han posibilitado al Instituto de Investigación en Iones Pesados de Darmstadt producir
los seis elementos más pesados obtenidos hasta la fecha,
de números atómicos 107 al 112. La producción artificial de estos elementos
va estrechamente unida a un progreso científico que tuvo su inicio hace un siglo con
el descubrimiento de la radiactividad natural.
núcleos atómicos y provocar en ellos transiciones nucleares. Esta posibili- dad fue ya investigada por el físico ita- liano Enrico Fermi (1901-1954) muy poco después del descubrimiento del neutrón por su colega británico James Chadwick (1891-1974), en el año 1932. Mediante la absorción de un neutrón y la consiguiente emisión beta el núcleo gana un protón, por lo que como elemento salta un peldaño hacia arriba en la ordenación por número atómico.
Fermi propuso en 1934 que por este procedimiento podría intentarse cons- truir elementos más pesados que el uranio ( Z = 92). Diversos grupos de investigadores tomaron la idea en serio. En Berlín, por ejemplo, la física Lise Meitner (1878-1968) junto con los químicos Otto Hahn (1879-1968) y Fritz Strassmann (1902-1980) ini-
ciaron la búsqueda de tales elemen- tos transuránidos, mediante la irra- diación de uranio con neutrones pro- cedentes de una fuente (usual por aquel entonces) de radio-berilio. Luego analizaban los productos de la reacción por métodos radioquímicos. Hahn y Strassmann consiguieron demostrar en diciembre de 1938 que con tales intentos habían conseguido obtener bario ( Z = 56). Meitner, que había emigrado a Suecia durante el verano de aquel año, y su sobrino, el físico Otto Frisch (1904-1979), com- probaron que tal resultado era correcto, es decir que, en lugar de obtener un elemento más pesado, el núcleo de uranio se partía en dos pedazos más ligeros por efecto del bombardeo con neutrones lentos.
El hecho de que en la fisión de los núcleos de uranio se emitiese una
gran cantidad de energía y el de que se liberasen dos neutrones, que podían srcinar nuevas fisiones, hizo posible la construcción de reactores, en los que dicho proceso tenía lugar de una manera controlada, así como también la construcción de artefactos nucleares y de bombas, que hicieron uso incontrolado del efecto de alud de la reacción en cadena que se produce, consiguiendo su detonación y una potencia destructiva desconocida hasta entonces.
Un papel fundamental en el proceso que estamos describiendo lo desem- peñó el ciclotrón de Lawrence, desa- rrollado en la Universidad de Califor- nia en Berkeley, en 1931, por el físico Ernest O. Lawrence (1901-1958). Emilio Segré (1905-1989) y sus cola- boradores ya habían conseguido pro- ducir mediante tal aparato el primer
42 TEMAS9
1. ENERGIA DE LAS CAPAS de los núcleos atómicos más pe- 1. ENERGIA DE LAS CAPAS de los núcleos atómicos más pe- sados que el núcleo de plomo (número de protones
sados que el núcleo de plomo (número de protones Z Z = 82), = 82),
calculada teóricamente. De acuerdo con el modelo de gota, calculada teóricamente. De acuerdo con el modelo de gota, todos los átomos de más de unos 100 protones serían inesta- todos los átomos de más de unos 100 protones serían inesta- bles, desintegrándose espontáneamente una vez producidos. bles, desintegrándose espontáneamente una vez producidos. Sin embargo, la energía que liga los protones y los neutrones Sin embargo, la energía que liga los protones y los neutrones de los átomos superpesados depende también de efectos me- de los átomos superpesados depende también de efectos me- canico-cuánticos, lo que conduce a que estos nucleones posean canico-cuánticos, lo que conduce a que estos nucleones posean niveles de energía discretos. Esta energía de capa
niveles de energía discretos. Esta energía de capa es negativa,es negativa,
ya que estabiliza el núcleo. Cuando una capa está completa- ya que estabiliza el núcleo. Cuando una capa está completa- mente llena de nucleones, sólo es posible un cambio de su mente llena de nucleones, sólo es posible un cambio de su
estado si se aporta una cantidad de energía suficiente para estado si se aporta una cantidad de energía suficiente para superar el salto hasta un nivel de energía superior. La energía superar el salto hasta un nivel de energía superior. La energía de capa se representa en esta gráfica —debida a Peter Mol
de capa se representa en esta gráfica —debida a Peter Mol ler,ler,
1993— como las curvas de nivel de un mapa topográfico. El 1993— como las curvas de nivel de un mapa topográfico. El efecto de estabilización es máximo en las hondonad
efecto de estabilización es máximo en las hondonad as profun-as profun-
das (
das (color violetacolor violeta), como es el caso del plomo-208 (), como es el caso del plomo-208 ( Z Z = 82, = 82,
N
N = 126) y de las cercanías del núcleo superpesado hipotético = 126) y de las cercanías del núcleo superpesado hipotético
298
298114 (114 ( Z Z = 114, = 114, N N = = 184). Se halla otra depresión de 184). Se halla otra depresión de estabilidadestabilidad
realzada para
realzada para Z Z = 106 y = 106 y N N = 162. Con puntos rojos se señalan = 162. Con puntos rojos se señalan
los núcleos sintetizados por el Instituto de Investigación en los núcleos sintetizados por el Instituto de Investigación en Iones Pesados de Darmstadt.
Iones Pesados de Darmstadt.
