sebastian Berndt, Michael Block, ... Petra Thörle-Pospiech, Norbert Trautmann, Mitzi Urquiza-González, Kenneth van Beek, Shelley Van Cleve, Piet Van Duppen, Marine Vandebrouck, Elise Verstraelen, Thomas Walther, Felix Weber, Klaus Wendt; "Smooth trends in fermium charge radii and the impact of shell effects"; Nature, Volume 634, 2024-10-30
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la química en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de química, análisis, laboratorio y tecnología de procesos le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
