i-2c. la síntesis de los elementos superpesados

El ao 1896 se produjo un cambio radical en la estructura de conocimiento de la fsica. An-toine Henri Becquerel (1852-1908), profesor del Museo Nacional de His-toria Natural de Pars, observ hacia finales de febrero de aquel ao que las sales de uranio emitan una radiacin que era capaz de velar las placas fo-togrficas y de atravesar incluso hojas metlicas. Ese descubrimiento de la radiactividad en sustancias naturales fue el origen de una nueva rama del conocimiento: la fsica nuclear.

Conviene recordar que hubo que es-perar hasta mediados del siglo pasado para que se llegase al convencimiento de que la materia est formada por componentes diminutos, los tomos y las molculas. Los tomos (del griego atomos, que significa indivi-sible) de los elementos qumicos de-ban poseer adems unas dimensiones y una masa fijas, para que no les afectasen las transiciones qumicas. El descubrimiento de Becquerel origin un enorme nmero de trabajos de investigacin, en los que qued pa-tente que los tomos no siempre son indivisibles, sino que por el contrario se descomponen a veces en unidades ms pequeas.

Al principio los nicos metales pesados conocidos que tenan esta

propiedad eran el uranio y el torio. Pero la pareja cientfica constituida por Marie (1867-1934) y Pierre Curie (1859-1906) fue capaz de identificar dos nuevos elementos radiactivos, a saber, el polonio y el radio, ya en 1898, en muestras de pechblenda uranfera. Hasta 1940 se haban encontrado otros cinco elementos inestables: astato, radn, francio, actinio y protoactinio. Pudieron as rellenarse los vacos que haba en la tabla peridica de los elementos entre el bismuto, el elemento estable ms pesado (al que inicialmente se denominaba wismuto), y el uranio, que era el elemento radiactivo natural ms pesado.

En esa poca pionera de la fsica nuclear el perodo de la radiacti-vidad se puso de manifiesto que los tomos poseen un ncleo cargado positivamente y que est rodeado por una envoltura de electrones negativos, de tal forma que para un observador exterior aparecen como neutros. El ncleo est constituido por dos com-ponentes bien diferenciados de masa muy similar: los protones, que son positivos, y los neutrones, que son neutros; pese a la fuerza de repul-sin elctrica entre los protones, el ncleo atmico se mantiene como un todo, debido a que entre todos sus componentes denominados nucleo-nes existe una fuerza de atraccin muy intensa que acta a muy cortas distancias.

Las propiedades qumicas de los elementos estn determinadas por el nmero de los electrones de las capas (que en total es idntico al nmero de protones del ncleo, el llamado nmero de orden o nmero atmico, Z). Su peso atmico, por el contrario, lo determina el nmero de protones y de neutrones. Ncleos de un mismo

elemento pueden pues contener dis-tinto nmero de neutrones; se dice que constituyen istopos distintos, que son qumicamente idnticos pero que se distinguen por el nmero de nucleones y, por ende, en el peso atmico. Mientras que los ncleos ligeros contienen aproximadamente el mismo nmero de protones que de neutrones, los pesados poseen muchos ms de estos ltimos.

Algunos istopos son me-nos estables que otros y pueden descomponerse mediante la emisin radiactiva, para acomodarse en con-figuraciones ms estables. Tal hecho sucede bien por emisin de una par-tcula alfa (un ncleo de helio) o por conversin de un neutrn en un protn, con emisin por parte del ncleo de un electrn y un antineutrino. Ambos procesos de desintegracin, denomi-nados alfa y beta, respectivamente, modifican el nmero de protones del ncleo. En consecuencia se origina siempre un nuevo elemento, el cual puede que a su vez sea inestable y siga descomponindose.

Sntesis de elementos

Esa nueva comprensin bsica de la constitucin de los tomos condujo a una segunda etapa de la fsica nuclear, denominada perodo de los neutrones en la sntesis de elementos. Los neutrones pueden in-troducirse libremente en los ncleos atmicos y provocar en ellos transi-ciones nucleares. Esta posibilidad fue ya investigada por el fsico italiano Enrico Fermi (1901-1954) muy poco despus del descubrimiento del neu-trn por su colega britnico James Chadwick (1891-1974), en el ao 1932. Mediante la absorcin de un neutrn y la consiguiente emisin

PETER AMBRUSTER dirige desde 1971 la Sociedad para la Investigacin de Iones Pesados de Darmstad (GSI). Estudi en las Escuelas Tcnicas Su-periores de Stuttgart y Munich, donde se doctor y posteriormente habilit, en 1964. Como director del departa-mento de Qumica Nuclear ha parti-cipado de modo fundamental en los trabajos de sntesis de los elementos 107 a 112.

La sntesis de los elementos superpesados

Ciertos efectos observados en la estructura de los ncleos, junto con una

tcnica experimental de primera lnea, han posibilitado producir los ele-

mentos de nmeros atmicos 107 al 112

Peter Armbruster

60 INVESTIGACIN Y CIENCIA, noviembre, 1998

INVESTIGACIN Y CIENCIA, noviembre, 1998 61

beta el ncleo gana un protn, por lo que como elemento salta un pel-dao hacia arriba en la ordenacin por nmero atmico.

Fermi propuso en 1934 que por este procedimiento podra intentarse construir elementos ms pesados que el uranio (Z = 92). Diversos grupos de investigadores tomaron la idea en serio. En Berln, por ejemplo, la fsica Lise Meitner (1878-1968) junto con los qumicos Otto Hahn (1879-1968) y Fritz Strassmann (1902-1980) ini-ciaron la bsqueda de tales elementos transurnidos, mediante la irradiacin de uranio con neutrones procedentes de una fuente (usual por aquel en-tonces) de radio-berilio. Luego ana-lizaban los productos de la reaccin por mtodos radioqumicos. Hahn y Strassmann consiguieron demostrar en diciembre de 1938 que con tales intentos haban conseguido obtener

bario (Z = 56). Meitner, que haba huido a Suecia durante el verano de aquel ao, y su sobrino, el fsico Otto Frisch (1904-1979), comprobaron que tal resultado era correcto, es decir que, en lugar de obtener un elemento ms pesado, el ncleo de uranio se parta en dos pedazos ms ligeros por efecto del bombardeo con neutrones lentos.

El hecho de que en la fisin de los ncleos de uranio se emitiese una gran cantidad de energa y el de que se liberasen dos neutrones, que podan originar nuevas fisiones, hizo posible la construccin de reactores, en los que dicho proceso tena lugar de una manera controlada, as como tambin la construccin de artefactos nucleares y de bombas, que hicieron uso incontrolado del efecto de alud de la reaccin en cadena que se pro-duce, consiguiendo su detonacin y

una potencia destructiva desconocida hasta entonces.

Un papel fundamental en el pro-ceso que estamos describiendo lo desempe el ciclotrn de Lawrence, desarrollado en la Universidad de California en Berkeley, en 1931, por el fsico Ernest O. Lawrence (1901-1958). Emilio Segr (1905-1989) y sus colaboradores ya haban con-seguido producir mediante tal apa-rato el primer elemento artificial, el tecnecio (Tc, Z = 43), en 1937 y en Roma, irradiando una muestra de molibdeno con deuterones. Edwin McMillan (1907-1991) y Philip H. Abelson descubrieron en Berkeley, en 1940, el primer elemento tran-surnido, el neptunio (Np, Z = 93), en una muestra de uranio irradiada con neutrones. Al ao siguiente y en el mismo laboratorio, un grupo liderado por Glenn T. Seaborg obtuvo

1. ENERGIA DE LAS CAPAS de los ncleos atmicos ms pesados que el ncleo de plomo (nmero de protones Z = 82), calculada tericamente. De acuerdo con el modelo de gota, todos los tomos de ms de unos 100 protones seran inestables, desintegrndose espontneamente una vez producidos. Sin embargo, la energa que liga los protones y los neutrones de los tomos superpesados depende tambin de efectos mecnico-cunticos, lo que conduce a que estos nucleones posean niveles de energa discretos. Esta energa de ca-pa es negativa, ya que estabiliza el ncleo. Cuando una capa est completamente llena de nucleones, slo es posible un cambio de su

estado si se aporta una cantidad de energa suficiente para superar el salto hasta un nivel de energa superior. La energa de capa se representa en esta grfica debida a Peter Moller, 1993 como las curvas de nivel de un mapa topogrfico. El efecto de estabilizacin es mximo en las hondonadas profundas (color violeta), como es el caso del plomo-208 (Z = 82, N = 126) y de las cercanas del ncleo super-pesado hipottico 298114 (Z = 114, N = 184). Se halla otra depresin de estabilidad realzada para Z = 106 y N = 162. Con puntos rojos se sealan los ncleos sintetizados por el Instituto de Investigacin en Iones Pesados de Darmstadt.

