En colaboración científicos estadounidenses y rusos crean el elemento químico 117.

Un equipo de físicos estadounidenses y rusos han creado un elemento químico con el número atómico Z=117, llenando un hueco en la Tabla Periódica de los Elementos. El nuevo elemento súper-pesado, ‘nació’ en un acelerador en Dubna, Rusia, y requirió los esfuerzos colaborativos coordinados entre cuatro instituciones en Estados Unidos de América y dos en Rusia y más de dos años para conseguirlo, es de destacar lo que logró la cooperación internacional. La identificación del elemento 117 entre los productos de la reacción del berkelio 249 con el calcio 48 ocurrió a finales del 2009 y los resultados fueron publicados en abril del 2010. La producción del blanco berkelio 249, con un corto periodo de vida media de T1/2=320 días, requirió una intensa irradiación de neutrones en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR, High Flux Isotope Reactor) del ORNL (Oak Ridge National Laboratory), la separación química en otro reactor obtuvo productos que incluyeron el californium 252, otra vez, en el ORNL, siguiendo la fabricación del blanco en Dimitrovgrad, Rusia y seis meses de bombardear el acelerador con un haz intenso de calcio 48 en Dubna, Rusia (Una carrera continua intercontinental contra el decaimiento radioactivo).

El análisis de la información experimental fue desarrollado de manera independiente en Dubna y Lawrence Livermore National Laboratory, proporcionando análisis de los datos prácticamente las 24 horas del día, debido al diferencial de tiempo entre Rusia y California (Entre 11 y 12 horas) Se observaron seis átomos del elemento 117 (Cinco de 117293 y uno de 117294) y un total de 11 nuevos nucleídos fueron descubiertos en el decaimiento de los productos de esos dos isótopos de Z=117. Se observó al medir las vidas medias de los nuevos núcleos súper-pesados que estas se incrementaban con un mayor número de neutrones.

Este trabajo representa la verificación experimental para la existencia de la isla predicha de estabilidad mejorada. Científicos y estudiantes de la Vanderbilt University y la University of Nevada también contribuyeron en este exitoso experimento.

Esta entrada participa en el XXV Carnaval de Física cuyo anfitrión en esta edición es el blog “Últimas noticias del Cosmos“, gestionado por Gerardo Blanco.

Referencias

Argonne National Laboratory

TRIUMF

Grand Accélérateur National d’Ions Lourds

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

CERN

RIKEN

Designer nuclei – making atoms that barely exist
K.L Jones & W. Nazarewics

Shape coexistence and triaxiality in the superheavy nuclei
S. Ćwiok, P.H. Heenen, W. Nazarewicz

The magic nature of 132Sn explored through the single-particle states of 133Sn
K.L. Jones, A.S. Adekola, D.W. Bardayan et al.

From Finite Nuclei to the Nuclear Liquid Drop: Leptodermous Expansion Based on the Self-consistent Mean-Field Theory
P.G. Reinhard, M. Bender, W. Nazarewicz, T. Vertse

Theoretical Description of Superheavy Nuclei
W. Nazarewicz, M. Bender, S. Cwiok, P.-H. Heenen, A. Kruppa, P.G. Reinhard, T. Vertse

Shell Stabilization of Super- and Hyper-Heavy Nuclei Without Magic Gaps
M. Bender, W. Nazarewicz, P.–G. Reinhard

Shell Corrections of Superheavy Nuclei: Green’s Function Hartree-Fock Method
A.T. Kruppa, M. Bender, W. Nazarewicz, P.–G. Reinhard, T. Vertse, S. Cwiok,

Have superheavy elements been produced in nature?
I. Petermann, K. Langanke, G. Martínez-Pinedo, I.V. Panov, P.-G. Reinhard, F.-K. Thielemann

Z=117
American Physical Society Sites – Division of Nuclear Physics

Exploring the island of Superheavy Elements
Sigurd Hofmann

Synthesis of a New Element with Atomic Number Z=117
Y. T. Oganessian et al.

