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CHICAGO, 17 de febrero. Por primera vez fue posible medir la masa de un elemento más pesado que el uranio: un nuevo método abre el camino hacia la largamente predicha "isla de estabilidad" de elementos estables superpesados, que se encuentran más allá de la tabla periódica habitual.

El núcleo de uranio contiene 92 protones y es el elemento más pesado que se sabe que se encuentra en la naturaleza. Por supuesto, también se han sintetizado en condiciones artificiales otros más pesados, de hasta 118 protones. Todos estos "pesos pesados" tienen una vida extremadamente corta, se desintegran en cuestión de milisegundos.

Pero a mediados del siglo XX, se predijo teóricamente la posibilidad de la existencia de elementos superpesados ​​que contuvieran una cierta proporción de protones y neutrones y tuvieran una vida útil mucho más larga (décadas o incluso más). Desde entonces, el camino hacia esta “isla de estabilidad” se ha convertido en una de las áreas más importantes de la física nuclear. Y en absoluto por interés puramente académico. Los elementos estables superpesados ​​podrían servir como excelente combustible para los motores nucleares de futuras misiones espaciales. Según los cálculos, también deberían presentar propiedades químicas y físicas inusuales y útiles.

Sin embargo, nadie sabe todavía exactamente dónde deberíamos toparnos con esta isla. Algunos cálculos muestran que en algún lugar de la región se concentran 114 protones por núcleo, otros, entre 120 y 126 protones. Los cálculos se complican por el hecho de que los científicos no tienen una comprensión precisa de cómo actúan las fuerzas fuertes y débiles en los núcleos "abarrotados" de tales elementos, manteniendo unidos sus protones y neutrones. La corta existencia de elementos superpesados ​​obtenidos en el laboratorio no nos permite recopilar suficientes datos experimentales.

Un nuevo avance en esta área promete el reciente trabajo de un equipo de científicos alemanes dirigido por Michael Block, que logró encontrar una manera de medir directamente la masa de partículas más pesadas que el uranio. Y dado que la masa y la energía están relacionadas por la famosa fórmula de Einstein E = mc2, determinar la masa de un átomo permite (teniendo en cuenta factores adicionales) calcular las fuerzas con las que las partículas de su núcleo se unen entre sí.

Para medir la masa de un átomo, los científicos utilizaron un dispositivo llamado trampa de Penning, donde, en pocas palabras, los iones se mantienen en un campo electromagnético. El objeto de medición fue el nobelio, cuyo núcleo contiene 102 protones, 10 más que el del uranio. Como otros elementos “artificiales”, se produce por la colisión de elementos ligeramente más ligeros y tiene una duración extremadamente corta (máximo 58 minutos). El principal problema que lograron resolver los físicos alemanes fue encontrar una manera de frenar los átomos antes de que caigan en una trampa, para lo que los científicos decidieron hacerlos pasar primero por una cámara llena de helio.

Ahora, al contar con un método que les permite "pesar" átomos superpesados ​​de vida corta, los experimentadores pueden determinar con mayor precisión sus parámetros. Y los teóricos, basándose en estos datos, pueden elegir entre modelos competitivos que predicen la posición de la “isla de estabilidad”.

El método nos permite avanzar mucho más en la tabla periódica, aunque en la práctica puede no resultar muy fácil utilizarlo para los elementos más pesados ​​obtenidos. Aunque sólo sea porque la síntesis de tales gigantes es en sí misma un proceso extremadamente difícil. Si se puede obtener el mismo Nobelio mediante un experimento preparado con una frecuencia de, en promedio, 1 átomo por segundo, entonces con elementos más pesados, cuyos núcleos contienen más de 104 protones, todo lleva mucho más tiempo. Obtener 1 átomo puede llevar, por ejemplo, una semana.

Pero si todo va bien, tarde o temprano este método permitirá notar a los habitantes de la "isla de la estabilidad". Dado que estos elementos superpesados ​​suelen detectarse mediante productos de desintegración y los estables tienen una vida útil demasiado larga, los métodos tradicionales de trabajo con átomos pesados ​​no son adecuados para ello.

Primero, un artículo sobre qué es una “isla de estabilidad”.

Isla de estabilidad: los científicos nucleares rusos lideran la carrera

La síntesis de elementos superpesados ​​que forman la llamada "isla de estabilidad" es una tarea ambiciosa de la física moderna, en cuya solución los científicos rusos están por delante del mundo entero.

El 3 de junio de 2011, una comisión de expertos, que incluía especialistas de las Uniones Internacionales de Química Pura y Aplicada (IUPAC) y Física (IUPAP), reconoció oficialmente el descubrimiento de los elementos 114 y 116 de la tabla periódica. La prioridad del descubrimiento fue confiada a un grupo de físicos encabezados por el académico de la Academia de Ciencias de Rusia, Yuri Oganesyan, del Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares, con la ayuda de colegas estadounidenses del Laboratorio Nacional Livermore. Lorenzo.

El académico de la Academia de Ciencias de Rusia, Yuri Oganesyan, jefe del laboratorio de reacciones nucleares del JINR

Los nuevos elementos se convirtieron en los más pesados ​​de los incluidos en la tabla periódica y recibieron los nombres temporales de ununquidium y unungexium, formados por el número de serie de la tabla. Los físicos rusos propusieron nombrar los elementos “flerovium” en honor a Georgiy Flerov, físico nuclear soviético, especialista en el campo de la fisión nuclear y la síntesis de nuevos elementos, y “moscovium” en honor a la región de Moscú. Además de los elementos 114 y 116, en JINR se sintetizaron elementos químicos con los números de serie 104, 113, 115, 117 y 118, y el elemento 105 de la tabla en honor a la contribución de los físicos de Dubna a la ciencia moderna recibió el nombre de. nombre “Dubnio”.

Elementos que no existen en la naturaleza.

Actualmente, el mundo que nos rodea se compone de 83 elementos químicos, desde el hidrógeno (Z=1, Z es el número de protones en el núcleo) hasta el uranio (Z=92), cuya vida útil es más larga que la de la energía solar. sistema (4.500 millones de años). Los elementos más pesados ​​que aparecieron durante la nucleosíntesis poco después del Big Bang ya se han desintegrado y no han sobrevivido hasta el día de hoy. El uranio, que tiene una vida media de aproximadamente 4,5 x 10 8 años, todavía está en descomposición y es radiactivo. Sin embargo, a mediados del siglo pasado, los investigadores aprendieron a obtener elementos que no existen en la naturaleza. Un ejemplo de este elemento es el plutonio producido en reactores nucleares (Z=94), que se produce en cientos de toneladas y es una de las fuentes de energía más poderosas. La vida media del plutonio es significativamente más corta que la del uranio, pero aún así es lo suficientemente larga como para sugerir la posibilidad de la existencia de elementos químicos más pesados. El concepto de un átomo formado por un núcleo, que lleva una carga y un volumen positivos, y orbitales electrónicos, sugiere la posibilidad de la existencia de elementos con un número atómico de hasta Z = 170. Pero, de hecho, debido a la inestabilidad de los procesos que tienen lugar en el propio núcleo, el límite de la existencia de elementos pesados ​​se delinea mucho antes. En la naturaleza, las formaciones estables (núcleos de elementos formados por un número variable de protones y neutrones) se producen sólo hasta el plomo y el bismuto, seguidos de una pequeña península que incluye torio y uranio que se encuentran en la Tierra. Pero tan pronto como el número de serie de un elemento supera el número de uranio, su vida útil disminuye drásticamente. Por ejemplo, el núcleo del elemento 100 es 20 veces menos estable que el núcleo de uranio, y en el futuro esta inestabilidad sólo se intensifica debido a la fisión espontánea de los núcleos.