190

180

170

160

150

140

130

120

110

80

90

100

110

120

10

5

0

277 112

NUMERO

DE NEU

TRONES

, N

NUMERO

DE PROTONES, Z

EN

ER

GIA

DE

LA

CA

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ILLO

NE

S D

E E

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VO

LT)


el siguiente elemento de la escala, el plutonio (Pu, Z = 94).

Despus de la construccin por Fermi, Leo Szilard (1898-1964) y sus colaboradores del primer reactor nuclear, en 1942, pudo producirse plu-tonio en grandes cantidades. Merced a su irradiacin con neutrones, deu-terones y partculas alfa se esperaba que pudiesen sintetizarse elementos transurnidos. Sin embargo, la detec-cin qumica de los nuevos elementos result muy difcil. Se consigui su-perar esta situacin cuando Seaborg demostr que los transurnidos eran miembros de una nueva familia, los actnidos, de propiedades qumicas similares a la de los lantnidos. Fi-nalmente, en 1944, su grupo pudo encontrar el americio (Am, Z = 95) y el curio (Cm, Z = 96).

Dos istopos de estos nuevos ele-mentos el americio 241 y el cu-rio 242 fueron producidos en un reactor en cantidades suficientes e irradiados luego en el ciclotrn con partculas alfa. Con ello se produjeron dos nuevos elementos, que pudieron ser aislados radioqumicamente en diciembre de 1949 y febrero de 1950, a saber, el berkelio (Bk, Z = 97) y el californio (Cf, Z = 98).

Pese a la bsqueda sistemtica de nuevos elementos transurnidos que

se llev a cabo, los dos siguientes, el einstenio (Es, Z = 99) y el fermio (Fm, Z = 100), se descubrieron de manera inesperada en los desechos de la explosin de la bomba de hidrgeno experimental Mike, que los Estados Unidos detonaron en el Pacfico en 1952. Investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne, cerca de Chicago, y de Berkeley, entre los que volva a encontrarse Seaborg, as como Albert Ghiorso, los descubrieron investigando muestras de polvo acumuladas en los filtros de aire de aviones que sobrevolaron la zona. El inmenso flujo de neutrones de la reaccin de fusin haba formado ncleos de uranio tan enormemente ricos en neutrones que, por medio de sucesivas desintegraciones beta, se haban obtenido elementos posteriores al californio.

Estos ocho transurnidos se produ-jeron luego por el mtodo de Fermi (combinacin de la captura de neu-trones y la desintegracin beta) en cantidades que pudieron pesarse en el laboratorio. La cantidad de plutonio que hay ahora en el mundo es de varios miles de toneladas, mientras que la de fermio es de tan slo una millonsima de gramo (unos 1010 tomos). No es slo el elemento ms raro y escaso que puede sintetizarse

mediante bombardeo con neutrones, sino tambin el ms pesado. Ninguno de sus istopos consigue transfor-marse mediante desintegracin beta en otro elemento de nmero de orden ms elevado. Para producir elementos transferminidos la tcnica de bom-bardeo con neutrones no resulta de ninguna utilidad y debe hacerse uso de proyectiles ms pesados.

Aceleradores

Se pens entonces en producir cantidades suficientes de los act-nidos ms pesados en reactores de flujo elevado y en bombardearlos luego con iones diversos desde partculas alfa hasta oxgeno en un acelerador. Esta idea supuso sin embargo un gran reto a la tcnica experimental, dado que la fusin de dos ncleos cargados tiene muchas desventajas prcticas, si se compara con la captura de neutrones.

Para empezar, hay que superar la barrera de Coulomb, que es la re-pulsin electrosttica que se produce entre dos ncleos cargados, lo que slo se consigue si el choque es central y se produce con extraordinaria energa. Por otra parte, cuando el ncleo blanco se fusiona con el ion acelerado, adquiere una energa de

Sntesis de elementos por fusin de ncleos pesados, utilizados como blancos, al ser bombardeados con ncleos ligeros

Sntesis de elementos superpesados usando fusin suave

Antoine Henri Becquerel (izquierda) descubri en 1896 la radiactividad natural. Fueron, sin embargo, Marie Curie y su esposo Pierre quienes investigaron sistemticamente este fenmeno hasta que terminaron por encon-trar en las muestras uranferas dos nuevos elementos radiactivos: el polonio y el radio. Los tres investigadores fueron galardonados con el premio Nobel de fsica de 1903 por su explicacin del fenmeno de la radiactividad. Marie Curie obtuvo adems el premio Nobel de qumica por su descubrimiento de los elementos polonio y radio.

Enrico Fermi (derecha, premio Nobel en 1938) propuso en 1934 el bombardeo de uranio con neutrones como mtodo para la produccin de elementos ms pesados. En 1942 construy con sus colaboradores el primer reactor nuclear.

Con el mtodo propuesto por Fermi y el ciclotrn de 60 pulgadas de la Universidad de California en Berke-ley (derecha) se sintetizaron siete elementos transurnidos: neptunio, plutonio, americio, curio, berkelio, californio y mendelevio. Por bom-bardeo de actinio con iones ligeros se consigui tambin producir los elementos hasta Z = 106, en Ber-keley y Dubna (Rusia).

1908: Radn (Z = 86)

1940: Astato (Z = 85) Neptunio (Z = 93)

1941: Plutonio (Z = 94)

1944: Americio (Z = 95) Curio (Z = 96)

1950: Californio (Z = 98)

1949: Berkelio (Z = 97)

1952: Einstenio (Z = 99), Fermio (Z = 100)

1955: Mendelevio (Z = 101)

1965: Nobelio (Z = 102), Lawrencio (Z = 103)

1982: Meitnerio (Z = 109)

1984: Hassio (Z = 108)

1994: Elemento 110, Elemento 111

1996: Elemento 112

1981: Bohrio (Z = 107)

1974: Seaborgio (Z = 106)

1970: Dubnio (Z = 105)

1969: Rutherfordio (Z = 104)

Perodo de la radiactividad Perodo de los neutrones en la sntesis de elementos

1939: Francio (Z = 87)

1917: Protoactinio (Z = 91)

1 9 3 8 : Otto Hahn (premio Nobel de qu-mica en 1944) y Fritz Strassmann descubrieron la desintegracin del uranio inducida por neutrones.1 9 1 3 :

Frederick Soddy (premio Nobel de qumica en 1921) introduce el concepto de istopo y explica de esta forma los distintos semiperodos observados para un mismo elemento.

1899: Actinio (Z = 89)

1896 1940 1952 1996

1898: Polonio (Z = 84), Radio (Z = 88)

El acelerador lineal UNILAC del Instituto de Investiga-cin en Iones Pesados de Darmstadt (derecha) junto con una tcnica de reco-nocimiento muy elaborada propiciaron la sntesis de los elementos superpesa-dos mediante fusin suave. Aqu se produjeron los ele-mentos 107 al 112.

1974

2. LOS CUATRO PERIODOS de los elementos radiactivos. El uranio y el torio ya se conocan desde 1789 y 1828, res-pectivamente. En 1896 Antoine Henri Becquerel descubri la radiactividad del uranio. El matrimonio formado por Marie y Pierre Curie encontr esta misma propiedad en el torio, des-cubriendo en 1898 dos nuevos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Hasta 1940 se fueron descubriendo todos los ele-

mentos entre el bismuto y el uranio, situados consecutivamente en las cadenas de desintegracin de los istopos primordiales torio 232, uranio 235 y uranio 238. Tras la construccin del ciclotrn en 1931 por Ernest O. Lawrence (premio Nobel de fsica en 1939) y el descubrimiento del neutrn en 1932 por parte de James Chadwick (premio Nobel de fsica en 1935), as como gracias a los trabajos conducentes a la construccin

excitacin muy superior a la que se produce en el caso de la absorcin de un neutrn. Cierto es que esta energa puede que se disipe por la expulsin de uno o ms neutrones, pero lo ms probable es que se pro-duzca la desintegracin espontnea del ncleo en dos. Es decir, que las posibilidades de construir un nuevo ncleo en un reactor de fusin son mucho ms pequeas que en el caso de la captura de neutrones.

