Elementos superpesados desafían la tabla periódica

En los rincones remotos de la tabla periódica, comenzando con el elemento 104 (Rutherfordio), existen regiones donde todo se desvía de lo esperado. Estos elementos, como el dubnio, seaborgio, bohrio y otros, nunca se encuentran en la naturaleza. Sus núcleos, saturados de protones y neutrones, se desintegran en momentos después de ser creados debido a la fisión o descomposición radiactiva.

Estos elementos se denominan superpesados. El más pesado de ellos es el oganesón (elemento 118). Desde 2002, cuando se creó por primera vez en el laboratorio, los científicos han podido sintetizar solo cinco átomos de él. El oganesón es tan radiactivo que es imposible sostenerlo en las manos; se asemeja más a calor que a materia.

Los investigadores utilizan métodos ultrarrápidos para estudiar estas regiones desconocidas de la tabla periódica. Aquí, en el límite de la química, los átomos poseen propiedades sorprendentes: desde núcleos con forma de calabaza hasta electrones que obedecen las leyes de la relatividad. Estudiar estas propiedades puede arrojar luz sobre los elementos primordiales creados en eventos astrofísicos, como supernovas y fusiones de estrellas de neutrones.

Un póster con la tabla de elementos, organizada por el número de protones y neutrones, cuelga en el pasillo del laboratorio Lawrence Berkeley. Este gráfico contiene toda la información conocida sobre la estructura y desintegración de los núcleos de elementos y sus isótopos. Se actualiza constantemente, como un mapa de navegantes con nuevas islas, donde las islas son los isótopos de elementos pesados, visibles solo en aceleradores de partículas.

El Rutherfordio fue sintetizado por primera vez en 1969 en el laboratorio de Berkeley y en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en Dubna, Rusia. Desde entonces, varios institutos científicos compiten por crear nuevos elementos. Hoy en día, laboratorios en Alemania y Japón participan en la carrera. Por ejemplo, el elemento 113, llamado nihonio, fue sintetizado por primera vez en 2004 en Japón.

La investigación de los elementos superpesados continúa no solo por el derecho a nombrar nuevos elementos, sino también porque los teóricos predicen la posibilidad de crear elementos con mayor estabilidad. Tales elementos podrían tener una vida media de un año o incluso miles de días, lo que abriría nuevas posibilidades para experimentos y tecnologías.

Crear estos elementos es difícil. Los científicos utilizan haces de iones pesados dirigidos a un material objetivo. Por ejemplo, para producir flerovio (114 protones), es necesario colisionar calcio (20 protones) con plutonio (94 protones). La mayor parte del tiempo, el haz de iones atraviesa el objetivo sin interacciones, pero en colisiones exitosas se crean nuevos átomos temporales.

Estos átomos son capturados y medidos usando helio y campos eléctricos. Los científicos estudian sus propiedades observando las reacciones que pueden realizar antes de desintegrarse. Por ejemplo, el flerovio, según datos recientes, forma enlaces fuertes con el oro a temperatura ambiente, lo que lo distingue de los gases nobles.

Los electrones en estos átomos pesados experimentan una poderosa atracción del núcleo, lo que los hace moverse a velocidades cercanas a la de la luz. Esto crea efectos relativistas que cambian el comportamiento químico de los elementos. Como resultado, los elementos pesados pueden no seguir las reglas químicas habituales de la tabla periódica. El oganesón, por ejemplo, tiene una nube de electrones difusa, lo que dificulta su estudio.

Las discusiones sobre la ubicación de algunos elementos en la tabla periódica continúan. Desde 2015, un grupo de expertos de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada debate dónde deberían estar los elementos lantano y actinio, así como lutecio y lawrencio. Esto se debe a que los efectos relativistas influyen en la disposición de sus electrones externos.

Además de los experimentos químicos, los científicos estudian la forma de los núcleos de los elementos superpesados. Estos núcleos a menudo tienen una forma ovalada, y en elementos más pesados teóricamente pueden tener formas que recuerdan a platillos voladores o incluso burbujas. La forma del núcleo influye en su estabilidad y puede ayudar a los científicos a determinar qué combinaciones de protones y neutrones pueden existir.

Existen los llamados números mágicos de protones y neutrones, que hacen que los núcleos sean más estables. Por ejemplo, se podría alcanzar una isla de estabilidad con ciertas combinaciones de números mágicos. Sin embargo, aún no está claro si existen tales combinaciones que puedan mantener los núcleos pesados sin desintegrarse.

Curiosamente, existe la posibilidad teórica de encontrar núcleos sin nubes de electrones, que no podrían reaccionar químicamente. Esto cuestiona las concepciones habituales de la tabla periódica y la química en general.

Los astrofísicos también estudian elementos superpesados en el espacio. Estos elementos pueden formarse como resultado de la rápida captura de neutrones, que ocurre en eventos catastróficos como la colisión de estrellas de neutrones. Las observaciones de eventos como la fusión de estrellas de neutrones ayudan a entender los procesos de formación de elementos pesados.

En 2017, los científicos observaron por primera vez la fusión de estrellas de neutrones, registrando las ondas gravitacionales causadas por este evento. Esto confirmó la teoría de que el proceso-r ocurre en tales eventos. Los investigadores encontraron isótopos de lantanoides en este evento, lo que indica la presencia de elementos pesados. Sin embargo, para detectar elementos superpesados, es necesario determinar con mayor precisión los espectros de luz que emiten y absorben.

En diciembre de 2023, los astrónomos informaron sobre el exceso de varios elementos más ligeros, como el rutenio, rodio, paladio y plata, en algunas estrellas. Estos elementos pueden ser el resultado de la descomposición de elementos pesados o superpesados, lo que indica la posibilidad de núcleos con un número de protones y neutrones de hasta 260.

En la Universidad de Michigan, se realizaron recientemente investigaciones en las que se crearon isótopos pesados de tulio, iterbio y lutecio utilizando un nuevo y poderoso acelerador de isótopos raros. Estos isótopos pueden ayudar a los científicos a entender los procesos que ocurren durante la captura de neutrones y su papel en la formación de elementos pesados.

En todo el mundo, los científicos continúan perfeccionando sus métodos y equipos para la síntesis y estudio de elementos superpesados. Por ejemplo, en el laboratorio Lawrence Berkeley se están instalando nuevos instrumentos para mediciones más precisas de la masa de átomos individuales. Esto permitirá obtener nuevos datos sobre las propiedades y el comportamiento de los elementos superpesados.

El estudio de los elementos superpesados abre nuevos horizontes para los científicos en la comprensión de los procesos químicos y nucleares. Estos elementos, creados artificialmente, poseen propiedades únicas que no se encuentran en condiciones naturales. La investigación en este campo ayuda a los científicos no solo a comprender mejor la estructura y el comportamiento de la materia, sino también a arrojar luz sobre los procesos que ocurren en las condiciones más extremas del universo. A medida que las tecnologías y métodos de investigación mejoran, los científicos continúan descubriendo nuevos aspectos de los elementos superpesados. Estos descubrimientos pueden llevar a nuevos logros en la ciencia y la tecnología, así como ayudar a comprender las leyes fundamentales de la naturaleza.