"Isla de Estabilidad"

Niels Bohr explicó el efecto de la fisión espontánea. Según su teoría, el núcleo es una gota de líquido cargado, es decir, un tipo de materia que no tiene estructura interna propia. Cuanto mayor es el número de protones en el núcleo, más fuerte es la influencia de las fuerzas de Coulomb, bajo cuya influencia la gota se deforma y se divide en partes. Este modelo predice la posibilidad de la existencia de elementos hasta los números de serie 104 - 106. Sin embargo, en los años 60 se llevaron a cabo una serie de experimentos en el Laboratorio de Reacciones Nucleares del Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares para estudiar las propiedades de la fisión de los núcleos de uranio, cuyos resultados no podían explicarse utilizando la teoría de Bohr. Resultó que el núcleo no es un análogo completo de una gota de líquido cargado, pero tiene un interior

estructura. Además, cuanto más pesado es el núcleo, más pronunciada se vuelve la influencia de esta estructura, y la imagen de la desintegración será completamente diferente de lo que predice el modelo de gota de líquido. Así surgió la hipótesis sobre la existencia de una determinada región de núcleos superpesados ​​estables, alejada de los elementos que hoy se conocen. La zona fue llamada la "isla de la estabilidad", y después de predecir su existencia, los laboratorios más grandes de Estados Unidos, Francia y Alemania comenzaron una serie de experimentos para confirmar la teoría. Sin embargo, sus intentos fueron infructuosos. Y sólo los experimentos en el ciclotrón de Dubna, que dieron como resultado el descubrimiento de los elementos 114 y 116, permiten afirmar que la región de estabilidad de los núcleos superpesados ​​​​realmente existe.

La siguiente figura muestra un mapa de nucleidos pesados. Las vidas medias nucleares están representadas por diferentes colores (escala derecha). Los cuadrados negros son isótopos de elementos estables que se encuentran en la corteza terrestre (vida media superior a 10 9 años). El color azul oscuro es el "mar de inestabilidad", donde los núcleos duran menos de 10 −6 segundos. Las "islas de estabilidad" que siguen a la "península" de elementos de torio, uranio y transuránico son predicciones de la teoría nuclear microscópica. Dos núcleos con números atómicos 112 y 116, obtenidos en diferentes reacciones nucleares y su desintegración secuencial, muestran cuán cerca se puede llegar a las "islas de estabilidad" durante la síntesis artificial de elementos superpesados.

Mapa de nucleidos pesados

Para sintetizar un núcleo pesado estable, es necesario introducir en él tantos neutrones como sea posible, ya que los neutrones son el "pegamento" que retiene los nucleones en el núcleo. La primera idea fue irradiar un determinado material de partida con un flujo de neutrones del reactor. Pero con este método los científicos sólo pudieron sintetizar fermio, un elemento con número atómico 100. Además, en lugar de los 60 neutrones necesarios, solo se introdujeron 20 en el núcleo. Los intentos de los científicos estadounidenses de sintetizar elementos superpesados ​​en el proceso de una explosión nuclear (esencialmente, en un potente flujo pulsado de neutrones) tampoco tuvieron éxito; de sus experimentos era el mismo isótopo de fermio. A partir de ese momento, comenzó a desarrollarse otro método de síntesis: la colisión de dos núcleos pesados ​​con la esperanza de que el resultado de su colisión fuera un núcleo de masa total. Para llevar a cabo el experimento, uno de los núcleos debe acelerarse a una velocidad de aproximadamente 0,1 la velocidad de la luz utilizando un acelerador de iones pesados. Todos los núcleos pesados ​​obtenidos hoy se sintetizaron de esta forma. Como ya se señaló, la isla de estabilidad está ubicada en la región de los núcleos superpesados ​​​​con exceso de neutrones, por lo que los núcleos objetivo y del haz también deben contener un exceso de neutrones. Es bastante difícil seleccionar tales elementos, ya que casi todos los nucleidos estables existentes tienen una proporción estrictamente definida entre el número de protones y neutrones.

En el experimento de síntesis del elemento 114 se utilizó como objetivo el isótopo más pesado del plutonio, con una masa atómica de 244, producido en el reactor del Laboratorio Nacional de Livermore (EE.UU.), y el calcio-48 como núcleo del proyectil. El calcio-48 es un isótopo estable del calcio, del cual el calcio normal contiene sólo el 0,1%. Los experimentadores esperaban que esta configuración permitiera sentir el efecto de aumentar la vida útil de los elementos superpesados. Para llevar a cabo el experimento se necesitó un acelerador con una potencia de haz de calcio-48, decenas de veces mayor que todos los aceleradores conocidos. En cinco años se creó en Dubna un acelerador de este tipo que permitió realizar un experimento varios cientos de veces más preciso que los experimentos realizados en otros países durante los últimos 25 años.

Después de recibir un haz de calcio de la intensidad requerida, los experimentadores irradian el objetivo de plutonio. Si, como resultado de la fusión de dos núcleos, se forman átomos de un nuevo elemento, entonces deben salir volando del objetivo y, junto con el rayo, continuar avanzando. Pero deben separarse de los iones de calcio y otros productos de reacción. Esta función la realiza el separador.

MASHA (Analizador de masas de átomos superpesados) - instalación para separación nuclear

Los núcleos de retroceso expulsados ​​de la capa objetivo se detienen en un colector de grafito a una profundidad de varios micrómetros. Debido a la alta temperatura del colector, se difunden en la cámara de la fuente de iones, son extraídos del plasma, acelerados por el campo eléctrico y analizados en masa mediante campos magnéticos a medida que avanzan hacia el detector. En este diseño, la masa de un átomo se puede determinar con una precisión de 1/3000. La tarea del detector es determinar si un núcleo pesado lo ha impactado, registrar con gran precisión su energía, velocidad y ubicación de su parada.

Diagrama de funcionamiento del separador.

Para comprobar la teoría de la existencia de una "isla de estabilidad", los científicos observaron los productos de desintegración del núcleo del elemento 114. Si la teoría es correcta, entonces los núcleos resultantes del elemento 114 deberían ser resistentes a la fisión espontánea y ser alfa radiactivos, es decir, emitir una partícula alfa que consta de dos protones y dos neutrones. Para una reacción que involucra el elemento 114, se debe observar una transición del 114 al 112. Luego, los núcleos del 112 también sufren desintegración alfa y se convierten en los núcleos del 110, y así sucesivamente. Además, la vida útil del nuevo elemento debería ser varios órdenes de magnitud mayor que la vida útil de los núcleos más ligeros. Fueron precisamente esos acontecimientos de larga duración, cuya existencia se predijo teóricamente, los que vieron los físicos de Dubna. Esta es una indicación directa de que el elemento 114 ya está experimentando la acción de fuerzas estructurales que forman una isla de estabilidad para elementos superpesados.

Ejemplos de cadenas de desintegración de los elementos 114 y 116.

En el experimento sobre la síntesis del elemento 116, se utilizó como objetivo una sustancia única: el curio-248, obtenido en un potente reactor en el Instituto de Investigación de Reactores Nucleares en Dimitrovgrad. Por lo demás, el experimento siguió el mismo patrón que la búsqueda del elemento 114. La observación de la cadena de desintegración del elemento 116 proporcionó más evidencia de la existencia del elemento 114, esta vez como resultado de la desintegración de un "padre" más pesado. En el caso del elemento 116, los datos experimentales también mostraron un aumento significativo de la vida útil al aumentar el número de neutrones en el núcleo. Es decir, la física moderna de síntesis de elementos pesados ​​se ha acercado al borde de la "isla de la estabilidad". Además, los elementos con números atómicos 108, 109 y 110, formados como resultado de la desintegración del elemento 116, tienen una vida útil de minutos, lo que permitirá estudiar las propiedades químicas de estas sustancias utilizando métodos radioquímicos modernos y verificar experimentalmente su Fundamentalidad de la ley de Mendeleev respecto a la periodicidad de las propiedades químicas de los elementos de la tabla. En relación con los elementos pesados, se puede suponer que el elemento 112 tiene las propiedades del cadmio y el mercurio, y el 114, el estaño, el plomo, etc. Es probable que en la cima de la isla de estabilidad se encuentren elementos superpesados ​​cuya vida útil es de millones de años. Esta cifra no alcanza la edad de la Tierra, pero aún es posible que los elementos superpesados ​​estén presentes en la naturaleza, en nuestro Sistema Solar o en los rayos cósmicos, es decir, en otros sistemas de nuestra Galaxia. Pero hasta ahora los experimentos para buscar elementos superpesados ​​“naturales” no han tenido éxito.

Actualmente, JINR está preparando un experimento para buscar el elemento 119 de la tabla periódica, y el Laboratorio de Reacciones Nucleares es líder mundial en el campo de la física de iones pesados ​​y la síntesis de elementos superpesados.

Anna Maksimchuk,
Investigador JINR,
especialmente para R&D.CNews.ru

Interesante, por supuesto. Resulta que se pueden descubrir muchos más elementos químicos e incluso casi estables.