No es fcil manejar, por otro lado, haces de iones pesados de la misma intensidad que los de neutrones. La mayora de los iones descarga adems su energa en una primera capa del-gada del material, no siendo capaces de irradiar una muestra voluminosa. Y la grandsima energa de los pro-yectiles puede hacer que el blanco se caliente ms de lo tolerable.

En vista de tales dificultades, ade-ms de construir nuevos ciclotrones, se empez a pensar en utilizar ace-leradores lineales para poder llevar a cabo con xito estos intentos de sntesis. Como fuera que los expe-rimentos requeran el empleo de los actnidos ms pesados, slo pudieron realizarse en los estados poseedores de armas nucleares, que disponan de plantas de produccin en cantidades suficientes. Dos fueron los centros de

investigacin que pusieron manos a la obra, pertenecientes a los dos estados rivales en la poca de la guerra fra: la Universidad de California en Berkeley y el Instituto Unido de Investigacin Nuclear de Dubna.

Ya en 1955 se consigui en Ber-keley la produccin del elemento mendelevio (Md, Z = 101), por irra-diacin de 109 tomos del istopo einstenio 253 con partculas alfa. Para la confirmacin del elemento se usa-ron por primera vez procedimientos radioqumicos que permiten detectar la presencia de tomos individuales. De 1961 a 1974 se produjeron entre Berkeley y Dubna, y mediante el uso de iones pesados como proyectiles, cinco elementos ms, hasta el de nmero de orden 106: el nobe-lio (No, Z = 102), el lawrencio (Lr, Z = 103), el rutherfordio (Rf, Z = 104), el dubnio (Db, Z = 105) y el seabor-gio (Sg, Z = 106). La intensidad de la confrontacin de los dos grupos en aquella poca la testimonia el hecho de que durante tiempo se discutiera sobre la prioridad de tales descubrimientos y sobre los nombres dados a los elementos. La cuestin qued aclarada con la resolucin de la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada que sancion los nombres que aparecen arriba.

Desde el punto de vista terico y con anterioridad a los aos cincuenta nada haca presumir que los elemen-tos ms all del fermio pudiesen ser sintetizados jams. El modelo aceptado hasta entonces era que los ncleos atmicos estaban formados por los nucleones individuales, del mismo modo que una gota lquida est constituida por tomos (el llamado modelo de la gota lquida) y conforme a l se explicaban hechos como la captura de neutrones o la fisin del ncleo inducida por neutrones. Otra consecuencia que se derivaba de este modelo era que los ncleos cuyo nmero de orden fuese superior a 100 tenan que desintegrarse espont-neamente.

Otto Haxel y Hans E. Suess haban observado que hay ciertos nmeros de protones, Z, y de neutrones, N, que se encuentran muy representados en los ncleos naturales, deduciendo que sus energas de ligadura tendran que ser mayores que en el caso de los restantes. Algo parecido se saba ya de la estructura de las capas atmicas, en que los efectos mecnico-cunticos hacen que los electrones ocupen deter-minadas capas de energa, estructura que se traduce luego directamente en la ordenacin precisa de los elementos en la tabla peridica y que tambin


Sntesis de elementos por fusin de ncleos pesados, utilizados como blancos, al ser bombardeados con ncleos ligeros

Sntesis de elementos superpesados usando fusin suave

Antoine Henri Becquerel (izquierda) descubri en 1896 la radiactividad natural. Fueron, sin embargo, Marie Curie y su esposo Pierre quienes investigaron sistemticamente este fenmeno hasta que terminaron por encon-trar en las muestras uranferas dos nuevos elementos radiactivos: el polonio y el radio. Los tres investigadores fueron galardonados con el premio Nobel de fsica de 1903 por su explicacin del fenmeno de la radiactividad. Marie Curie obtuvo adems el premio Nobel de qumica por su descubrimiento de los elementos polonio y radio.

Enrico Fermi (derecha, premio Nobel en 1938) propuso en 1934 el bombardeo de uranio con neutrones como mtodo para la produccin de elementos ms pesados. En 1942 construy con sus colaboradores el primer reactor nuclear.

Con el mtodo propuesto por Fermi y el ciclotrn de 60 pulgadas de la Universidad de California en Berke-ley (derecha) se sintetizaron siete elementos transurnidos: neptunio, plutonio, americio, curio, berkelio, californio y mendelevio. Por bom-bardeo de actinio con iones ligeros se consigui tambin producir los elementos hasta Z = 106, en Ber-keley y Dubna (Rusia).

1908: Radn (Z = 86)

1940: Astato (Z = 85) Neptunio (Z = 93)

1941: Plutonio (Z = 94)

1944: Americio (Z = 95) Curio (Z = 96)

1950: Californio (Z = 98)

1949: Berkelio (Z = 97)

1952: Einstenio (Z = 99), Fermio (Z = 100)

1955: Mendelevio (Z = 101)

1965: Nobelio (Z = 102), Lawrencio (Z = 103)

1982: Meitnerio (Z = 109)

1984: Hassio (Z = 108)

1994: Elemento 110, Elemento 111

1996: Elemento 112

1981: Bohrio (Z = 107)

1974: Seaborgio (Z = 106)

1970: Dubnio (Z = 105)

1969: Rutherfordio (Z = 104)

Perodo de la radiactividad Perodo de los neutrones en la sntesis de elementos

1939: Francio (Z = 87)

1917: Protoactinio (Z = 91)

1 9 3 8 : Otto Hahn (premio Nobel de qu-mica en 1944) y Fritz Strassmann descubrieron la desintegracin del uranio inducida por neutrones.1 9 1 3 :

Frederick Soddy (premio Nobel de qumica en 1921) introduce el concepto de istopo y explica de esta forma los distintos semiperodos observados para un mismo elemento.

1899: Actinio (Z = 89)

1896 1940 1952 1996

1898: Polonio (Z = 84), Radio (Z = 88)

El acelerador lineal UNILAC del Instituto de Investiga-cin en Iones Pesados de Darmstadt (derecha) junto con una tcnica de reco-nocimiento muy elaborada propiciaron la sntesis de los elementos superpesa-dos mediante fusin suave. Aqu se produjeron los ele-mentos 107 al 112.

1974

de la primera bomba atmica norteamericana, la fsica nuclear se desarroll de una manera formidable. Investigadores de Berkeley (California) sintetizaron uno tras otro los elementos neptunio, plutonio, americio, curio, berkelio y californio. Los dos elementos siguientes, einstenio y fermio, fueron descubier-tos en 1952, en los desechos de una explosin termonuclear. Haciendo reaccionar los actnidos ms pesados producidos en

el laboratorio con iones ligeros, pudo ampliarse el sistema peridico hasta el elemento 106. Los elementos ms pesados an slo pueden ser producidos mediante una fusin suave de ncleos estables de plomo o de bismuto con iones sintticos semipesados. Entre los aos 1981 y 1996 se descubrieron de esta forma en el GSI de Darmstadt los elementos ms pesados que se conocen: del 107 al 112.

explica la estabilidad de que gozan los gases nobles frente a cualquier tipo de reaccin qumica.

Siguiendo esta analoga, Maria Goeppert-Mayer (1906-1972) y Hans D. Jensen (1907-1973) desarrollaron, cada uno por su parte, el modelo de capas de los ncleos atmicos (por el cual obtuvieron el Premio Nobel de Fsica en 1963), gracias al que consiguieron explicar cules son los nmeros de protones y de neutrones que hacen que una capa est totalmente ocupada. Ello su-cede en el caso de los elementos helio (Z = 2), oxgeno (Z = 8), calcio (Z = 20), nquel (Z = 28), cinc (Z = 50) y plomo (Z = 82), y para los dems ncleos que tengan el mismo nmero de neutrones. Ulteriores capas ce-rradas son consecuencia de clculos adicionales dentro del modelo, y se producen para Z = 114 as como para N = 126 y N = 184. Los ncleos ms estables son los llamados istopos doblemente mgicos, como el helio 4 (Z = 2, N = 2), oxgeno 16 (Z = 8, N = 8), calcio 40 (Z = 20, N = 28) y plomo 208 (Z = 82, N = 126).