Los elementos más pesados

¿Qué tan pesados son los núcleos atómicos que pueden existir? ¿Existe una isla de núcleos de larga vida en el plano N-Z? ¿Cuáles son las propiedades químicas de los átomos súper-pesados? Estas cuestiones presentan retos tanto para los físicos experimentales como los teóricos. La fuerza electrostática de repulsión entre protones se incrementa en aquellos núcleos con un número de protones grande que podrían no estar enlazados excepto por sutiles efectos cuánticos. La teoría predice que la estabilidad podrá incrementarse con la adición de neutrones en esos sistemas cuando N=184 (Ver Figura 1), pero no hay consenso acerca del lugar preciso de la proyectada isla de elementos súper-pesados de larga vida y sus periodos de existencia (Los intervalos van desde 105 hasta 107) años). is themes to the Apple legal a unlocking iphone 3g help around is all of features has craze to turning easy

Mediante el uso de blancos de actínidos y haces estables raros, tales como el calcio 48, se producen y observan elementos superiores a Z=118. El descubrimiento de un núcleo Z=117, con un blanco de berkelio 249 es un ejemplo de ello, así como de cooperación internacional en física nuclear (Se explicará en la última parte de esta serie). Con esa investigación, no solo se descubrió un nuevo elemento, sino que la nueva información obtenida de la vida media de varios núcleos en su decaimiento proporcionó el soporte experimental para la existencia de la tan largamente predicha isla de estabilidad en núcleos súper-pesados. Un progreso mayor, el acercarse a Z=118 o superarlo es posible, pero se requieren nuevos blancos de actínidos más allá del berkelio, y haces intensos de isótopos raros estables como el titanio 50. Sin embargo, existe un rango de opciones para sintetizar elementos pesados con haces exóticos. Utilizando los blancos radioactivos enriquecidos con neutrones y haces, se puede formar un sistema altamente excitado, el cual podría decaer en un estado súper-pesado vía el retiro del exceso de neutrones. Un área de relativa importancia es el estudio adicional de la espectroscopia de los núcleos súper-pesados posibles utilizando haces re-acelerados y espectrómetros ampliamente aceptados, buscando en el decaimiento alfa y la espectroscopia de rayos gamma arriba de Z=106.

Un reto importante es delinear las líneas de goteo (Los límites de los números de protones y neutrones en los cuales el núcleo no se mantiene unido por la fuerza nuclear fuerte y su existencia nuclear termina) tan lejos como el mapa nuclear lo permita (Ver Figura 1). Por ejemplo, los experimentos en la MSU han producido los isótopos de magnesio y aluminio más pesados accesibles a la fecha y han mostrado la posible existencia de magnesio 40, aluminio 42 y aluminio 43. Las líneas de goteo cercanas al núcleo tienen sistemas cuánticos débilmente enlazados, frecuentemente con dimensiones espaciales extremadamente grandes. En años recientes, los experimentos en ANL (Argonne National Laboratory), TRIUMF (Canada’s National Laboratory for Particle and Nuclear Physics), GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds), GSI, CERN y RIKEN (Rikagaku Kenkyūjo) usando láseres espectroscópicos de alta precisión han determinado la carga radial del halo nuclear del helio 6, helio 8, berilio 11 y litio 11 con una precisión del 1% a través de la determinación de los cambios los niveles electrónicos atómicos de los isótopos. Con las avanzadas Instalaciones para Haces de Isótopos Raros (FRIB, siglas en inglés) puede ser posible extender esos estudios para delinear más de las líneas de goteo hasta una masa 100 utilizando los haces de alta energía disponibles y la alta eficiencia y selectividad de los separadores de fragmentos FRIB.and your and Apple app by even the and a This iphone 3g unlock one you and to specific any unlocking together iPhone 4S they even

Las líneas de goteo frecuentemente exhiben modos de decaimiento exótico. Un ejemplo es el núcleo enriquecido en protones del hiero 45 que decae por decaimiento beta o expulsando dos protones de su estado fundamental. Moviéndonos hacia las líneas de goteo, el acoplamiento entre los diferentes estados nucleares, vía un continuo de estados sin enlaces, se hará sistemáticamente más importante, eventualmente interpretará un papel dominante en una estructura determinada. Tales sistemas donde ambos estados, los que tienen enlaces como los que no, existen e interactúan son llamados sistemas cuánticos “abiertos”.