Surge la pregunta: ¿cuál es el significado práctico de toda esta costosa tarea de buscar nuevos elementos casi estables?

Parece que cuando encuentren una manera de producir estos elementos, ya veremos.

Pero algo ya es visible ahora. Por ejemplo, si alguien vio la película "Depredador", entonces el depredador tiene un dispositivo de autodestrucción en un brazalete en su brazo y la explosión es bastante poderosa. Asi que aqui esta. Estos nuevos elementos químicos son similares al uranio-235, pero su masa crítica se puede medir en gramos (y 1 gramo de esta sustancia equivale a la explosión de 10 toneladas de TNT: una buena bomba del tamaño de sólo una moneda de cinco kopeks). ).

Por eso tiene mucho sentido que los científicos trabajen duro y que el Estado no escatime en gastos.

El 28 de noviembre de 2016, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) asignó nombres a cuatro elementos superpesados: nihonio (elemento 113 de la tabla periódica), moscovio (elemento 115), tennesina (elemento 117) y oganesson (elemento 118). ). El moscovio, la tennessina y el oganesson se obtuvieron por primera vez en la Federación de Rusia en colaboración con físicos estadounidenses. En el aniversario de esta fecha. N+1 Junto con la editorial Yandex, lo invitamos a imaginarse como un alquimista e intentar sintetizar uno (o varios, según su suerte) elementos superpesados ​​​​en un acelerador de partículas.

Los elementos químicos superpesados ​​con un número atómico superior a 100 sólo pueden obtenerse mediante reacciones de fusión en aceleradores de partículas cargadas. En ellos se dispara contra un núcleo de objetivo pesado con núcleos de proyectiles más ligeros. Los núcleos de nuevos elementos surgen en caso de un impacto preciso y la fusión del proyectil y los núcleos objetivo. Tienes la oportunidad de sentirte como un alquimista aficionado y crear un nuevo elemento. Tienes núcleos de proyectiles y núcleos de objetivos a tu disposición. Seleccione un par y haga clic en el botón "Habilitar acelerador". Si eliges el par correcto, obtendrás un elemento superpesado, verás los productos de su descomposición y descubrirás quién y cuándo se sintetizó en realidad.

Nosotros, junto con la editorial Yandex, también hemos preparado respuestas a preguntas sobre elementos superpesados ​​comunes en Internet. Haga clic en una pregunta para ver la respuesta.

¿Es posible predecir cuántos elementos superpesados ​​aún pueden descubrirse? ¿Existe un número máximo de protones que puede haber en el núcleo que limitaría la masa del elemento?

Todas estas predicciones se basan en modelos modernos de estabilidad de los núcleos atómicos. Basándonos en las consideraciones más ingenuas, parece que cualquier núcleo en el que la repulsión de Coulomb entre protones cargados positivamente sea compensada por la fuerza de enlace entre ellos debido a la fuerte interacción puede ser estable. Para ello, en cualquier caso, debe haber un cierto número de neutrones descargados en el núcleo, pero la relación entre el número de neutrones y protones no es condición suficiente para la estabilidad de los núcleos atómicos. Aquí es donde entra en juego la naturaleza cuántica de los nucleones: tienen espín semientero y, como los electrones, tienden a agruparse en pares y formar niveles de energía llenos.

Estos efectos conducen a diferencias en la estabilidad de los sistemas protón-neutrón en relación con varias rutas de desintegración: la fisión espontánea (que ocurre como resultado de efectos de la mecánica cuántica y sin excitación externa conduce a la separación en núcleos y neutrones más ligeros), así como α- y desintegración β con emisión de una partícula alfa o un electrón (o positrón), respectivamente. En relación con cada uno de los canales de desintegración, cada núcleo tiene su propia vida. Por lo tanto, con un aumento en el número atómico de un elemento, la probabilidad de fisión espontánea aumenta considerablemente, lo que impone restricciones significativas a la existencia de núcleos estables de elementos superpesados; todos ellos deben ser inestables con una vida media bastante corta. Por tanto, para todos los elementos más pesados ​​que el plomo no existen isótopos estables; todos son radiactivos.

Sin embargo, la teoría predice que incluso entre elementos superpesados ​​puede haber isótopos con vidas relativamente largas. Deben existir para sistemas con una proporción adecuada de protones y neutrones y niveles de protones y neutrones completamente llenos. Sin embargo, aún no ha sido posible sintetizar tales elementos, y si parece posible llegar en un futuro próximo a la "isla de estabilidad" más cercana (que se prevé para el núcleo de flerovio con 184 neutrones), entonces será posible Encontrar núcleos más pesados ​​con la siguiente capa llena entre sistemas absolutamente inestables es mucho más difícil, si no imposible.

Sin embargo, vale la pena señalar que todas estas predicciones se basan en modelos que funcionan bien para núcleos relativamente pequeños, pero para elementos superpesados ​​la forma del núcleo, por ejemplo, comienza a desviarse notablemente de la esférica, lo que requiere que se hagan correcciones. a estos modelos.

¿Tienen los elementos superpesados ​​algún uso práctico? ¿O quizás aparecerá en el futuro?

Por el momento, los elementos superpesados ​​no tienen ninguna utilidad práctica. Esto se debe a varias razones. En primer lugar, su síntesis es un proceso tecnológico extremadamente complejo que lleva bastante tiempo y como resultado del cual se forma una cantidad muy pequeña de núcleos. En segundo lugar, de todos los elementos con un número atómico superior a cien, sólo el fermio (el elemento 100) y el mendelevio (el 101) tienen isótopos relativamente estables con vidas medias de 100 y 50 días, respectivamente. Para los elementos superpesados ​​restantes, incluso los isótopos sintetizados más estables se desintegran en unas pocas decenas de horas, en el mejor de los casos, y más a menudo en segundos o incluso milisegundos.

Por lo tanto, por ahora, el proceso de síntesis de núcleos superpesados ​​​​tiene únicamente un interés fundamental asociado con el estudio de la interacción nucleón-nucleón y la interacción entre quarks. Las propiedades de los isótopos sintetizados ayudan a construir modelos teóricos más precisos que pueden usarse no solo para estudiar los núcleos de los átomos en la Tierra, sino también, por ejemplo, al estudiar estrellas de neutrones, en cuyo núcleo la densidad de nucleones es significativamente mayor. que la densidad en los núcleos de los átomos.

Los científicos esperan que en el futuro los elementos superpesados ​​puedan tener algunas aplicaciones prácticas, relacionadas, en particular, con el desarrollo de sensores o métodos radiográficos en la medicina o la industria. Quizás se trate de nuevos métodos de uso que no se pueden predecir ahora, pero definitivamente no se deben esperar en los próximos años, porque para ello las tecnologías para su producción deben cambiar radicalmente.

¿Es posible obtener isótopos estables de elementos superpesados ​​o todos ellos serán sólo radiactivos?

Actualmente se desconocen los isótopos estables de los elementos situados en la tabla periódica después del plomo. El número de serie del plomo en la tabla periódica es el 82. Esto significa que todos los elementos que comiencen con el bismuto serán radiactivos de una forma u otra. Sin embargo, las vidas medias de estos elementos pueden variar dentro de límites muy amplios. Así, el isótopo más estable del bismuto, que antes se consideraba estable, tiene una vida media de 2 × 10 19 años, que es varios órdenes de magnitud mayor que la edad del Universo.

Los isótopos de elementos superpesados ​​que se sintetizan actualmente (con un número de serie en la tabla de elementos superior a cien) tienen una vida media significativamente más corta que la del bismuto y varía de cien días a fracciones de milisegundo. Todos ellos también son radiactivos.

Sin embargo, según las predicciones teóricas, para algunos elementos con un cierto número de protones y neutrones en el núcleo, es posible un aumento significativo de la vida media. El número necesario de neutrones y protones en el núcleo corresponde a capas de neutrones y protones completamente llenas y presumiblemente debería ser igual a 114 para los protones y 184 para los neutrones. En teoría, esta configuración debería dar lugar a un aumento de la vida media de cientos de microsegundos a 10,5 años. La relativa estabilidad de los núcleos con números de protones y neutrones cercanos a estos valores sugiere la existencia de una “isla de estabilidad” entre los elementos superpesados. Sin embargo, aún no se ha podido confirmar experimentalmente su existencia. Pero incluso un aumento tan significativo en la vida útil de los núcleos no hará que estos isótopos sean estables: seguirán siendo radiactivos.