Los efectos mecnico-cunticos de la construccin de las capas impli-caban que quiz los ncleos fuesen ms estables de lo que el modelo de la gota lquida permita esperar. As, en 1966 y tras realizar los clculos consiguientes, se observ que era

posible que ms all de la frontera de estabilidad predicha por el modelo de la gota lquida, que se situaba en el fermio (Z = 100), existiera una denominada isla de estabilidad. Se conjeturaron para el istopo 298114 (Z = 114, N = 184), cuya configuracin es doblemente mgica, como la del plomo-208, propiedades parecidas a las de ste. Tal fue el origen de la idea de los elementos superpesados, que inst la explicacin de las pro-piedades generales y la estabilidad de unos elementos que an estaban por descubrir.

Sntesis de elementos por medio de fusin suave

En una tal situacin y hacia mediados de los aos sesenta, Chris-toph Schmelzer propuso la construc-cin en Alemania de un acelerador de iones de usos generales. Esta instalacin debera permitir tambin la investigacin sistemtica de todo tipo de reacciones nucleares que pu-diesen contribuir a la produccin de elementos superpesados.

La oportunidad que tuvieron los fsicos nucleares alemanes de in-troducirse en este tipo de investi-gaciones, dominadas hasta entonces por cientficos americanos y rusos, cristaliz en diciembre de 1969 con la constitucin del Instituto de Inves-

tigacin en Iones Pesados (GSI) en Darmstadt. En 1975 se instal all el acelerador de iones superpesados UNILAC (Acelerador Universal Lineal), concebido por Schmelzer. Se trataba del primer aparato de esta clase en el que era posible la aceleracin de todo tipo de iones, incluidos los de uranio, a una energa adecuada y de una manera gradual.

Una de las metas de tal inves-tigacin era la de alcanzar la isla de elementos estables superpesados tericamente pronosticada, la cual se hallara separada del continente de los istopos conocidos mediante lo que podramos denominar un pantano de ncleos que se desintegraran espon-tneamente, situados en la regin de Z comprendido entre 104 y 112. Sin embargo, lo primero era encontrar el sendero que condujese hasta estos lu-gares. Hasta qu punto seran fiables las predicciones tericas a la hora de disear los experimentos que condu-jesen a tal meta? Deba continuarse empleando los mtodos tradicionales, ms seguros, o sera mejor pensar en nuevos procedimientos, con el riesgo evidente de equivocarse o, cuando menos, de llegar a la meta mucho ms tarde que los competidores in-ternacionales?

Al principio todo pareca muy pro-metedor. Los hipotticos elementos superpesados deban tener vidas me-dias grandes, comparables a las del uranio y del torio, as como grandes secciones eficaces de produccin, de unos 1025 centmetros cuadrados, de modo que deba ser posible produ-cirlos en cantidades apreciables. Se obtendran as probablemente nuevos componentes qumicos, nuevos mate-riales cuyas aplicaciones investigar, nuevos tomos para la fsica atmica y nuevos combustibles para explorar tcnicas nucleares de generacin de energa. Una gran seccin eficaz de produccin posibilitara el desarrollo a largo plazo de nuevos mtodos; la sensibilidad, la selectividad y la velocidad de las tcnicas experimen-tales al uso parecan suficientes para lograr tal objetivo.

Tras un tiempo de experimentacin y bsqueda internacional, incluido el uso del UNILAC, ya a principios de los aos ochenta se vio que la produccin de elementos superpesados era difcil y que stos se desintegraban con vidas medias muy cortas. Todos los intentos de sntesis por fusin nuclear o mediante reacciones inelsticas, de elementos superpesados, o de bs-queda de los mismos en la propia naturaleza fracasaron por completo.


Seccin eficaz

Para describir cuantitativamente la probabilidad de que se produzca una reaccin entre dos partculas se utiliza el concepto de seccin eficaz. Esta magnitud representa precisamente la superficie que las par-tculas se ofrecen entre s con vistas a la reaccin considerada difusin (scattering) o absorcin, por ejemplo. Puede ser mayor o menor que la superficie geomtrica de las partculas en cuestin.

Este modelo tambin puede emplearse para representar la produccin de un nuevo elemento por fusin de dos ncleos atmicos ms ligeros: a cada uno de los ncleos blanco se le asigna una superficie, que sera como la parte negra de la diana que presenta, y cuya magnitud se elige de tal modo que la fusin slo se produce si el proyectil da en ella. Tal superficie es entonces la seccin eficaz de produccin.

La superficie geomtrica de un ncleo de plomo es algo superior a los 1024 centmetros cuadrados. Aunque la seccin eficaz para la pro-duccin de transurnidos por captura de neutrones es superior a ese valor, la seccin eficaz de produccin usando partculas alfa es inferior. Para las reacciones de fusin destinadas a producir iones pesados de rdenes superiores, mediante iones acelerados ligeros o semipesados, las secciones eficaces de produccin se van haciendo cada vez ms pequeas de manera muy rpida; para la fusin del elemento ms pesado conocido hasta la fecha, el 112, se obtiene un valor de tan slo 1036 centmetros cuadrados. Si se tiene en cuenta la magnitud del ncleo blanco, la relacin es comparable a la que hay entre un milmetro y un kilmetro cuadrados.

Que pudiese hacerse qumica alguna con este tipo de elementos se de-mostr imposible, debido a que sus vidas medias eran demasiado breves y las secciones eficaces de produccin demasiado pequeas. Para la fsica qued claro que todas las uniones nucleares resultantes de tales reac-ciones estaban tan excitadas que se

produca su desintegracin espont-nea. En procesos de produccin tan calientes como stos es imposible que se establezca orden alguno en la estructura nuclear, como el que sera imprescindible para conseguir su estabilizacin de acuerdo con la teora de capas; y antes de conseguir el enfriamiento del ncleo producto de

la fusin de proyectil y blanco, por emisiones sucesivas de varios neutro-nes, la probabilidad de que el blanco se descomponga en dos ncleos ms ligeros es varios rdenes de magnitud superior a la contraria.

Pese a todo, ya en 1974 Yuri Oga-nessian y su colaborador Alexander Demin haban hecho un descubri-


Los elementos cuyo nmero de orden es muy elevado, Z > 100, slo pueden producirse por fusin de dos ncleos atmicos, lo que se consigue acelerando un haz de iones de los tomos ms ligeros hasta que adquieran una energa elevada (unos 250 millones de electronvolt), momento en que se dispara sobre un blanco que contiene los ncleos ms pesados. La energa del haz de iones ha de determinarse con gran precisin, ya que, por una parte, los proyectiles tienen que vencer la repulsin electrosttica la barrera de Coulomb de los ncleos blanco, pero, por otra, no conviene que sea mucho mayor, para evitar que el ncleo resultante de la fusin se rompa de nuevo en otros dos ncleos y no se consiga nada.

Cuando la relacin entre las ma-sas de los iones colisionantes es muy asimtrica, es decir, cuando se produce la fusin de un ncleo muy ligero con otro muy pesado, la barrera de Coulomb es menor.

Los elementos 101 al 106 fueron sintetizados, as, bombardeando los actnidos ms pesados con iones ligeros. Este mtodo fracasa en el caso de los elementos superpesados porque cuanto mayor sea la carga total, mayor es el recalentamiento que sufre el ncleo resultante, lo que le proporciona energas de excitacin de entre 40 y 50 millones de elec-tronvolt. Antes de que pueda adquirir una estructura nuclear ordenada tiene que deshacerse sucesivamente de muchos neutrones y cuantos gamma; es muy probable, pues, que prefiera desintegrarse espontneamente sin aguardar a todo este proceso de enfriado.

Mediante la fusin de plomo o de bismuto con ncleos atmicos semipesados, el ncleo fusionado adquiere una energa de excitacin de tan slo 10 a 20 millones de electronvolt, de modo que puede enfriarse por emisin de un simple neutrn y alcanzar as un estado estable, que previene la desinte-

gracin espontnea. Este efecto de estabilizacin est determinado tan slo por la estructura de capas del ncleo superpesado. Comparado con el valor que se obtiene usando el modelo de la gota lquida, el valor obtenido da una estabilidad 1018 veces superior.

Como material para blancos en esta fusin suave, o fra, los ms adecuados son el bismuto 209 y el plomo 208, ambos ncleos esfri-cos, que son estables debido a las capas llenas obtenidas para Z = 82 y N = 126. La fuerte ligadura de los nucleones proporciona tambin un efecto de enfriamiento adicional. Como proyectiles se usan istopos ricos en neutrones de los ele-mentos calcio a cinc, de nmeros pares de protones y neutrones. Estos ncleos semipesados son las gotas nucleares ms fuerte-mente ligadas; las capas llenas obtenidas para Z = 20, Z = 28 y N = 28 estabilizan aqu la forma esfrica del ncleo.