Muchos aspectos de los núcleos en los límites del ‘paisaje nuclear’ son genéricos y se están explorando actualmente en otros sistemas abiertos: moléculas en campos externos fuertes, puntos cuánticos y otros microcomponentes en estado sólido, cristales en campos láser, y cavidades en microondas. La experimentación con haces radioactivos nucleares responderá las cuestiones pertinentes a todos los sistemas cuánticos abiertos: ¿Cuáles son sus propiedades cerca de los niveles bajos de energía donde las reacciones se vuelven energéticamente permitidas (Umbrales de las reacciones)? ¿Cuál es el origen de los estados en el núcleo, los cuales se asemejan a las agrupaciones de nucleones en grupos bien definidos, especialmente aquellos de importancia astrofísica? ¿Cuáles son los pasos más importantes en el desarrollo de una teoría que trataría la estructura nuclear y las reacciones consistentemente?

Orbital externo: Un objetivo en movimiento.

El concepto de nucleones moviéndose en órbita en el interior del núcleo bajo la influencia de una fuerza común da lugar a ideas de una estructura externa y números ‘mágicos’. Similares al movimiento de los electrones en un átomo, las órbitas nucleónicas se agrupan en energía, de este modo forman una capa y los núcleos que han llenado sus depósitos nucleicos (‘Gases nobles’ nucleares) están excepcionalmente unidos. Los números de nucleones necesarios para llenar cada capa son conocidos como números mágicos, los tradicionales son: 2, 8, 20, 28, 52, 82 y 126 (Ver figura 2). Así, un núcleo como el de plomo 208, con 82 protones y 126 neutrones es ‘doblemente mágico’. El concepto de números mágicos a su vez, introduce el concepto de los nucleones de valencia (Aquellos más allá del número mágico). Entonces, considerando la estructura de un núcleo como el del plomo 210, uno puede, considerar solo los dos últimos neutrones de valencia en lugar de todos los demás. Cuando se propuso a finales de la década de 1940, fue un concepto revolucionario: ¿Cómo podrían los nucleones individuales, que la comprenden la mayor parte del volumen nuclear, orbitar tan libremente sin generar un absoluto caos por colisiones? Desde luego, ahora entendemos que el principio de exclusión de Pauli juega un papel clave, y el modelo resultante de las órbitas nucleónicas se ha convertido en la ‘plantilla’ utilizada por más de medio siglo para interpretar la estructura nuclear.

Figura 2.- Estructura de las capas en átomos y núcleos. A la izquierda, lo niveles de energía de los electrones forman la estructura de la capa atómica. En los gases nobles, las capas de valencia de los electrones se llenan por completo. A la derecha, representación de las características de la estructura de la capa nuclear de un nécleo estable o de larga duración. En el núcleo ‘mágico’ con un número de protones o neutrones 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126, es decir, análogos a los gases nobles, las capas se encuentran llenas por completo. La estructura de las capas en cada núcleo enriquecido de neutrones no es conocida aún. Crédito – K. Jones y W. Nazarewicz. American Association of Physics Teachers

Un sello distintivo experimental de la estructura nuclear es el comportamiento del primer estado excitado con movimiento angular 2 y una paridad positiva en el núcleo par-par. Este estado, usualmente la más baja excitación de energía en este tipo de núcleo, es una estructura ‘mansa’. Su energía de excitación toma valores elevados en números mágicos y valores bajos conforme el número de nucleones de valencia se incrementan y emerge el comportamiento colectivo. La idea de capas nucleares nos lleva a las regularidades y patrones repetidos, ilustrados en la Figura 1 y como se ven las energías en el estado 2⁺ se muestran en la parte superior de la figura 3. El concepto de número mágico fue fraguado basado en los datos obtenidos de los núcleos estables o casi estables. Sin embargo, recientemente, los números mágicos tradicionales han sido objeto de una mayor revisión debido al acceso a especies previamente no disponibles. La estructura de la capa conocida de un núcleo estable ya no es considerada como una construcción inmutable sino que más bien como un objetivo en movimiento. De hecho la elucidación del cambio en la estructura de la capa es uno de los triunfos de los recientes experimentos en la estructura nuclear en instalaciones con haces exóticos alrededor del mundo. Por ejemplo, los experimentos en la Michigan State University en los Estados Unidos de América y en Gesellshaft für Schwerionenforschung han mostrado que en los isótopos de oxígeno 24 altamente enriquecidos con neutrones (Con ocho protones y el doble de nutrones -16), es de hecho, un número mágico.