¿Es posible, al menos teóricamente, detectar elementos superpesados ​​en la naturaleza? ¿O al menos los productos de su descomposición, que probarían que tales elementos existieron?

Ninguno de los elementos superpesados ​​se ha encontrado en la naturaleza (lo cual no es sorprendente, dado que todos tienen vidas medias muy cortas). El elemento con mayor número atómico encontrado en la naturaleza hasta la fecha es el uranio, con sus 92 protones en el núcleo.

A principios de la década de 1970 se informó de la presencia en minerales naturales de un elemento con el número de serie 108 (posteriormente sintetizado con el nombre de hasio); hace unos diez años se descubrieron trazas del elemento 122 en muestras de torio, pero estos hechos no fueron confirmados.

En la Tierra, las condiciones necesarias para la síntesis de núcleos superpesados ​​​​estables no existen ni nunca han existido, pero se cree que se pueden lograr condiciones cercanas a tales condiciones durante las explosiones de supernova. En este caso, la temperatura aumenta a valores suficientes para desencadenar la rápida absorción de neutrones por los núcleos (el llamado proceso r). Hasta el momento no se han registrado pruebas fiables de la formación natural de elementos con un número de serie superior a 100 en tales procesos, pero se están realizando estudios sobre la composición de los rayos cósmicos para determinar la presencia de trazas de elementos superpesados ​​en ellos. En particular, en 2011 se debatió el descubrimiento de partículas con números atómicos superiores a 100 en la materia de los meteoritos. Estos datos, sin embargo, tampoco han sido confirmados.

¿De dónde viene la expresión “guerras de transferencia” y por qué surge tan a menudo la cuestión de la primacía de un grupo u otro en la síntesis de un nuevo elemento?

Esta expresión suele utilizarse para referirse a las disputas entre Estados Unidos y la URSS por la prioridad en el descubrimiento de elementos con números de serie 104, 105 y 106, que fueron descubiertos en las décadas de 1960 y 1970 del siglo XX. El término “guerras de transfermio” (todos estos elementos se encuentran en la tabla periódica justo después del fermio) se propuso por primera vez en 1994. En la Unión Soviética, la síntesis se llevó a cabo en el Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares de Dubna, en Estados Unidos, en los Laboratorios Nacionales Lawrence Berkeley y Livermore. Los primeros intentos exitosos de sintetizar el elemento 104 se remontan a 1964, el elemento 105 a 1970 y el elemento 106 a 1974.

La parte soviética creía que fue en Dubna donde se sintetizaron por primera vez los elementos 104.º y 105.º, y utilizaron para ellos los nombres "kurchatovy" y "nielsborium", respectivamente. Los científicos estadounidenses criticaron los resultados de los experimentos soviéticos y argumentaron que fueron los primeros en obtener estos elementos de la física en sus laboratorios y los llamaron "rutherfordio" y "ganio" (en honor a Ernest Rutherford y Otto Hahn, respectivamente). Sin embargo, debido al hecho de que una parte importante de los datos sobre síntesis estaban cerrados en ese momento, era bastante difícil determinar sin ambigüedades la primacía de un grupo en particular.

Debido a esto, el proceso de determinación de la primacía duró 30 años y se convirtió en uno de los elementos de la Guerra Fría. Recién en 1994 se formó una comisión internacional que revisó los datos conocidos y propuso sus propias variantes de nombres para los elementos. Inicialmente, algunas de las decisiones tomadas fueron controvertidas, en particular la denominación de elementos en honor a una persona aún viva (Glenn Seaborg), la transferencia del nombre de un elemento a otro con respecto a las propuestas iniciales (que involucraban a un tercero en el controversia: la Sociedad Alemana para el Estudio de Elementos Pesados, cuyos científicos sintetizaron los elementos 107, 108 y 109).

Como resultado, se llegó a una solución de compromiso y en 1997 finalmente se aprobaron las prioridades y los nombres de los elementos. En particular, se decidió no perpetuar los nombres de Igor Kurchatov y Otto Hahn, quienes estaban relacionados con proyectos nucleares soviéticos y nazis. Los elementos 104 y 106 ahora usan los nombres propuestos por la parte estadounidense (rutherfordio y seaborgio), el elemento 105, en reconocimiento a los méritos de los científicos soviéticos, se llamó dubnio, para los elementos 107, 108 y 109 usan los nombres propuestos. por científicos alemanes: bohrium, hassium y meitnerium (solo el primero de ellos difiere de la opción propuesta; inicialmente se propuso llamarlo nilsborium). Ahora, gracias a la apertura de los datos y al procedimiento prescrito para asignar nombres a los elementos, las cuestiones de prioridad se resuelven mucho más fácilmente.

Miniatura del manuscrito alquímico del siglo XVI “El esplendor del sol”

¿Se pueden crear elementos superpesados ​​en explosiones de supernovas? ¿Y podemos registrar este nacimiento?

Se sabe que las explosiones de supernovas pueden producir núcleos de elementos muy pesados, como el uranio o el torio. Estos núcleos se forman mediante el mecanismo de captura rápida de neutrones (el llamado proceso r). Se cree que una explosión de supernova produce suficiente temperatura (unos cuatro mil millones de grados) para desencadenar este proceso. Sin embargo, la frecuencia de formación de los núcleos más pesados, incluso en tales condiciones, no es muy alta. También se cree que, además del uranio y el torio, durante la explosión de una supernova, por ejemplo, es posible la formación de californio (este es el elemento número 98).

Para la formación de núcleos más pesados ​​como resultado del proceso r, es necesario iniciar una reacción termonuclear; así, por ejemplo, en la Tierra fue posible sintetizar einstenio (el elemento 99) y fermio (el 100) para primera vez. Se supone que varias explosiones termonucleares pueden conducir a la consecución de una isla de estabilidad como resultado del proceso r. Sin embargo, hoy en día se acepta generalmente que durante las explosiones de supernovas no se cumplen tales condiciones y no se forman elementos con números atómicos superiores a 100. Sin embargo, se siguen buscando rastros de elementos superpesados ​​estables que podrían formarse durante las explosiones de supernovas, por ejemplo, en los rayos cósmicos y en los meteoritos irradiados por ellos. La confirmación de la síntesis de elementos más ligeros (por ejemplo, uranio o californio) se realiza mediante estudios espectroscópicos de los productos de su fisión espontánea.

¿Por qué fallan con tanta frecuencia las reacciones de síntesis de elementos superpesados ​​cuando, según cálculos teóricos, deberían funcionar?

Los núcleos superpesados ​​se producen por la reacción de fusión de núcleos más ligeros entre sí. Para ello, se bombardea un objetivo formado por elementos más pesados ​​con núcleos de otros más ligeros. Para obtener un núcleo con la cantidad requerida de protones y neutrones, es necesario seleccionar correctamente aquellos núcleos que se utilizan como objetivos y proyectiles. Puede haber varios problemas aquí que reduzcan la probabilidad de que se forme y detecte el núcleo deseado.

En primer lugar, para formar el núcleo deseado, es necesario superar la barrera electrostática; después de todo, ambos núcleos en colisión tienen una carga positiva bastante grande (y antes de que las fuerzas de atracción comiencen a actuar a distancias cortas entre los protones, es necesaria la repulsión electrostática de largo alcance). superar). Para ello, a los núcleos con los que se bombardea el objetivo se les debe dar inicialmente una energía suficientemente alta.

Para reducir esta barrera, es más ventajoso utilizar núcleos con un número bastante grande de protones como partículas incidentes. Sin embargo, su elección es actualmente limitada. Anteriormente, para sintetizar nuevos núcleos, se bombardeaban objetivos compuestos de elementos pesados, como plomo, plutonio o uranio, con núcleos relativamente ligeros, como neón-22 u oxígeno-18. Posteriormente se utilizaron para estos fines diversos isótopos de elementos más pesados: hierro-58, níquel-62, níquel-64 o zinc-70. Los productos de reacción de varios objetivos con el isótopo calcio-48 adquirieron extrema importancia.