Cmo se fabrican los elementos superpesados?

Proyectil54Cr (250 MeV)

Blanco209Bi

Ncleo fundido263107*

Ncleo final262107

Cuanto gamma

Desintegracinespontnea

n

1

1000

Cuantogamma

La sntesis de elementos mediante fusin suave tiene varias etapas, aunque puede considerarse un proceso directo, debido a los tiempos de reaccin extremadamente breves en que se producen. Los ncleos proyectil y blanco (que aqu son el cromo 54 y el bismuto 209) chocan frontal-mente con tanta energa que pueden vencer la repulsin de Coulomb (para lo que en este caso se necesita que sea de 250 millones de electronvolt, MeV). La fuerza de

atraccin de la interaccin nuclear acta entonces, y la fusin se produce durante un tiempo de unos 2 1020 segundos. El resultado es un ncleo de fusin excitado que, por regla general, vuelve a desintegrarse al cabo de unos 3 1020 segundos. Slo en uno de entre mil casos, este ncleo elimina su energa de excitacin emitiendo un neutrn, convirtindose as en un ncleo final estable (que aqu es el bohrio 262).

miento revolucionario en Dubna. En lugar de seguir con la irradiacin de actnidos pesados con iones relativa-mente ligeros, como se haba hecho hasta entonces, empezaron a acribillar blancos de plomo y de bismuto con iones de argn, consiguiendo as la sntesis del fermio. Oganessian se dio cuenta inmediatamente de que en una reaccin de este tipo la energa de excitacin del ncleo resultante era mucho menor, de modo que su enfria-miento se consegua tras la emisin de tan slo un par de neutrones; y como sea que con cada uno de los neutrones emitidos la probabilidad de rompimiento del ncleo se reduce notablemente, muchos de los ncleos formados llegaban de hecho al final del proceso de produccin. Debido al calentamiento mucho menor del ncleo resultante de la fusin, tal proceso recibi el nombre de fusin fra, o suave (la cual nada tiene que ver con la fusin fra que estuvo de moda hace pocos aos, producida por

fusin de ncleos de deuterio en un cristal reactivo).

Quedaba diseado as un posible camino a seguir. A favor del GSI ju-gaba adems el hecho de que tanto el plomo como el bismuto fuesen elementos naturales de los que po-da disponerse y utilizarlos en el acelerador sin el menor problema. Por el contrario, los institutos de Berkeley y de Dubna, que eran los nicos que podan utilizar actni-dos previamente obtenidos mediante sus reactores, despreciaban la fusin suave, a la que no consideraban ms que como un proceso curioso. Los colegas americanos opinaban incluso que tal procedimiento nunca podra desembocar en un mtodo de sntesis de nuevos elementos, debido a que combinaciones tan pesadas de pro-yectil y blanco no llegaran nunca a fusionarse correctamente, al no poder vencer la barrera de Coulomb.

Echando la vista atrs, podemos reconocer ahora otras tres circunstan-cias que contribuyeron decisivamente a nuestro xito. Con su cadena de resonadores individuales, el UNILAC fue el primero que, de entre las instalaciones de su clase, hizo posi-ble el empleo de cualquier tipo de iones como proyectiles, as como el gobierno de sus energas con precisin suficiente como para hacer repetibles los experimentos a voluntad. A ello vino a unirse la disponibilidad del filtro de velocidades SHIP (Separador de Productos de Reaccin de Iones Pesados), construido en colaboracin con el Segundo Instituto de Fsica de la Universidad de Giessen, bajo la direccin de Gottfried Mnzenberg. Ambos formaban en 1975 el tndem

apropiado para el anlisis preciso de los productos de la fusin. Tal identificacin precisa hizo posible, en fin, el empleo de una tcnica de correlacin especialmente diseada para el proceso.

Inseparable de la identificacin de un nuevo elemento superpesado es la determinacin rpida y precisa de su actividad. Los procedimientos empleados consistan en la medicin del tiempo requerido para el des-plazamiento de los iones resultantes entre los lugares de produccin y de anlisis, lo que se realizaba midiendo su velocidad de flujo en gases, sus tiempos de difusin en superficies slidas o la velocidad angular de rue-das, situadas en la estacin detectora como colectoras de los productos de la reaccin nuclear. Pero pueden medirse tiempos de separacin menores si se utiliza la gran velocidad de vuelo de los productos de la reaccin nuclear, resultantes del efecto de retroceso producido en la misma, y que es de unas cuantas centsimas de la velocidad de la luz.

Ya en los aos sesenta, o sea, antes de la construccin del GSI, se haban instalado espectrmetros de nuevo cuo, capaces de separar los productos de fisin, en los reactores alemanes de Garching y de Jlich, as como en el Instituto Laue-Lan-gevin de Grenoble. La experiencia adquirida en la construccin de tales espectrmetros de efecto de retro-ceso, cuyos componentes desvan los iones mediante el uso de campos elctricos y magnticos, fue esencial en la construccin de los filtros de velocidades para los productos de fusin de nuestro reactor. Los tiempos


HAZ DE IONES

RUEDA DEL BLANCO

IMANES DE ENFOQUE

DEFLECTORES ELECTROSTATICOS

DEFLECTORES MAGNETICOS

CAPTOR DE RAYOS


IMANES DE ENFOQUE

PRODUCTOS DE FUSION

DETECTOR

vuela en la misma direccin, aunque algo ms despacio, que los otros iones y productos de reaccin, y atraviesa los dos campos de deflexin elctricos y los cuatro campos de de-flexin magnticos del filtro de velocidades ship (en el medio y foto superior), que tiene una longitud total de once metros.

Mientras que el rayo de iones es desviado hacia un captor de rayos, los ncleos ligados se dirigen hacia un detector de silicio, el cual registra el punto de incidencia y la energa de los ncleos, as como las caractersticas de las partculas alfa que se emiten a continuacin.

3. COMPONENTES PRINCIPALES del experimento gsi para la bsqueda de elementos superpesados. El rayo de iones ge-nerado en el acelerador UNILAC, cuya intensidad es de unas 3 1012 partculas por segundo, incide sobre las lminas de la rueda-blanco (izquierda), la cual gira sincrnicamente con los

pulsos del rayo, al objeto de repartir el calentamiento sobre una superficie mayor. Por otra parte, casi todos los iones atra-viesan las lminas blanco sin prdida significativa de energa. Slo en muy raras ocasiones sucede que un ncleo proyectil se funda con un ncleo blanco. El ncleo ligado as formado

de separacin obtenidos con el SHIP vienen determinados por el tiempo de vuelo a travs del espectrmetro y son inferiores a 106 segundo.

Como consecuencia de la conser-vacin del impulso en el choque, los productos de la reaccin vuelan con velocidad considerable en la direccin del rayo; la cinemtica de fusin se reduce, por tanto, a un pequeo domi-nio angular, lo cual tiene sus ventajas con vistas a un anlisis experimen-tal. De todos modos hay que tomar unas precauciones muy especiales para poder separar los verdaderos produc-tos de la fusin cuya frecuencia aproximada es de un acontecimiento por semana del flujo de proyectiles que provoca el rayo unas 3 1012 partculas por segundo volando en la misma direccin. Acoplando dos dis-positivos separadores, el SHIP reduce el nmero de proyectiles y de todos los dems productos de la reaccin en un factor de 1011, dejndolos en unos pocos por segundo. Por el contrario, la probabilidad de que los codiciados productos de la fusin alcancen el foco del espectrmetro casi sin prdidas es del 40 por ciento; eso es posible, en particular, porque los ncleos resultantes de la fusin suave emiten inmediatamente un neu-trn, lo que modifica ligeramente su velocidad.

El SHIP pronto demostr ser un instrumento ideal para comprobar con precisin el resultado del proceso de fusin en s mismo y la naturaleza de los nclidos producidos. Las cortas vidas medias de los productos de la

fusin no constituyeron un problema. Mediante la construccin de un sis-tema de blancos rotatorios a la entrada del filtro de velocidades fue posible utilizar a fondo todo el enorme flujo de radiacin del UNILAC. El uso de sistemas detectores especiales a la salida del SHIP ha permitido aumentar la sensibilidad en varios rdenes de magnitud.