190 180 170 160 150 140 130 120 110 80 90 100 110 120 –10 – 5 0 277 112 N U M E R O D E N E U T R O N E S, N N U M E R O D E P R O T O N E S , Z E N E R G I A D E L A C A P A ( M I L L O N E S D E E L E C T R O N V O L T )
elemento artificial, el tecnecio (Tc, Z = 43), en 1937 y en Roma, irra- diando una muestra de molibdeno con deuterones. Edwin McMillan (1907- 1991) y Philip H. Abelson descubrie- ron en Berkeley, en 1940, el primer elemento transuránido, el neptunio (Np, Z = 93), en una muestra de ura- nio irradiada con neutrones. Al año siguiente y en el mismo laboratorio, un grupo liderado por Glenn T. Sea- borg obtuvo el siguiente elemento de la escala, el plutonio (Pu, Z = 94).
Después de la construcción por Fermi, Leo Szilard (1898-1964) y sus colaboradores del primer reactor nuclear, en 1942, pudo producirse plutonio en grandes cantidades. Mer- ced a su irradiación con neutrones, deuterones y partículas alfa se espe- raba que pudiesen sintetizarse ele- mentos transuránidos. Sin embargo, la detección química de los nuevos ele- mentos resultó muy difícil. Se consi- guió superar esta situación cuando Seaborg demostró que los transuráni- dos eran miembros de una nueva familia, los actínidos, de propiedades químicas similares a la de los lantá- nidos. Finalmente, en 1944, su grupo pudo encontrar el americio (Am, Z = 95) y el curio (Cm, Z = 96).
Dos isótopos de estos nuevos ele- mentos —el americio 241 y el curio 242— fueron producidos en un reac- tor en cantidades suficientes e irra- diados luego en el ciclotrón con partí- culas alfa. Con ello se produjeron dos nuevos elementos, que pudieron ser aislados radioquímicamente en diciembre de 1949 y febrero de 1950, a saber, el berkelio (Bk, Z = 97) y el californio (Cf, Z = 98).
Pese a la búsqueda sistemática de nuevos elementos transuránidos que se llevó a cabo, los dos siguientes, el einstenio (Es, Z = 99) y el fermio (Fm, Z = 100), se descubrieron de manera inesperada —en los desechos de la explosión de la bomba de hidrógeno experimental “Mike”, que los Estados Unidos detonaron en el Pacífico en 1952—. Investigadores del Laborato- rio Nacional de Argonne, cerca de Chi- cago, y de Berkeley, entre los que vol- vía a encontrarse Seaborg, así como Albe rt Ghio rso, los de sc ubrier on investigando muestras de polvo acu- muladas en los filtros de aire de avio- nes que sobrevolaron la zona. El inmenso flujo de neutrones de la reac- ción de fusión había formado núcleos de uranio tan enormemente ricos en neutrones que, por medio de sucesi- vas desintegraciones beta, se habían obtenido elementos posteriores al californio.
Estos ocho transuránidos se produ-
jeron luego por el método de Fermi (combinación de la captura de neutro- nes y la desintegración beta) en can- tidades que pudieron pesarse en el laboratorio. La cantidad de plutonio que hay ahora en el mundo es de varios miles de toneladas, mientras
que la de fermio es de tan sólo una millonésima de gramo (unos 1010 áto-
mos). No es sólo el elemento más raro y escaso que puede sintetizarse mediante bombardeo con neutrones, sino también el más pesado. Ninguno de sus isótopos consigue transfor- marse mediante desintegración beta en otro elemento de número de orden más elevado. Para producir elemen- tos transfermiónidos la técnica de bombardeo con neutrones no resulta de ninguna utilidad y debe hacerse uso de proyectiles más pesados.
Aceleradores Aceleradores
de iones de iones
S
e pensó entonces en producir can- tidades suficientes de los actíni- dos más pesados en reactores de flujo elevado y en bombardearlos luego con iones diversos —desde partículas alfa hasta oxígeno— en un acelerador. Esta idea supuso sin embargo un gran reto a la técnica experimental, dado que la fusión de dos núcleos cargados tiene muchas desventajas prácticas, si se compara con la captura de neu- trones.Para empezar, hay que superar la barrera de Coulomb, que es la repul-
sión electrostática que se produce entre dos núcleos cargados, lo que sólo se consigue si el choque es central y se produce con extraordinaria ener- gía. Por otra parte, cuando el núcleo blanco se fusiona con el ion acelerado, adquiere una energía de excitación muy superior a la que se produce en el caso de la absorción de un neutrón. Cierto es que esta energía puede que se disipe por la expulsión de uno o más neutrones, pero lo más probable es que se produzca la desintegración espontánea del núcleo en dos. Es decir, que las posibilidades de cons- truir un nuevo núcleo en un reactor de fusión son mucho más pequeñas que en el caso de la captura de neu- trones.
No es fácil manejar, por otro lado, haces de iones pesados de la misma intensidad que los de neutrones. La mayoría de los iones descarga además su energía en una primera capa del- gada del material, no siendo capaces de irradiar una muestra voluminosa. Y la grandísima energía de los proyec- tiles puede hacer que el blanco se caliente más de lo tolerable.
En vista de tales dificultades, ade- más de construir nuevos ciclotrones, se empezó a pensar en utilizar acele- radores lineales para poder llevar a cabo con éxito estos intentos de sín- tesis. Como fuera que los experimen- tos requerían el empleo de los actíni- dos más pesados, sólo pudieron rea- lizarse en los estados poseedores de armas nucleares, que disponían de