Figura 3. La figura superior muestra mediciones de energía de los estados 2+ más bajos en los núcleos. La figura inferior muestra una vista cercana de la información para varios isótopos enriquecidos de neutrones. La ‘huella’ de los números mágicos se pierde en este tipo de isótopos. Créditos – Figura Superior, R. Burcu Cakirli, Max Planck Institute for Nuclear Physics; Figura Inferior, Alexandra Gade, Michigan State University.

Una de las regiones más interesantes que exhiben la fragilidad de los números mágicos comprende los núcleos con 12 a 20 protones y 18 a 30 neutrones. La evidencia experimental es ejemplificada en la parte inferior de la figura 3 por las energías del primer estado excitado 2⁺ en esta región. La figura muestra la desaparición del número de neutrones N=20 como un número mágico en Mg, mientras persiste para sus elementos vecinos. De forma similar, N=28 pierde sus características mágicas para Si, S y Ar, mientras Ca, el cuál es también mágico en protones, retiene su doble carácter mágico en N=28.

 Hay al menos tres factores que conduces a esos cambios en la estructura de la capa: Cambios en como los núcleos interactúan con otros como la asimetría protón-neutrón varía; la influencia de la dispersión y estado de decaimiento cercano a los límites isotópicos de existencia nuclear (Las ‘driplines’); y el papel creciente de los efectos corporales en los enlaces nucleares débiles donde las correlaciones determinan la existencia de los núcleos. Esta nueva perspectiva en la estructura de la capa afecta muchas facetas de la estructura nuclear, desde la existencia de los núcleos ligeros de corta vida, hasta los estables elementos superpesados.

Recientes estudios, utilizando técnicas como la excitación Coulomb y luz ionizada de un solo nucleón en reacciones de transferencia, ambas cerca de los números mágicos y a lo largo de las cadenas extendidas isotópicas, en isótopos de Ca, Ni y Sn, están comenzando a responder las cuestiones acerca de las efectivas fuerzas internucleones en la presencia de exceso de neutrones, la relevancia del modelo de capa detallado en la presencia de enlaces débiles y la naturaleza del mecanismo colectivo nuclear. Excelentes evaluaciones del modelo de capa nuclear fueron realizadas por recientes estudios de los isótopos de estaño (Sn). El núcleo de estaño tiene un número mágico de protones (50) y sus isótopos de corta vida, Sn-100 y Sn-132, tienen 50 y 82 neutrones respectivamente, se espera sean ejemplos inusuales del nuevo y doblemente mágico núcleo pesado. Los datos únicos en la región de Sn-132 (Ver figuras 4 y 5) muestran que el Sn-132 se comporta en efecto como un núcleo doblemente mágico. Otros experimentos proporcionan información con respecto al SN-100; en particular, la primera información estructural en el Sn-101 nos lleva a sorpresas teóricas. Análisis más allá de la estructura de la capa y las interacciones en los elementos más pesados son las que se detallan a continuación.