La velocidad de todas las partcu-las pesadas, tras la doble seleccin que realiza el espectrmetro, vuelve a medirse a la salida del SHIP, por clculo directo del tiempo de vuelo. Por ltimo van a parar a un contador de silicio, que registra su posicin de impacto y su energa. La com-binacin de las determinaciones de tiempo de vuelo y de energa hace posible una primera determinacin, poco precisa, de su masa, que sin embargo resulta suficiente a la hora de separar proyectiles, ncleos blanco en retroceso y productos de la fu-sin. Pueden medirse as secciones eficaces efectivas de 1031 centme-tros cuadrados sin que sea necesario recurrir a las propiedades precisas de la desintegracin posterior. Muy pocos de los espectrmetros empleados en fsica nuclear han conseguido nunca una sensibilidad tan grande.

Para la identificacin de un istopo resulta imprescindible correlacionar tales propiedades caractersticas de la desintegracin observada experimen-talmente con las de todos los posibles candidatos, ordenados uno tras otro. Las desintegraciones alfa y la emi-sin espontnea de los ncleos que

llegan al detector de silicio se miden en funcin de su posicin, tiempo y energa. Las desintegraciones correla-cionadas de un ncleo dado poseen las mismas coordenadas espaciales en el contador. Cuanto ms cortas sean las vidas medias, tanto ms evidente es la correlacin.

Este mtodo es una especie de reloj capaz de medir vidas medias de valores comprendidos entre po-cos microsegundos y muchos minutos separadas por ms de 9 rdenes de magnitud. La desintegracin de un istopo nuevo, hasta ahora descono-cido, debe poder correlacionarse de manera muy precisa con las propie-dades conocidas de las generaciones sucesivas. Hemos podido observar cadenas de desintegracin hasta la sexta generacin. La probabilidad de que tal suceso sea aleatorio puede determinarse a partir de los datos conocidos del contador; se obtienen probabilidades de aleatoriedad inferio-res a 1016, lo cual significa que en el caso de registrar un suceso por da, deberamos esperar unas mil edades del universo en promedio para que obtuvisemos un suceso aleatorio.

Los elementos 107, 108 y 109

Gracias a esta tcnica de correlacin, nuestro grupo de trabajo consigui demostrar de manera con-cluyente en 1980 que la fusin suave funciona. Por irradiacin de plomo 208 con titanio 50 se obtuvo el ncleo ligado 258104, el cual se transform, por emisin de un neutrn, en el ya


HAZ DE IONES

RUEDA DEL BLANCO

IMANES DE ENFOQUE


DEFLECTORES MAGNETICOS

CAPTOR DE RAYOS


IMANES DE ENFOQUE

PRODUCTOS DE FUSION

DETECTOR

vuela en la misma direccin, aunque algo ms despacio, que los otros iones y productos de reaccin, y atraviesa los dos campos de deflexin elctricos y los cuatro campos de de-flexin magnticos del filtro de velocidades ship (en el medio y foto superior), que tiene una longitud total de once metros.

Mientras que el rayo de iones es desviado hacia un captor de rayos, los ncleos ligados se dirigen hacia un detector de silicio, el cual registra el punto de incidencia y la energa de los ncleos, as como las caractersticas de las partculas alfa que se emiten a continuacin.

3. COMPONENTES PRINCIPALES del experimento gsi para la bsqueda de elementos superpesados. El rayo de iones ge-nerado en el acelerador UNILAC, cuya intensidad es de unas 3 1012 partculas por segundo, incide sobre las lminas de la rueda-blanco (izquierda), la cual gira sincrnicamente con los

pulsos del rayo, al objeto de repartir el calentamiento sobre una superficie mayor. Por otra parte, casi todos los iones atra-viesan las lminas blanco sin prdida significativa de energa. Slo en muy raras ocasiones sucede que un ncleo proyectil se funda con un ncleo blanco. El ncleo ligado as formado

conocido rutherfordio 257. Esa de-mostracin convenci definitivamente a los que an permanecan escpticos ante la posibilidad de liberacin de un neutrn individual por parte del ncleo fusionado. Aun as, casi na-die pensaba entonces que el mtodo pudiese llevarse mucho ms all y resultar til.

Pero en los cuatro aos siguientes nuestro grupo, formado por Gottfried Mnzenberg, Fritz-Peter Hessberger, Sigurd Hofmann, Matti E. Leino, Willbrord Reisdorf, Karl-Heinz Sch-midt y yo mismo, demostr de manera irrefutable el descubrimiento de los elementos 107, 108 y 109.

Para empezar, nos habamos em-barcado en la sntesis del elemento 107 (que luego ha sido bautizado como bohrio, en honor del fsico dans Niels Bohr, el fundador del moderno modelo atmico). Para ello fueron precisas minuciosas labores de preparacin. Helmut Folger y su grupo desarrollaron una tcnica de blancos especial: lminas extrema-damente delgadas de bismuto 209 se sujetaron a una rueda, que gi-raba de manera sincrnica con los pulsos de un rayo de iones, a unas mil revoluciones por minuto, de tal forma que el calor depositado por los iones al chocar se distribua en una superficie mucho mayor. Una vez que Schmidt hubo desarrollado la tcnica de correlacin y la hubo probado en rayos conocidos de partculas alfa, y despus de que Hofmann construyese un detector de silicio con sensibilidad espacial, el sistema de reconocimiento de productos de la fusin estuvo a punto en 1978. Su enorme poder de discriminacin espacial permiti la localizacin precisa de los pro-ductos de fisin de ncleos madre, mientras que su sensibilidad a la energa hizo posible su identificacin, por comparacin de las energas de fisin y vidas medias medidas con los datos correspondientes a nclidos ya conocidos.

Como proyectil empleamos cromo 54 (Z = 24), que hubo que enriquecer, pues la mezcla de istopos que ofrece la naturaleza no contiene ms de un 2,4 por ciento. Debido al elevado precio resultante, no disponamos de material ms que para un experimento, que deba durar unas dos semanas. Esperbamos conseguir un suceso por da en promedio.

El 24 de febrero de 1981 todo estaba a punto. Sobre las cadenas de desintegracin alfa conseguimos poner de manifiesto la presencia de los primeros ncleos del elemento

107. Cuarenta y dos aos despus del descubrimiento del francio y tras 16 elementos consecutivos descubiertos en los Estados Unidos, por fin se haba vuelto a identificar uno en Europa. Con hierro 58 (Z = 26), que posee dos protones y dos neutrones ms que el cromo 54, y usando de nuevo blancos de bismuto 209, conseguimos obtener 18 meses ms tarde el elemento 109 (que ha sido posteriormente bautizado con el nombre de meitnerio, en ho-nor de la fsica Lise Meitner). Este elemento se identific a partir de una nica cadena de desintegracin. Hasta 1988 no se pudo realizar un segundo experimento y comprobar definitivamente el resultado.

Por qu nos habamos saltado el elemento 108? Haba buenas ra-zones para ello. Por entonces an se mantena la leyenda del pantano de desintegracin espontnea entre los elementos conocidos y todos los elementos superpesados, que deban constituir una isla de estabilidad. Los ncleos con un nmero impar de protones y de neutrones, como el bohrio 262 (Z = 107, N = 155) y el meitnerio 266 (Z = 109, N = 157), deberan ser ms resistentes frente a la fisin espontnea que los ncleos de nmeros de nucleones pares. Ello habra significado que el elemento 108 se desintegrara con una vida media ms corta, por lo que no podra ser detectado por nuestro dispositivo (que era demasiado lento para ello).

Esta idea empez a venirse abajo cuando Demin y sus colaboradores de Dubna mostraron en 1983 que los experimentos de sntesis del seaborgio (Z = 106) slo pueden comprenderse si se hace la hiptesis de que to-dos los istopos producidos de este elemento sean emisores de partculas alfa, y que la desintegracin espon-tnea observada se produce en su istopo hijo rutherfordio (Z = 104). En un subsiguiente experimento logramos demostrar esto de manera concluyente: los istopos seaborgio 259, 260 y 261 no se desintegran espontneamente, sino que siempre lo hacen emitiendo una partcula alfa.

La leyenda del pantano de ines-tabilidad qued aniquilada del todo cuando el 14 de marzo de 1984 descubrimos el elemento 108 (al que se dio el nombre de hassio, que viene de la denominacin latina de Hessen, Hassia, la regin de Alema-nia en que se halla el GSI). Esta vez obtuvimos tres ncleos del istopo hassio 265, los cuales por emisin sucesiva de partculas alfa terminan en el nobelio 253. El seaborgio 260

(Z = 106, N = 154) y el hassio 264 (Z = 108, N = 156) tambin emiten par-tculas alfa, siendo por tanto ms estables que el rutherfordio frente a la desintegracin espontnea. Esto slo pudo entenderse en funcin de una elevada energa de capas, que permite disminuir la energa del es-tado fundamental.

