¿Dónde termina la tabla periódica de elementos químicos y qué procesos conducen a la existencia de elementos pesados? Un equipo de investigación internacional informa sobre experimentos realizados en el acelerador GSI/FAIR y en la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia para acercarse a la respuesta. Obtuvieron información sobre la estructura del núcleo atómico del fermio (elemento 100) con diferente número de neutrones. Utilizando técnicas de espectroscopia láser de última generación, rastrearon la evolución del radio de carga nuclear y descubrieron un aumento constante con la adición de neutrones al núcleo. Esto indica que los efectos locales de las capas nucleares tienen poco efecto sobre el radio de carga nuclear en estos núcleos pesados. Los resultados fueron publicados en la revista Science. la naturaleza.
Los elementos además del uranio (elemento 92), como el fermio (elemento 100), no se encuentran naturalmente en la corteza terrestre. Para poder estudiarlos, es necesario prepararlos artificialmente de esta manera. Vinculan los elementos naturales más pesados con los llamados elementos superpesados, comenzando con el elemento 104. Los elementos superpesados deben su existencia a los efectos estabilizadores de la mecánica cuántica, que añaden aproximadamente dos milésimas de la energía de enlace atómica total. Aunque se trata de una contribución pequeña, es decisiva para contrarrestar las fuerzas repulsivas entre muchos protones cargados positivamente.
EFECTOS MECÁNICOS CUÁNTICOS Los componentes básicos del núcleo atómico, los protones y neutrones, que juntos forman el núcleo, se describen mediante el modelo de capa atómica. Al igual que los átomos, donde las capas electrónicas llenas conducen a la estabilidad química y la inercia, los núcleos con capas atómicas llenas (que contienen el llamado número “mágico” de protones/neutrones) exhiben una mayor estabilidad. En consecuencia, aumentan sus energías de enlace nuclear y su vida útil. En los núcleos ligeros, las capas nucleares llenas también influyen en las tendencias de los radios de carga nuclear.
Mediante métodos de espectroscopia láser se pueden analizar cambios sutiles en la estructura atómica, lo que a su vez proporciona información sobre propiedades nucleares como el radio de carga nuclear, es decir, la distribución de los protones en el núcleo atómico. Estudios de varios núcleos del mismo elemento, pero con diferentes números de neutrones, han revelado un aumento constante de este radio, hasta cruzar el número mágico. Luego, se observa una torcedura, ya que la pendiente del incremento radial cambia a medida que se cierra el caparazón. Este efecto se encontró en núcleos atómicos ligeros y esféricos hasta el plomo.
Nuevos conocimientos sobre la estructura atómica de los núcleos pesados
“Utilizando un método basado en láser, investigamos los núcleos atómicos de femio, que contienen 100 protones y entre 145 y 157 neutrones. En particular, investigamos los efectos de la capa de mecánica cuántica sobre el tamaño de los núcleos atómicos. La estructura de estos núcleos en el rango alrededor del conocido efecto de capa en el neutrón número 152 desde una nueva perspectiva”, dijo el Dr. Sebastian Reeder, portavoz del experimento en GSI/FAIR. Dice. “Con este número de neutrones, las firmas del cierre de la capa de neutrones se observaron por primera vez en las tendencias de las energías de enlace nuclear. La fuerza del efecto de la capa se midió en 2012 con mediciones de masa de alta precisión en GSI/FAIR. En consecuencia, estos estudios a gran escala Las mediciones han dado pistas sobre la energía de enlace adicional que el núcleo atómico alrededor del número de neutrones 152 constituye un banco de pruebas ideal para estudios más profundos, debido a su forma. En lugar de ser esférica, esta deformación permite que muchos protones en su núcleo estén más separados que en un núcleo esférico”.
Para las mediciones actuales, una colaboración internacional de 27 instituciones de siete países investigó la vida útil de los isótopos de fermio que van desde unos pocos segundos hasta cientos de días, utilizando diferentes métodos para preparar isótopos de fermio y técnicas de espectroscopia láser. En el acelerador GSI/FAIR se produjeron isótopos de vida corta, en algunos casos sólo se disponía de unos pocos átomos por minuto para los experimentos. Para investigarlos se utilizó un método de espectroscopia láser adecuado que los investigadores desarrollaron hace unos años para medir isótopos de nobelio. Los núcleos resultantes se suspendieron en gas argón y recogieron electrones para formar átomos neutros, que luego fueron sondeados con luz láser.
Se produjeron isótopos de fermio de larga vida y ricos en neutrones (fermio-255, fermio-257) en cantidades de picogramos en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Oak Ridge, EE.UU., y en el Instituto Lau-Langionet en Grenoble, Francia. La preparación radioquímica de las muestras se realizó en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU). Posteriormente, utilizando un método diferente, se evaporaron en un depósito y se examinaron al vacío con luz láser.
La luz láser de la longitud de onda adecuada impulsa un electrón de un átomo de fermio a una órbita más alta y luego lo elimina por completo del átomo para formar un ion de fermio, que puede detectarse eficazmente. La energía exacta requerida para este proceso gradual de formación de iones varía con el número de neutrones. Este pequeño cambio en la energía de excitación se midió para obtener información sobre el cambio de tamaño de los núcleos atómicos.
Dominio de las características macroscópicas.
La investigación proporcionó información sobre los cambios en el radio de carga atómica en los isótopos de femio a lo largo del neutrón número 152 y mostró un aumento constante y uniforme. La comparación de datos experimentales con varios cálculos realizados por socios de colaboración internacionales utilizando modelos teóricos avanzados de física nuclear permite la interpretación de efectos físicos fundamentales. A pesar de los diferentes métodos de cálculo, se encontró que todos los modelos concordaban entre sí y con los datos experimentales.
“Nuestros resultados experimentales y su interpretación con métodos teóricos modernos muestran que en los núcleos de Fermio los efectos de las capas nucleares tienen poco efecto sobre los radios de carga nuclear, a diferencia de las energías de enlace de estos núcleos”, dice la Dra. Jessica. “. Warbeneck, estudiante de doctorado en GSI/FAIR y JGU en el momento de los experimentos y primer autor de la publicación. “Los resultados confirman las predicciones teóricas de que los efectos locales de las capas, causados por unos pocos neutrones y protones individuales, pierden influencia a medida que aumenta la masa nuclear. En cambio, los efectos causados por todos los nucleones se vuelven dominantes. Se atribuye al conjunto completo de, pero más bien con núcleos vistos como gotas de líquido cargadas”.
Las mejoras experimentales del método han allanado el camino para futuros estudios espectroscópicos láser de elementos pesados en la región alrededor del número de neutrones 152 y más allá y representan un paso hacia una mejor comprensión de los procesos de estabilidad en elementos pesados y ultrapesados. Los avances en curso prometen que futuros estudios podrán revelar efectos aún más débiles de la estructura de la capa nuclear, que, sin embargo, son la base de la existencia de la mayoría de los elementos conocidos.