Las reacciones en las que se bombardea un objetivo de uranio con iones de elementos superpesados ​​(el mismo uranio, californio y einstenio) se consideran prometedoras. Para aumentar la probabilidad de formación de núcleos, es necesario que el núcleo incidente tenga un momento angular relativamente pequeño y que el "núcleo compuesto" resultante tenga una forma cercana a la esférica. La violación de estos requisitos conduce al hecho de que no se producen reacciones. Sin embargo, incluso con la selección correcta de los parámetros, el proceso de síntesis es muy largo: la irradiación del objetivo durante varios meses puede conducir a la síntesis de cientos de los núcleos deseados.

Así, la elección limitada de isótopos que se pueden utilizar en reacciones de fusión, su complejidad desde un punto de vista técnico, su implementación y los largos tiempos de reacción reducen significativamente la probabilidad de sintetizar los núcleos deseados, incluso aquellos que, según predicciones teóricas, deberían ser estables.

Anteriormente se creía que el centro de la "isla de estabilidad" debería estar ubicado en la región del elemento 114, pero ¿dónde está ubicada la "isla de estabilidad" según las ideas modernas? ¿Quizás no existe en absoluto?

El centro de la "isla de estabilidad", según el modelo de capa del núcleo, corresponde a capas de protones y neutrones completamente llenas: un isótopo con un número de orden 114 y un número de masa 298, es decir, un núcleo que consta de 114 protones y 184 neutrones.

Algunos científicos creen que el centro de la "isla de estabilidad" puede corresponder al siguiente "número mágico" del protón y, por lo tanto, el elemento número 120 (y tal vez incluso el número 126) debería ser más estable. Además, debido a la alta probabilidad de desintegración α, el centro de estabilidad puede desplazarse del número 114 a los elementos 112 y 110.

Dado que para la formación de un núcleo relativamente estable es importante no sólo el número de protones que contiene, sino también el número de neutrones, hasta ahora no ha sido posible sintetizar isótopos con el número requerido de nucleones debido a la limitada elección de isótopos. en el experimento. Por tanto, no existen datos necesarios para confirmar la existencia de una “isla de estabilidad”. Sin embargo, las mediciones que se realizaron para isótopos menos estables de elementos superpesados ​​concuerdan bastante bien con los datos de los modelos teóricos.

Sin embargo, vale la pena señalar que la posición de la "isla de estabilidad" se determina en el marco del concepto de modelo de capa del núcleo, que puede no funcionar con total precisión con una gran cantidad de neutrones o protones. En particular, algunos efectos asociados con la interacción de quarks con núcleos con exceso de neutrones no se pueden explicar con su ayuda.

¿Cuál es la vida útil de los elementos en el centro de la “isla de estabilidad”?

Según las predicciones teóricas, el centro de la “isla de la estabilidad” corresponde a un núcleo formado por 114 protones y 184 neutrones. Hasta ahora no ha sido posible sintetizar un isótopo tan pesado. Sin embargo, según los modelos teóricos, exactamente este número de nucleones en el núcleo corresponde a capas de energía completamente llenas.

En cuanto a las vidas medias de estos elementos, cuando se produce la fisión nuclear, se deben tener en cuenta tres posibles procesos: la fisión nuclear espontánea, así como la desintegración α y β. Por lo tanto, la vida media del 298 114, según las predicciones del modelo, debería ser de aproximadamente 10 16 años en relación con la fisión espontánea, 10 años en relación con la desintegración α y aproximadamente 10 5 años en relación con la desintegración β.

Teniendo en cuenta todos los tipos de desintegración, el núcleo más estable resulta ser el núcleo 298 110. Según la teoría, su vida media debería ser de unos 10 9 años. Sin embargo, la región de los núcleos estables es relativamente amplia y casi todos los núcleos con un número par de protones de 110 a 114 y un número par de neutrones de 180 a 184 tienen una vida media superior a 1 año.

Hasta ahora, estas cifras son sólo el resultado de cálculos teóricos. El isótopo más pesado y estable del elemento 114 (flerovium Fl) que se ha obtenido experimentalmente hasta la fecha es el 289 Fl. Su vida media es de unos 30 segundos. El período del isótopo más estable del elemento 110 (darmstadtio Ds) es de unos 10 segundos. Sin embargo, los valores obtenidos experimentalmente concuerdan bastante bien con las predicciones de los modelos teóricos, por lo que si es posible sintetizar los núcleos deseados con una gran cantidad de neutrones, su vida útil puede aumentar significativamente.

Hace diez años, los científicos dijeron que podría haber una segunda “isla de estabilidad”. ¿Conseguiste encontrarlo?

En general, según los modelos teóricos modernos, en la región observable de los elementos pueden existir no dos, sino aún más "islas de estabilidad", que corresponderán a núcleos con capas de neutrones y protones completamente llenas, cuando el número de nucleones es igual. al llamado “número mágico”. Actualmente, un elemento que puede ser una "isla de estabilidad" corresponde a un isótopo formado por 114 protones y 184 neutrones. Según los modelos modernos de capas del núcleo, los siguientes "números mágicos" para los protones son 126 y 164, y para los neutrones, 196, 228 y 272.

Desde hace tiempo se habla de la posible existencia de núcleos relativamente estables con 120 o 126 protones, y hace diez años se hablaba de la posible existencia de una “isla de estabilidad” en la región del elemento 164. Sin embargo, si todavía se puede esperar un posible estudio del elemento 120 en un futuro relativamente cercano, entonces no es necesario hablar del estudio experimental del elemento 126, y especialmente del 164. Para ello se necesitan nuevos aceleradores de núcleos pesados, que permitirían trabajar con bajas concentraciones de isótopos de vida corta. Por el momento no existen tales dispositivos.

Actualmente, el elemento más pesado cuya síntesis se ha confirmado es el oganesón con número atómico 118. Además, cabe señalar que tampoco se ha demostrado la aplicabilidad de los modelos teóricos utilizados para núcleos tan pesados.

¿Se pueden considerar las estrellas de neutrones como un núcleo atómico gigante? Si no, ¿cuál es la diferencia fundamental?

No, una estrella de neutrones, aunque está formada principalmente por protones y neutrones, no se parece mucho a un núcleo atómico gigante. De hecho, la estrella tiene una estructura bastante compleja: al menos cinco capas con diferentes propiedades, y en algunas de ellas, como uno de los componentes importantes, se encuentran núcleos atómicos pesados. Además, en las capas exteriores de una estrella de neutrones se encuentran, por ejemplo, electrones. Y en las capas internas, más cercanas al centro de la estrella de neutrones, hay muchos neutrones libres.

A pesar de que el núcleo atómico es un sistema de mecánica cuántica con la densidad máxima de neutrones y protones de la Tierra, en las estrellas de neutrones la densidad de nucleones es mucho mayor. El tamaño de las estrellas de neutrones es de sólo un par de decenas de kilómetros y su masa a menudo excede la masa del Sol, por lo que más cerca del centro de la estrella tiene una densidad muy alta, varias veces más que en cualquier núcleo atómico. El núcleo de una estrella de neutrones contiene sólo un pequeño porcentaje de electrones y protones; la mayor parte está formada por neutrones, que se encuentran en el estado líquido de Fermi. En el mismo centro de una estrella, en el núcleo interno, la densidad de los nucleones puede ser entre 10 y 15 veces mayor que la densidad en los núcleos atómicos, mientras que la composición exacta, el estado y los mecanismos de interacción de las partículas en sistemas tan densos no son fiables. conocido.

Los estudios de núcleos ricos en neutrones proporcionan información importante sobre cómo los neutrones y los quarks pueden interactuar en el núcleo de una estrella de neutrones, pero el estado de los nucleones en el centro de una estrella de neutrones es, en cualquier caso, muy diferente de lo que se puede observar en el núcleos atómicos incluso de los elementos más pesados.

Alejandro Dubov

¿HAY UN LÍMITE?
TABLA PERIÓDICA
¿D.I.MENDELEEV?

DESCUBRIENDO NUEVOS ELEMENTOS

PAG El problema de la sistematización de los elementos químicos atrajo mucha atención a mediados del siglo XIX, cuando quedó claro que la diversidad de sustancias que nos rodean es el resultado de diferentes combinaciones de un número relativamente pequeño de elementos químicos.

En el caos de los elementos y sus compuestos, el gran químico ruso D.I Mendeleev fue el primero en restablecer el orden creando su propia tabla periódica de elementos.