Los elementos bohrio, hassio y meitnerio no tendran ninguna es-tabilidad como gotas lquidas. Slo la ordenacin mecnico-cuntica de sus nucleones en niveles de energa discretos les protege de la desintegra-cin espontnea; poseen unas barreras de desintegracin elevadas. Esa era precisamente una propiedad que se predeca para los elementos super-pesados en torno al 298114. Tambin las cadenas de desintegracin alfa, que terminan en una desintegracin espontnea, muestran una estabilidad en aumento contra la desintegracin espontnea, lo que es otro rasgo ca-racterstico de la isla de estabilidad. Esto era si cabe ms patente por el hecho de que nosotros mismos haba-mos podido obtener ya tres miembros de este grupo de elementos superpe-sados, pese a que sus vidas medias eran en principio de slo unos pocos milisegundos.

La razn de que ya en la re-gin comprendida entre Z = 107 y Z = 109 se produjese esta inesperada estabilidad se encontr pronto en los experimentos. Un primer clculo de las energas de capa de los istopos pertenecientes al primitivo pantano de desintegracin espontnea indic que dichos ncleos no posean forma es-frica, sino que eran deformes, como un pequeo barril con los cantos suavizados. Consecuencia de ello es que los niveles de energa, que en el caso de la simetra esfrica son ocupados por muchos nucleones a la vez, se separan en varios subniveles, de manera tal que algunos ascienden a energas mayores, mientras que otros caen a energas mas bajas. Esa separacin de niveles se modifica al variar la deformacin del ncleo y trae como consecuencia que la energa de capas de un ncleo ligeramente deformado pueda ser menor que la de otro esfrico, lo cual implica mayor estabilidad.

Los elementos 110, 111 y 112

En 1988 el GSI empez la construccin de un nuevo sistema de aceleracin, as que durante los cuatro aos siguientes el UNILAC no proporcion ningn chorro de


iones pesados que permitiese efec-tuar sntesis de elementos. Como sea que an estbamos interesados en ello, debamos aprovechar aquel lapso de tiempo para mejorar la sensibilidad de todo nuestro equi-pamiento experimental, ya que la probabilidad de produccin de los ncleos disminuye con su nmero de orden. Entre el nobelio (Z = 102) y el meitnerio (Z = 109) disminuye en un factor 3,5 por cada elemento. La produccin media de meitnerio haba sido de un tomo cada dos semanas de irradiacin continuada.

Poda confiarse an en la utilidad de la fusin suave? Los investigado-res de Berkeley y de Dubna haban reemprendido sus experimentos de bombardeo de actnidos, sin parar atencin en los resultados que noso-

tros habamos obtenido en los intentos llevados a cabo hasta entonces, por lo que durante esa poca no tuvi-mos ningn competidor que usase el nuevo mtodo. Mediante el empleo de variaciones constructivas pudimos multiplicar por tres la intensidad de los rayos del UNILAC, al paso que incrementbamos tambin en similar medida la sensibilidad del SHIP y sus detectores.

En el nterin la composicin de nuestro equipo haba variado. Adems de Hofmann, Mnzenberg, Hessber-ger, Folger, Leino y yo, trabajaban ahora con nosotros Viktor Ninov y Hans-Joachim Schtt, as como Andrei G. Popeko, Alexander V. Yeremin y Andrei N. Andreiev, del Centro de Investigacin Nuclear de Dubna, y Stefan Saro y Rudolf Yanik, de la

Universidad Comenius de Bratislava (Eslovaquia).

Cuando en 1993 regresamos al la-boratorio, todos los preparativos para nuestro experimento de medida de secciones eficaces de produccin de 1036 centmetros cuadrados haban concluido; y tras tan larga pausa ex-perimental se nos concedieron largos tiempos de radiacin para nuestros nuevos intentos. Empezamos las prue-bas con rayos de argn 40 y titanio 50, con los que pudimos descubrir y estudiar los istopos ms ligeros del mendelevio y del rutherfordio. Para poder extrapolar a la energa necesaria para la planeada sntesis del elemento 110, efectuamos pri-mero diversos ensayos, usando entre otros hierro 58 y plomo 208 para efectuar las fusiones. El xito de


9,23 MeV

261104

4,7 Segundos

15 Segundos

7,41 MeV

250Md

254Lr

258105

262107 CN

1965 Segundos

18,1 Segundos

1,2 Segundos

165 Milisegundos

8,45 MeV

9,10 MeV

9,70 MeV

246Cf

24.02.1981, 19:24 Hora

54Cr + 209Bi

250Fm

4,60 MeV(escape)

265Sg

269Hs

273110

277112 CN

7,4 Segundos

19,7 Segundos

110 Microsegundos

280 Microsegundos

11,08 MeV

11,45 MeV

8,52 MeV

09.02.1996, 22:37 Hora

8,34 MeV

257No

253Fm

70Zn + 208Pb

262107

266109 CN

12,9 Segundos

22 Milisegundos

5 Milisegundos

1,14 MeV

11,10 MeV

29.08.1982, 16:10 Hora

58Fe + 209Bi

258105

258104

2,113 MeV

257104

261106

265108

269110 CN

779 Milisegundos

72 Milisegundos

583 Microsegundos

393 Microsegundos

9,576 MeV

10,574 MeV

11,132 MeV

09.11.1994, 16:40 Hora

62Ni + 208Pb

CN17.12.1994, 6:03 Hora

253No

257104

261106

265108 CN

9,8 Segundos

360 Milisegundos

2,4 Milisegundos

8,79 MeV

0,93 MeV(escape)

10,38 MeV

14.03.1984, 2:36 Hora

58Fe + 208Pb

9,200 MeV

260105

264107

268109

272111

573 Milisegundos

1452 Segundos

72 Milisegundos

2042 Microsegundos

9,621 MeV

10,221 MeV

10,820 MeV

256Lr

66,3 Segundos

64Ni + 209Bi

8,436 MeV

4. CADENAS DE DESINTEGRACION registradas corres-pondientes al bohrio (Z = 107), hassio (Z = 108) y meitnerio (Z = 109), as como a los elementos todava sin nombre: 110, 111 y 112. En cada caso se dan las energas de la reaccin de sntesis, los tiempos de registro precisos, as como los tiempos de correlacin de las partculas alfa emitidas sucesivamente

(que no hay que confundir con las vidas medias de los n-cleos formados) y las energas de desintegracin en millones de electronvolt (megaelectronvolt, MeV). Todos los elementos pudieron liberar su energa de excitacin emitiendo un solo neutrn del ncleo de fusin (que se designa como CN, por compound nucleus, o ncleo compuesto).

las mejoras en nuestros aparatos era patente: en lugar de las tres cadenas de desintegracin obtenidas durante el descubrimiento del hassio, ahora pudimos registrar 75.

Tras una pausa de ms de diez aos, el 9 de noviembre de 1994 pudimos volver a identificar por fin un elemento desconocido: en la fusin del nquel 62 con plomo 208, tras la emisin de un neutrn, el ncleo resultante se haba transformado en el istopo 269110, que tuvo que ser identificado por medio de su cadena de desintegracin, constituida toda ella por nclidos hijos ya conocidos. Se registraron cuatro de tales cadenas. Obtuvimos luego ms cadenas de desintegracin, nueve en total, por fusin del istopo de nquel estable ms pesado, el Ni-64, con plomo 208, que dieron lugar a 271110, cu-yos nclidos hijos eran as mismo todos conocidos. La seccin eficaz de produccin de esta reaccin era de 15 1036 centmetros cuadrados, es decir, cuatro veces superior a la de produccin de 269110.

Poco despus, el 17 de diciembre de 1994 da en que se celebraba el 25 aniversario de la fundacin del

GSI se descubri el elemento 111, por irradiacin de bismuto 209 con nquel 64; se obtuvieron tres cadenas de desintegracin del istopo 272111. En las generaciones cuarta y quinta de la cadena fueron identificados los elementos dubnio 260 y lawrencio 256, respectivamente. Las vidas medias de los nuevos istopos meitnerio 268 y bohrio 264 de la cadena son, como se esperaba, ms largas que las correspon-dientes a los istopos de los mismos elementos conocidos hasta entonces, ms ligeros. La vida media del pro-pio 272111 es de 1,5 milisegundos; la seccin eficaz de produccin de ese istopo cay ya hasta los 3,5 1036 centmetros cuadrados.

