La búsqueda de los números mágicos

March 13, 2016

El año de 2016 comenzó con una selecta colección de revistas informando la redecoración de las paredes de los laboratorios de química en todo o mundo. Es que, de un momento a otro, quedaron desactualizados los pósteres exhibiendo la famosa tabla periódica, la lista que organiza los elementos químicos conocidos según sus características y propiedades. En un comunicado a la prensa, el 30 de diciembre de 2015, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) reconocieron oficialmente la existencia de cuatro elementos químicos descubiertos en los últimos años. Son los elementos de número 113, 115, 117 y 118, todavía sin un nombre oficial, que se suman a los 114 identificados anteriormente.

 

Los nuevos elementos químicos son llamados superpesados porque abrigan en su núcleo un número elevado de protones (partículas de carga eléctrica positiva), muy superior a los elementos químicos encontrados en la naturaleza. Es ese conjunto de protones, el llamado número atómico, que distingue un elemento químico de otro y define muchas de sus características. Por ejemplo, el carbono, que constituye la mayor parte de la masa de los seres vivos, abriga en su núcleo apenas seis protones. A temperatura ambiente, el carbono forma cristales que pueden ser negros y suaves, como el grafito, o transparentes y duros, como el diamante, dependiendo de cómo los átomos están geométricamente organizados. El elemento químico natural más pesado, el uranio, es un sólido metálico bastante denso y radiactivo. Tiene 92 protones y, todavía así, es bien liviano que los cuatro aumentados ahora a la tabla periódica.

 

Los nuevos elementos son difíciles de observar y no deben existir espontáneamente en la naturaleza, al menos no por mucho tiempo. Por tener núcleos superpesados, son tan instables y fugaces que se descomponen en fracciones de segundo. La existencia de ellos solo puede ser confirmada por medio de una serie de experimentos realizados a lo largo de la última década.

 

Uno de los pocos laboratorios capaces de fabricar esos elementos está en el Instituto Riken, en Japón. Fue allá que, en 2004, se identificó el elemento 113. Otros laboratorios con la misma capacidad están en el Instituto Conjunto para Investigación Nuclear, en Dubna, en Rusia, y en centros de los Estados Unidos. Una colaboración entre un equipo de Dubna e investigadores norteamericanos, la mayoría del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, produjo el elemento 115 en 2004, el 118 en 2006 y el 117 en 2010.

 

Con los cuatro nuevos elementos químicos, sumados a los elementos 114 y 116, cuya existencia fue reconocida en 2011, finalmente fueron adicionados todos los espacios vacíos en la séptima línea de la tabla periódica. “Sólo en los últimos 50 años, 17 nuevos elementos químicos fueron aumentados a la tabla, del 102 al 118”, dice el físico Edilson Crema, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP).

 

“Cuando el químico francés Antoine Lavoisier publicó en 1789 el Tratado elementar de química, considerado un marco de la química moderna, la obra contaba con apenas 33 elementos”, observa el químico e historiador de la ciencia Carlos Alberto Filgueiras, de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG). En aquella época la identificación de nuevos elementos químicos dependía del desarrollo de productos y métodos de extracción para estudiar los minerales. “El análisis de las propiedades de nuevos minerales muchas veces revelaba la presencia de un elemento químico hasta entonces desconocido”, explica.

 

La tabla periódica solo surgiría en el final de los años 1860. Los químicos ya habían entonces percibido que los elementos, enlistados en orden creciente de la masa atómica (la suma de sus protones y neutrones), formaban series con propiedades físicas y químicas semejantes, que se repetían periódicamente a lo largo de la fila. A partir de esas observaciones, el químico ruso Dmitri Mendeleev ordenó los 65 elementos identificados hasta entonces en lo que llamó de tabla periódica de los elementos químicos. El previno la existencia de otros, como el Galio y el Germanio, solo descubiertos años después.

 

Después de ocupar casi todos los vacíos de la tabla periódica entre el hidrógeno con 1 protón y uranio con 92, se comenzó a usar aceleradores de partículas en los años 1940 para intentar producir elementos químicos más pesados que el uranio. Los primeros elementos químicos sintéticos fueron formados por la adición de un neutrón, que, al adherir al núcleo, se convierte en un protón, liberando un electrón y un neutrino. Esa estrategia funcionó hasta el Férmio, que tiene 100 protones. A partir de ahí, los elementos pesados pasaron a ser creados por la colisión y fusión de dos núcleos más leves.

 

La producción de esos elementos exige un ajuste fino entre las masas de los núcleos y la energía con que son lanzados unos contra otros. Es que la colisión tiene que ocurrir con energía suficiente para vencer la fuerza de repulsión entre los núcleos que tienen carga eléctrica positiva. Por otro lado, la energía no puede ser muy elevada al punto de impedir la formación de un núcleo mayor y estable por instantes. El objetivo de los físicos no es apenas fabricar elementos químicos nuevos. Es sino también una forma de testar las teorías sobre como protones y neutrones interaccionan y como la materia se comporta en un nivel todavía más elemental. Esas teorías explican cómo los elementos más leves – como hidrógeno, helio y litio – se formaron en la explosión que dio origen al Universo, el Big Bang, y después produjeron los demás elementos por fusión nuclear en el interior de estrellas y durante las explosiones que las extinguieron.

 

El núcleo de los átomos es una región en constante tensión. Los protones se repelen mutuamente por tener carga eléctrica del mismo signo, positiva. Solo se mantienen unidos por la acción de una fuerza contraria, de atracción: la fuerza nuclear fuerte. Ese equilibrio entre esas fuerzas es bastante delicado. Segundo Crema, los núcleos, además de protones, contienen cierto número de neutrones, partículas eléctricamente neutras. “Los neutrones son una especie de estabilizadores nucleares”, dice. “Núcleos con muchos protones exigen un número todavía mayor de neutrones en relación al número de protones, lo que torna más difícil formar núcleos superpesados.”

 

Una teoría llamada modelo de capas propone que, en el núcleo de los átomos, los protones y los neutrones se encuentran organizados en capas concéntricas, cada una de ellas portando un número máximo de partículas – el llamado número mágico. De acuerdo con ese modelo, cuanto más completa es la capa externa de un núcleo, es más estable. Esa idea, en principio, explica por qué algunos núcleos pesados se descomponen fácilmente mientras otros existen por más tempo. Los físicos esperan fabricar elementos conteniendo números mágicos de partículas. Ellos tendrían así la oportunidad de mantenerse estables por varios años y permitirían iniciar una octava o hasta novena línea en la tabla periódica. “Mas eso”, dice Crema, “todavía es solo conjetura y esperanza”.

 

Articulo Original 

 

Igor Zolnerkevic. Revista Pesquisa Fapesp ed 240, febrero 2016.

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