Se considera el 1 de marzo de 1869 el día en que se descubrió la ley periódica, cuando Mendeleev la anunció a la comunidad científica. El científico colocó en su tabla los 63 elementos conocidos en ese momento de tal manera que las principales propiedades de estos elementos y sus compuestos cambiaban periódicamente a medida que aumentaba su masa atómica. Los cambios observados en las propiedades de los elementos en las direcciones horizontal y vertical de la tabla siguieron reglas estrictas. Por ejemplo, el carácter metálico (básico) claramente expresado en los elementos del grupo Ia disminuyó al aumentar la masa atómica a lo largo de la tabla horizontal y aumentó verticalmente.

Basándose en la ley descubierta, Mendeleev predijo las propiedades de varios elementos aún no descubiertos y su lugar en la tabla periódica. Ya en 1875 se descubrió el “ekaaluminio” (galio), cuatro años más tarde, el “ekabor” (escandio), y en 1886, el “ekasilicon” (germanio). En los años siguientes, la tabla periódica sirvió y sigue sirviendo de guía en la búsqueda de nuevos elementos y anticipación de sus propiedades.

Sin embargo, ni el propio Mendeleev ni sus contemporáneos pudieron responder a la pregunta de cuáles son las razones de la periodicidad de las propiedades de los elementos, si existe el límite del sistema periódico y dónde. Mendeleev tuvo el presentimiento de que la razón de la relación que presentaba entre las propiedades y la masa atómica de los elementos residía en la complejidad de los propios átomos.

Sólo muchos años después de la creación del sistema periódico de elementos químicos, la compleja estructura del átomo quedó demostrada en los trabajos de E. Rutherford, N. Bohr y otros científicos. Los logros posteriores de la física atómica permitieron resolver muchos problemas poco claros de la tabla periódica de elementos químicos. En primer lugar, resultó que el lugar de un elemento en la tabla periódica no está determinado por la masa atómica, sino por la carga del núcleo. Quedó clara la naturaleza de la periodicidad de las propiedades químicas de los elementos y sus compuestos.

El átomo comenzó a verse como un sistema en cuyo centro hay un núcleo cargado positivamente y a su alrededor giran electrones cargados negativamente. En este caso, los electrones se agrupan en el espacio perinuclear y se mueven a lo largo de determinadas órbitas entrando en capas de electrones.

Todos los electrones de un átomo suelen designarse mediante números y letras. Según esta notación, los principales números cuánticos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 se refieren a capas de electrones y las letras s, pag, d, F, gramo– a las subcapas (órbitas) de cada capa. El primer caparazón (contando desde el núcleo) solo tiene s-electrones, el segundo puede tener s- Y pag- electrones, tercero – s-, pag- Y d-electrones, cuarto – s-,
pag-, d- Y F- electrones, etc.

Cada capa puede contener un número muy específico de electrones: el primero - 2, el segundo - 8, el tercero - 18, el cuarto y el quinto - 32 cada uno. Esto determina el número de elementos en los períodos de la tabla periódica. Las propiedades químicas de los elementos están determinadas por la estructura de las capas electrónicas externa y preexterna de los átomos, es decir, por cuántos electrones contienen.

El núcleo de un átomo consta de partículas cargadas positivamente (protones y partículas eléctricamente neutras), neutrones, a menudo llamados en una palabra: nucleones. El número atómico de un elemento (su lugar en la tabla periódica) está determinado por el número de protones en el núcleo de un átomo de un elemento determinado. Número de masa A El átomo de un elemento es igual a la suma del número de protones. z y neutrones norte en el núcleo: A = z + norte. Los átomos de un mismo elemento con diferente número de neutrones en el núcleo son sus isótopos.

Las propiedades químicas de diferentes isótopos de un mismo elemento no difieren entre sí, pero las propiedades nucleares varían ampliamente. Esto se manifiesta principalmente en la estabilidad (o inestabilidad) de los isótopos, que depende significativamente de la proporción entre el número de protones y neutrones en el núcleo. Los isótopos de elementos estables a la luz suelen caracterizarse por un número igual de protones y neutrones. Al aumentar la carga nuclear, es decir, el número de serie del elemento en la tabla, esta relación cambia. Los núcleos pesados ​​estables tienen casi una vez y media más neutrones que protones.

Al igual que los electrones atómicos, los nucleones también forman capas. A medida que aumenta el número de partículas en el núcleo, las capas de protones y neutrones se llenan sucesivamente. Los núcleos con conchas completamente llenas son los más estables. Por ejemplo, una estructura nuclear muy estable se caracteriza por el isótopo de plomo Pb-208, que tiene capas llenas de protones ( z= 82) y neutrones ( norte = 126).

Estas capas nucleares llenas son similares a las capas electrónicas llenas de los átomos de gases nobles, que representan un grupo separado en la tabla periódica. Los núcleos atómicos estables con capas de protones o neutrones completamente llenas contienen ciertos números "mágicos" de protones o neutrones: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, 184. Así, los átomos de los elementos en general, así como en las propiedades químicas, la periodicidad de las propiedades nucleares también es inherente. Entre las diferentes combinaciones del número de protones y neutrones en los núcleos de los isótopos (par-par; par-impar; impar-par; impar-impar), se encuentran los núcleos que contienen un número par de protones y un número par de neutrones. que se distinguen por la mayor estabilidad.

La naturaleza de las fuerzas que mantienen a los protones y neutrones en el núcleo aún no está suficientemente clara. Se cree que entre los nucleones actúan fuerzas de atracción gravitacionales muy fuertes, que contribuyen a aumentar la estabilidad de los núcleos.

A A mediados de los años treinta del siglo pasado, la tabla periódica se desarrolló tanto que mostraba la posición de 92 elementos. El número de serie 92 era uranio, el último elemento pesado natural encontrado en la Tierra allá por 1789. De los 92 elementos de la tabla, sólo los elementos con los números de serie 43, 61, 85 y 87 no fueron identificados con precisión en los años treinta. Fueron descubiertos y estudiados más tarde. El elemento de tierras raras con número atómico 61, el prometio, se encontró en pequeñas cantidades en minerales como producto de la desintegración espontánea del uranio. Un análisis de los núcleos atómicos de los elementos faltantes mostró que todos son radiactivos y, debido a su corta vida media, no pueden existir en la Tierra en concentraciones notables.

Debido a que el último elemento pesado encontrado en la Tierra fue el elemento con número atómico 92, se podría suponer que este es el límite natural de la tabla periódica. Sin embargo, los logros de la física atómica indicaron el camino por el cual fue posible traspasar el límite de la tabla periódica establecida por la naturaleza.

Elementos con b oh Los números atómicos superiores a los del uranio se denominan transuranio. Estos elementos son de origen artificial (sintético). Se obtienen mediante reacciones de transformación nuclear de elementos que se encuentran en la naturaleza.

El primer intento, aunque no del todo exitoso, de descubrir la región transuránica de la tabla periódica lo realizó el físico italiano Enrico Fermi en Roma poco después de que se demostrara la existencia de los neutrones. Pero sólo en 1940-1941. Los científicos estadounidenses de la Universidad de California en Berkeley lograron el éxito en el descubrimiento de los dos primeros elementos transuránicos, a saber, el neptunio (número atómico 93) y el plutonio (número atómico 94).

Los métodos para obtener elementos transuránicos se basan en varios tipos de reacciones nucleares.

El primer tipo es la fusión de neutrones. En este método, en los núcleos de átomos pesados ​​irradiados con neutrones, uno de los neutrones se transforma en un protón. La reacción va acompañada de la llamada desintegración del electrón (desintegración): la formación y expulsión de una partícula (electrón) cargada negativamente del núcleo con una enorme energía cinética. La reacción es posible cuando hay un exceso de neutrones en el núcleo.

La reacción opuesta es la transformación de un protón en un neutrón con la emisión de una partícula + cargada positivamente (positrón). Dicha desintegración de positrones (+ desintegración) se observa cuando hay una falta de neutrones en los núcleos y conduce a una disminución en la carga del núcleo, es decir. disminuir en uno el número atómico de un elemento. Se logra un efecto similar cuando un protón se convierte en un neutrón capturando un electrón orbital cercano.

Los nuevos elementos transuránicos se obtuvieron por primera vez a partir del uranio mediante el método de fusión de neutrones en reactores nucleares (como producto de la explosión de bombas nucleares) y luego se sintetizaron utilizando aceleradores de partículas: ciclotrones.