Se plane un nuevo experimento con el proyectil cinc 70, que es muy rico en neutrones con la esperanza de que obtuviramos un incremento de la seccin eficaz parecido al que logramos con el paso del nquel 62 al nquel 64. Ensayos previos con proyectiles de hierro 58 y de nquel 64 nos permitieron tener una idea de la energa necesaria para la fusin de cinc 70 y plomo 208. En febrero de 1996 cien aos despus de que Becquerel observase la radiactividad

natural, que conmocion los cimientos de la fsica, y quince aos despus de nuestro primer descubrimiento de un nuevo elemento artificial, el bo-hrio conseguimos finalmente identi-ficar el elemento 112 en dos cadenas de desintegracin. La seccin eficaz de produccin era extraordinariamente pequea, de tan slo 1 1036 cent-metros cuadrados.

Por emisin sucesiva de seis partcu-las alfa, el istopo 277112 se desintegra en el fermio 253. Mientras que ya se conocan los tres primeros componen-tes de esta cadena de desintegracin (la ms larga de las observadas hasta entonces), se obtuvieron en ella los nue-vos istopos 273110 y hassio 269. Esa cadena de desintegracin fue tambin la primera que conduca ms all de la capa completa con 162 neutrones. Hay que atribuir a la mayor estabilidad resultante de ello el hecho de que la vida media del ncleo intermedio hassio 269 (que contiene 161 neutrones) sea significativamente ms larga. Por otro lado, la elevada energa que adquiere la partcula alfa correspondiente a esta emisin es claramente observable e identifica el hecho de que se haya cruzado una capa completa.


262

34 s

261

65 s

149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162

NUMERO DE NEUTRONES

NUMERO DE PROTONES

109

108

107

106

105

104

NOMBRE DADOpor la IUPAC

Meitnerio (Mt)

Hassio (Hs)

Bohrio (Bh)

Seaborgio (Sg)

Dubnio (Db)

Rutherfordio (Rf)

260

21 ms

254

0,022

260

1,5 s

259

0,48 s

265

7,1 s

261

11,8 ms

264

440 ms

269

9,3 s

267

33 ms

266

3,4 ms

268

70 ms

269

0,17 ms

272

1,5 ms

266

34 s

104

105

106

107

108

110

111

257

4,7 s

256

6,7 ms

258

12 ms

261

1,8 s

263

27 s

255

1,4 s

260

3,6 ms

256

2,6 s

257

1,3 s

163 164 165

112277

0,24 ms

258

2,9 ms

258

4,4 s

259

3,1 s

2628,0 102ms ms

2630,3 0,9

s s

26247 1,2ms s

2650,8 1,7ms ms

109

264

0,45 ms

2711,1 56ms ms

273 0,076 118 ms ms

261

0,23 s

5. PORCION DEL MAPA DE NUCLIDOS que abarca los istopos ms pesados conocidos hasta el presente. El tipo de transicin est codificado mediante colores: la emisin alfa en amarillo, la desintegracin espontnea en verde y la captura de neutrones en rojo. Ms all del elemento 104, cuyos istopos dotados de un nmero par de nucleo-

nes se desintegran espontneamente todos ellos, la mayora son emisores de ncleos alfa. Decaen sucesivamente en el elemento 104, donde la cadena de desintegracin se rompe al producirse su desintegracin espontnea. Tal propiedad haba sido pronosticada en los aos sesenta para todos los elementos superpesados.

Cul es el siguiente paso?

Se conocen actualmente 27 istopos de los elementos que estn por encima del rutherfordio (Z = 104); 19 de ellos fueron sintetizados en Darmstadt, cinco en Berkeley y tres en Dubna. Casi todos son emisores de partculas alfa, es decir, ms estables frente a la desintegracin espontnea que los istopos del rutherfordio y del nobelio (Z = 102). El hecho de que hayan podido ser descubiertos y estudiados se lo debemos a la estructura interna de sus ncleos: la ordenacin mecnico-cuntica de sus sistemas de nucleones hace bajar la energa del estado fundamental, de modo que se obtiene una energa de ligadura adicional. Sin este efecto de estabilizacin de capas no podran existir.

Los elementos descubiertos en el GSI muestran todas las caractersticas que en los aos sesenta se atribuyeron a los elementos superpesados. Que se trate de hecho de tales elementos es una cuestin mucho ms delicada, que slo podr ser respondida ade-cuadamente merced a ulteriores ob-servaciones de las propiedades de sus estados fundamentales. En lugar del pantano de desintegracin espontnea que separa los elementos conocidos de la supuesta isla de estabilidad

constituida por otros de mayor n-mero de protones y neutrones, hemos descubierto y transitado un pequeo istmo, unido a la tierra firme.

De acuerdo con los clculos, de Z = 107 a 124 y de N = 154 hasta 185, se extiende una regin con ms de 300 ncleos estabilizados por capas, que no podran existir como gotas nucleares. En las proximidades del hassio 270 y a lo largo del nmero de neutrones N = 162, todos los n-cleos son deformes; la confirmacin experimental directa de este hecho queda an lejos de nuestro alcance. En torno a N = 170 los ncleos re-toman de nuevo la forma esfrica. Existen adems istopos ligeros de un mismo elemento superpesado que son esfricos, deformados y pesados. Estos ltimos podran exhibir vidas medias ms largas para elementos ms all de Z = 110. Pero, dado que tienen un nmero de neutrones ms alto, estos istopos ms estables son ms difciles de obtener por medio de la fusin nuclear. Todos los in-tentos de sntesis de los mismos han fracasado hasta el momento.

La produccin de los elementos 113 y 114 ser dificultosa; es de esperar que las secciones eficaces de produc-cin seguirn descendiendo respecto a las obtenidas hasta ahora. Durante los dos prximos aos intentaremos la

sntesis del istopo 278113 mediante la fusin de cinc 70 y bismuto 209, y del istopo 283114 por fusin de germanio 76 y de plomo 208. Nos preparamos a enfrentarnos con tiem-pos de medicin de varios meses, en los que para el elemento 114 ni siquiera est asegurada la obtencin de un solo tomo.

Est por ver cul sea el primer elemento para el que falle el mtodo de la fusin suave. Pero se ha encon-trado la regin de los elementos su-perpesados, cuyo aspecto es bastante distinto de lo que se supona en 1966, y se tiene a tiro al elemento 114 por vez primera. Poder sintetizarlo treinta aos despus de que fuera postulado constituira un xito grandioso de la fsica de la estructura nuclear.


1020

1022

1024

1026

1028

1030

1032

1034

1036

U 108106104NoFmCfCmPu 112110

SE

CC

ION

EF

ICA

Z (

CE

NT

IME

TR

OS

CU

AD

RA

DO

S)

10 18

10 16

10 14

10 12

10 10

10 8

10 6

10 4

10 2

10 0

10 2

10 4

10 6

VID

A M

ED

IA (

SE

GU

ND

OS

)

100 AOS

1 AO

1 DIA

1 HORA

1 MINUTO

1 SEGUNDO

1 MILISEGUNDO

1 MICROSEGUNDO

EDAD DE LA TIERRA

6. SECCIONES EFICACES DE PRODUCCION (a la iz-quierda) y vidas medias de los istopos de vida ms larga (a la derecha) de cada uno de los transurnidos sintticos. Los elementos neptunio (Z = 93) a fermio (Z = 100) pueden ser producidos en reactores, por medio de captura de neutrones

(en azul), y en ciclotrones, por bombardeo con partculas alfa (en negro). Los elementos posteriores al mendelevio (Z = 101) slo pueden producirse mediante reacciones de fusin con iones ligeros (en rojo) o con iones semipesados (en verde), respectivamente.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

SCHWERIONENFORSCHUNG. Rudolf Bock, Gnter Herrmann y Gnter Siegert. Wis-senschaftliche Buchgesellschaft, Darms-tadt, 1993.

CHEMISTRY OF THE TRANSACTINIDE ELE-MENTS. M. Schdel, en Radiochimica Acta, vol. 70/71, pgs. 207-223, 1995.

MODERN ALCHEMIE. DIE JAGD NACH DEN SCHWERSTEN ELEMENTEN. Gottfried Mn-zenberg y Matthias Schdel. Vieweg, Brunswig, 1996.

i-2c. la síntesis de los elementos superpesados

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