Figura 4. Todos los nucleídos conocidos son mostrados en negro (Si son estables) o amarillo (Inestables). Las líneas discontinuas indican los números mágicos tradicionales de protones y neutrones. Dos núcleos doblemente mágicos, Sn-132 y Ni-78 están adyacentes a la región proceso-r (Azul) de un aún-no-se-ve nucleído que se cree está involucrado en la creación de los elementos más pesados en una supernova. Por adición de neutrones y protones a un núcleo estable, se ingresa a un núcleo radioactivo, primero de larga vida y posteriormente de corta vida, hasta que finalmente se alcanza la ‘línea de goteo’ nuclear, donde no hay suficiente fuerza de enlace para prevenir que los últimos nucleones se retiren del núcleo. Las ‘líneas de goteo’ de los protones y neutrones forman los bordes de la existencia nuclear. Crédito.- B. Schwarzschild, Physics Today 63:16, Agosto 2010.

Figura 5.- Espectro experimental de una reacción de transferencia en la cual un deuterón roza un Sn-132, depositando un neutrón para hacer un Sn-133 con la detección de un protón ‘escapando’. La línea sólida muestra como encajan los cuatro picos en verde, rojo, azul y lavanda en el esquema (Esquina superior derecha). En la esquina superior izquierda despliega un dibujo de la reacción empleada. Las investigaciones revelan que los estados de baja energía en Sn-133 tienen partículas más puras aún que sus contrapartes en Pb-209, en el exterior del núcleo doblemente mágico de Pb-208. Crédito.- K.L. Jones, A.S. Adekola, D.W. Bardayan, et al. 2010. Nature 465: 454, 2010.

Se espera que el modelo de la capa se someta a análisis sensibles en la región de los núcleos superpesados, aquellos cuya existencia depende de una competición dinámica entre la atracción nuclear de corto largo y la repulsión Coulomb de rango amplio. Curiosamente, una interacción similar toma lugar en la materia de baja densidad enriquecida con neutrones, encontrada en la corteza de las estrellas de neutrones, donde la “frustración Coulomb” produce ricas y complejas estructuras colectivas. La figura 6 muestra el cálculo de la energía de la capa, que es, el realce cuántico en el enlace nuclear debido a la presencia de capas nucleónicas. El núcleo de la región del estaño es un excelente ejemplo del paradigma del modelo de la capa: El núcleo mágico con Z=50, N=50 y N=82 tienen las capas energéticas más grandes y las capas cerradas asociadas proporcionan estabilidad excepcional. En el núcleo superpesado, la densidad de los niveles de energía de una simple partícula es bastante grande, así que pequeños cambios de energía, tales como las regiones de la mejorada y estabilizada capa en la superpesada región cercana a N=184, generalmente se espera que sean bastante amplios; esto es, la noción de números mágicos y las brechas de energía asociadas con ellos se volverán fluidas.

Figura 6.-Controbución al enlace nuclear debido a los efectos de la capa (En MeV) para núcleos de la región del estaño (Arriba) y elementos superpesados (Abajo) calculados en la teoría funcional de densidad nuclear. Los núcleos coloreados en rojo son aquellos cuyos enlaces son mejorados por los efectos cuánticos. El núcleo que se predice es estable hasta el decaimiento beta está marcado con puntos. Crédito.- M. Bender, W. Nazarewicz, y P.G. Reinhard

Otros estudios de capas en los núcleos han sido iniciados en el Jefferson Lab y KEK en Japón, de hipernúcleos, es decir, núcleos que contienen al menos un hiperón, un extraño baryon, además de los núcleos. Agregando un hiperón, los físicos nucleares pueden explorar las regiones interiores de los núcleos que son imposibles de estudiar con protones y neutrones, los cuales deben obedecer las restricciones del Principio de Pauli. El trabajo experimental va mano a mano con los cálculos teóricos avanzados de las interacciones hiperón-núcleo e hiperón-hiperón, con el objetivo definitivo de tener un entendimiento completo de todas las interacciones baryon-baryon.

Esta entrada participa en el XXXIII Carnaval de la Física que se aloja en esta ocasión en el blog “El Mundo de las Ideas” (http://icaraideas.blogspot.com.es/ de Araceli Giménez y en la XVII Edición del Carnaval de la Química el cual se hospeda en esta ocasión en el blog “Un geólogo en apuros” (http://www.ungeologoenapuros.es/) de Nahum Chazarra.

Referencias

Se publicarán al concluir la parte 4.