El segundo tipo es la reacción entre los núcleos de átomos del elemento inicial (“objetivo”) y los núcleos de átomos de elementos ligeros (isótopos de hidrógeno, helio, nitrógeno, oxígeno y otros) utilizados como partículas de bombardeo. Los protones en los núcleos del “objetivo” y del “proyectil” tienen una carga eléctrica positiva y experimentan una fuerte repulsión cuando se acercan entre sí. Para superar las fuerzas repulsivas y formar un núcleo compuesto, es necesario dotar a los átomos del “proyectil” de una energía cinética muy alta. Una energía tan enorme se almacena en ciclotrones mediante el bombardeo de partículas. El núcleo compuesto intermedio resultante tiene un exceso de energía que debe liberarse para estabilizar el nuevo núcleo. En el caso de los elementos transuránicos pesados, este exceso de energía, cuando no se produce la fisión nuclear, se disipa mediante la emisión de rayos - (radiación electromagnética de alta energía) y la “evaporación” de neutrones de los núcleos excitados. Los núcleos de los átomos del nuevo elemento son radiactivos. Se esfuerzan por lograr una mayor estabilidad cambiando la estructura interna mediante la desintegración o desintegración radiactiva de los electrones y la fisión espontánea. Estas reacciones nucleares son características de los átomos más pesados ​​de elementos con números atómicos superiores a 98.

La reacción de fisión espontánea de los núcleos de átomos de elementos radiactivos fue descubierta por nuestro compatriota G.N. Flerov y el checo K.A. Petrzhak en el Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares (JINR, Dubna) en experimentos con uranio-238. Un aumento del número atómico conduce a una rápida disminución de la vida media de los núcleos de los átomos de elementos radiactivos.

En relación con este hecho, el destacado científico estadounidense G.T. Seaborg, premio Nobel que participó en el descubrimiento de nueve elementos transuránicos, creía que el descubrimiento de nuevos elementos probablemente terminaría en torno al elemento con número atómico 110 (similar en propiedades al platino). ). Esta idea sobre los límites de la tabla periódica se expresó en los años 60 del siglo pasado con una salvedad: a menos que se descubran nuevos métodos de síntesis de elementos y la existencia de regiones de estabilidad de los elementos más pesados ​​aún desconocidas. Algunas de estas oportunidades han sido identificadas.

El tercer tipo de reacciones nucleares para la síntesis de nuevos elementos es la reacción entre iones de alta energía con masa atómica media (calcio, titanio, cromo, níquel) como partículas bombarderas y átomos de elementos estables (plomo, bismuto) como “ objetivo” en lugar de isótopos radiactivos pesados. Esta forma de obtener elementos más pesados ​​fue propuesta en 1973 por nuestro científico Yu.Ts Oganesyan de JINR y se utilizó con éxito en otros países. La principal ventaja del método de síntesis propuesto fue la formación de núcleos compuestos menos "calientes" cuando se fusionaron los núcleos "proyectil" y "objetivo". La liberación del exceso de energía de los núcleos compuestos en este caso se produjo como resultado de la "evaporación" de un número significativamente menor de neutrones (uno o dos en lugar de cuatro o cinco).

Una reacción nuclear inusual entre iones del raro isótopo Ca-48, acelerada en un ciclotrón
U-400 y átomos del elemento actínido curio Cm-248 con la formación del elemento-114 ("eca-plomo") se descubrieron en Dubna en 1979. Se descubrió que en esta reacción se forma un núcleo "frío" que no “evapora” ni un solo neutrón, y todo el exceso de energía es arrastrado por una partícula. Esto significa que para la síntesis de nuevos elementos también se puede implementar cuarto tipo reacciones nucleares entre iones acelerados de átomos con números de masa promedio y átomos de elementos transuránicos pesados.

EN En el desarrollo de la teoría del sistema periódico de elementos químicos, jugó un papel importante la comparación de las propiedades químicas y la estructura de las capas electrónicas de los lantánidos con números de serie 58 a 71 y actínidos con números de serie 90 a 103. Se demostró que la similitud de las propiedades químicas de los lantánidos y actínidos se debe a la similitud de sus estructuras electrónicas. Ambos grupos de elementos son un ejemplo de una fila de transición interna con relleno secuencial 4 F- o 5 F-carcasas electrónicas, respectivamente, después de llenar el exterior s- Y R-orbitales electrónicos.

Los elementos con números en la tabla periódica de 110 o más se denominaron superpesados. El progreso hacia el descubrimiento de estos elementos se vuelve cada vez más difícil y requiere más tiempo, porque... No basta con sintetizar un nuevo elemento; es necesario identificarlo y demostrar que el nuevo elemento tiene propiedades únicas para él. Las dificultades surgen del hecho de que se dispone de un pequeño número de átomos para estudiar las propiedades de nuevos elementos. El tiempo durante el cual se puede estudiar un nuevo elemento antes de que se produzca la desintegración radiactiva suele ser muy corto. En estos casos, incluso cuando se obtiene sólo un átomo de un nuevo elemento, se utiliza el método de los trazadores radiactivos para su detección y el estudio preliminar de algunas características.

El elemento 109, meitnerio, es el último elemento de la tabla periódica que se presenta en la mayoría de los libros de texto de química. El elemento 110, que pertenece al mismo grupo de la tabla periódica que el platino, fue sintetizado por primera vez en Darmstadt (Alemania) en 1994 utilizando un potente acelerador de iones pesados ​​según la reacción:

La vida media del isótopo resultante es extremadamente corta. En agosto de 2003, la 42ª Asamblea General de la IUPAC y el Consejo de la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) aprobaron oficialmente el nombre y símbolo del elemento-110: darmstadtium, Ds.

Allí, en Darmstadt, en 1994, se obtuvo por primera vez el elemento 111 exponiendo un haz de 64 iones isotópicos de 28 Ni a 209 83 átomos de Bi como “objetivo”. Por decisión de 2004, la IUPAC reconoció el descubrimiento y aprobó la propuesta de denominar elemento 111 roentgenio, Rg, en honor al destacado físico alemán W.K. X-rayos, a los que dio tal nombre por la incertidumbre de su naturaleza.

Según información recibida de JINR, en el Laboratorio de Reacciones Nucleares que lleva su nombre. G.N. Flerov sintetizó elementos con números de serie 110-118 (con la excepción del elemento 117).

Como resultado de la síntesis según la reacción:

En Darmstadt, en 1996, se obtuvieron varios átomos del nuevo elemento 112, que se descompone con la liberación de partículas. La vida media de este isótopo fue de sólo 240 microsegundos. Un poco más tarde, en JINR, se llevó a cabo una búsqueda de nuevos isótopos del elemento 112 irradiando átomos de U-235 con iones Ca-48.

En febrero de 2004, aparecieron en prestigiosas revistas científicas informes sobre el descubrimiento en JINR por nuestros científicos junto con investigadores estadounidenses del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EE.UU.) de dos nuevos elementos con los números 115 y 113. Este grupo de científicos en experimentos realizados en Julio: en agosto de 2003, en un ciclotrón U-400 con un separador lleno de gas, en la reacción entre los átomos de Am-243 y los iones del isótopo Ca-48, 1 átomo del isótopo del elemento 115 con un número de masa de 287 y 3 Se sintetizaron átomos con un número másico de 288. Los cuatro átomos del elemento -115 se desintegraron rápidamente, liberando partículas y formando isótopos del elemento-113 con números másicos 282 y 284. El isótopo más estable, 284113, tuvo una vida media de aproximadamente. 0,48 s. Se derrumbó con la emisión de partículas y se convirtió en el isótopo de roentgenio 280 Rg.

En septiembre de 2004, un grupo de científicos japoneses del Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas dirigido por Kosuki Morita (Kosuke Morita) afirmaron que sintetizaron el elemento 113 según la reacción:

Cuando se desintegra con la liberación de partículas -, se obtiene el isótopo de roentgenio 274 Rg. Como se trata del primer elemento artificial obtenido por los científicos japoneses, consideraron que tenían derecho a proponer llamarlo “Japón”.

La inusual síntesis del isótopo del elemento 114 con número másico 288 a partir del curio ya se ha mencionado anteriormente. En 1999, apareció un mensaje sobre la producción del mismo isótopo del elemento 114 en JINR bombardeando átomos de plutonio con un número másico de 244 con iones Ca-48.

También se anunció que los elementos con los números de serie 118 y 116 fueron descubiertos como resultado de largos estudios conjuntos de reacciones nucleares de los isótopos californio Cf-249 y curio Cm-245 con un haz de iones pesados ​​Ca-48, transportado realizado por científicos rusos y estadounidenses en el período 2002-2005. en JINR. El elemento 118 cierra el séptimo período de la tabla periódica; en sus propiedades es un análogo del gas noble radón. El elemento 116 debería tener algunas propiedades en común con el polonio.

Tradicionalmente, el descubrimiento de nuevos elementos químicos y su identificación debe ser confirmado por una decisión de la IUPAC, pero el derecho de proponer nombres para los elementos se deja a los descubridores. Como un mapa de la Tierra, la tabla periódica reflejaba los nombres de territorios, países, ciudades y centros científicos donde se descubrieron y estudiaron los elementos y sus compuestos, e inmortalizó los nombres de científicos famosos que hicieron una gran contribución al desarrollo de la tabla periódica. sistema de elementos químicos. Y no es casualidad que el elemento 101 lleve el nombre de D.I.

Para responder a la pregunta de dónde puede estar el límite de la tabla periódica, en un momento se evaluaron las fuerzas electrostáticas de atracción de los electrones internos de los átomos hacia un núcleo cargado positivamente. Cuanto mayor es el número atómico de un elemento, más se comprime la “capa” de electrones alrededor del núcleo y más fuertemente se sienten atraídos los electrones internos hacia el núcleo. Debe llegar un momento en el que los electrones comiencen a ser captados por el núcleo. Como consecuencia de esta captura y reducción de la carga nuclear, la existencia de elementos muy pesados ​​se vuelve imposible. Debería surgir una situación catastrófica similar cuando el número de serie del elemento sea 170–180.

Esta hipótesis fue refutada y se demostró que no existen restricciones a la existencia de elementos muy pesados ​​desde el punto de vista de las ideas sobre la estructura de las capas electrónicas. Las limitaciones surgen como resultado de la inestabilidad de los propios núcleos.

Sin embargo, hay que decir que la vida útil de los elementos disminuye de forma irregular a medida que aumenta el número atómico. La siguiente región esperada de estabilidad de los elementos superpesados, debido a la aparición de capas cerradas de neutrones o protones del núcleo, debería estar en las proximidades de un núcleo doblemente mágico con 164 protones y 308 neutrones. Las posibilidades de descubrir tales elementos aún no están claras.

Por tanto, la cuestión de los límites de la tabla periódica de elementos aún persiste. Según las reglas para llenar las capas de electrones con un número atómico creciente de un elemento, el octavo período previsto de la tabla periódica debería contener elementos superactínidos. El lugar que les asigna en la tabla periódica de D.I. Mendeleev corresponde al grupo III de elementos, al igual que las ya conocidas tierras raras y los actínidos transuránicos.

Científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia) y la Universidad de Mainz (Alemania) han sugerido que una de las estrellas más inusuales conocidas por los astrónomos contiene elementos químicos de la isla de la estabilidad. Estos son los elementos que se encuentran al final de la tabla periódica; se distinguen de sus vecinos de la izquierda por su vida útil más larga. El estudio fue publicado en la biblioteca de preimpresiones electrónicas arXiv.org; se describen sus resultados y elementos químicos superpesados ​​​​estables.

La estrella HD 101065 fue descubierta en 1961 por el astrónomo polaco-australiano Antonin Przybylski. Se encuentra a unos 400 años luz de la Tierra en la constelación de Centauro. Lo más probable es que HD 101065 sea más ligera que el Sol y sea una estrella de secuencia principal, una subgigante. Una característica especial de la estrella de Przybylski es el bajísimo contenido de hierro y níquel en la atmósfera. Al mismo tiempo, la estrella es rica en elementos pesados, como estroncio, cesio, torio, iterbio y uranio.

La estrella de Przybylski es la única en la que se han descubierto elementos radiactivos de vida corta, los actínidos, con un número atómico (el número de protones en el núcleo) de 89 a 103: actinio, plutonio, americio y einstenio. HD 101065 es similar a HD 25354, pero la presencia de americio y curio es cuestionable.

El mecanismo de formación de elementos superpesados ​​en la estrella de Przybylski aún no está del todo claro. Se suponía que HD 101065, junto con una estrella de neutrones, forma un sistema binario: las partículas de la segunda caen sobre la primera, provocando reacciones de fusión de elementos pesados. Esta hipótesis aún no ha sido confirmada, aunque es posible que un satélite oscuro se encuentre a una distancia de aproximadamente mil unidades astronómicas de HD 101065.

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HD 101065 se parece mucho a las estrellas Ap, unas estrellas peculiares de clase espectral A, en cuyo espectro se realzan las líneas de los metales de tierras raras. Tienen un fuerte campo magnético; los elementos pesados ​​ingresan a su atmósfera desde las profundidades. HD 101065 se diferencia de otras estrellas Ap por cambios a corto plazo en la curva de luz, lo que hizo posible incluirla en un grupo separado de estrellas RoAp (estrellas Ap de oscilación rápida).

Es probable que los intentos de los científicos de incluir HD 101065 en la clasificación de estrellas existente algún día se vean coronados por el éxito. Si bien la estrella de Przybylski se considera una de las más inusuales, esto permite sospechar que tiene una serie de propiedades inusuales. En particular, en el último trabajo sobre HD 101065, investigadores australianos y alemanes supusieron que en la estrella de Przybylski nacen elementos químicos pertenecientes a la isla de estabilidad.

Los científicos partieron del modelo de capa del núcleo y sus extensiones. El modelo relaciona la estabilidad del núcleo atómico con el llenado de los niveles de energía de las capas que, por analogía con las capas electrónicas del átomo, forman el núcleo. Cada neutrón y protón están ubicados en una determinada capa (distancia del centro del átomo o nivel de energía) y se mueven independientemente uno del otro en un determinado campo autoconsistente.

Se cree que cuanto más llenos estén los niveles de energía del núcleo, más estable será el isótopo. El modelo explica bien la estabilidad de los núcleos atómicos, los espines y los momentos magnéticos, pero es aplicable sólo a núcleos no excitados o de tamaño ligero y mediano.

Según el modelo de capas, los núcleos con capas de energía completamente llenas se caracterizan por una alta estabilidad. Estos elementos forman la “isla de estabilidad”. Comienza con isótopos con números de serie 114 y 126, correspondientes a los números mágico y doble mágico.

Los núcleos con el número mágico de nucleones (protones y neutrones) tienen la energía de enlace más fuerte. En la tabla de nucleidos están ordenados de la siguiente manera: horizontalmente de izquierda a derecha en orden ascendente se indica el número de protones, y verticalmente de arriba a abajo el número de neutrones. Un núcleo doblemente mágico tiene un número de protones y neutrones igual a algún número mágico.

La vida media de los isótopos de flerovium (elemento 114) obtenidos en Dubna es de hasta 2,7 segundos. Según la teoría, debería existir un isótopo de flerovio-298 con un número mágico de neutrones N = 184 y una vida útil de unos diez millones de años. Hasta ahora no ha sido posible sintetizar tal núcleo. A modo de comparación, la vida media de los elementos vecinos con un número de protones en el núcleo igual a 113 y 115 es de hasta 19,6 segundos (para el nihonio-286) y 0,156 segundos (para el moscovio-289), respectivamente.

Los autores de la publicación en arXiv.org creen que la presencia de actínidos en la atmósfera de HD 101065 sugiere que allí también se encuentran elementos químicos de la isla de estabilidad. Los actínidos en este caso son producto de la descomposición de elementos superpesados ​​​​estables. Los científicos proponen buscar en los espectros de HD 101065 trazas de nobelio, lawrencio, nihonio y flerovium y describen espectros específicos que pueden producir isótopos estables.

Actualmente, se están sintetizando nuevos elementos de la tabla periódica en Rusia, Estados Unidos, Japón y Alemania. No se han encontrado elementos transuránicos en el entorno natural de la Tierra. La estrella HD 101065 puede ofrecer nuevas oportunidades para probar las teorías de los físicos nucleares que sugieren la existencia de una isla de estabilidad.