¿Cuantos elementos químicos faltan por encontrar? #Aprendiendo con BeScience®

Philip Ball/BBC Mundo.

El 30 de diciembre de 2015, la ciencia química oficialmente adquirió cuatro temas nuevos.

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés) confirmó el descubrimiento de cuatro nuevos elementos químicos, todos los cuales habían sido creados en el laboratorio.

Algunos medios dijeron que estos elementos "completaban" la tabla periódica. Pero estaban equivocados.

Podemos esperar con toda confianza que haya nuevos elementos después de este último lote. Pero puede tomar un tiempo, ya que cada vez es más difícil producirlos.

Lo que sí completan los nuevos elementos es la séptima fila de la tabla periódica. Si se encuentran o se crean los elementos 119 y 120, se abrirá una nueva fila.

Nadie sabe cuánto más puede extenderse la tabla con la creación de nuevos elementos.

Algunos sospechan que no hay límites. Otros creen que llegará un momento en el que no podrán hacerse átomos más pesados: estos átomos tan enormes podrían ser completamente inestables, desintegrándose en un frenesí de radioactividad.

Pero una cosa es clara. Si logramos construir elementos cada vez más pesados, nos encontraremos con que se comportarán de manera muy peculiar.

De dónde salen los elementos

Los elementos son la base fundamental de la química.

Un elemento es esencialmente una sustancia que sólo contiene un tipo de átomo. Hacer nuevos elementos significa crear un nuevo tipo de átomo.

A cada elemento se asigna un número. Por ejemplo, el carbón es el número 6.

Esos números no son etiquetas arbitrarias, sino que tienen una significación fundamental: especifican cuántos protones –un tipo de partícula elemental- contiene el átomo.

Los protones tienen una carga eléctrica positiva y se agrupan en un amasijo en el centro del átomo. Los electrones, mucho más ligeros, con cargas negativas que balancean a los protones, "orbitan" el núcleo en una nube difusa.

Con la excepción de los átomos de hidrógeno, los núcleos atómicos también contienen otro tipo de partícula: el neutrón, con una masa casi exactamente igual a la del protón, pero sin carga eléctrica.

Los átomos de un elemento pueden tener un número diferente de neutrones. Esas variantes se llaman "isótopos".

 

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Los neutrones sirven como una especie de pegamento que ayuda a mantener juntos a los protones. Sin ellos, la carga positiva los apartaría los unos de los otros.

 

Al mismo tiempo, el núcleo de átomos muy pesados, como el uranio, están tan llenos de protones que se repelen que ni siquiera una preponderancia de neutrones pueden mantenerlos juntos.

Estos átomos pasan por una "desintegración radioactiva": emiten partículas y energía.

Cuando un átomo se desintegra, el número total de protones en el núcleo cambia, de manera que el proceso deviene en la transformación de un átomo en otro.

Esto puede sonar extraño, pero es lo que pasa todo el tiempo, incluso en algunos átomos de tu cuerpo.

Balance atómico

Cada tipo de núcleo tiene un número óptimo de protones y neutrones. Algunos átomos se desintegran si tienen muchos o muy pocos neutrones; incluso si tienen un núcleo pequeño.

Los elementos ligeros como el carbón y el oxígeno, la proporción que da la estabilidad es 1:1. Los elementos más pesados necesitan un ligero exceso de neutrones.

Los procesos naturales del universo sólo pueden producir elementos de hasta un cierto peso.

Los elementos más ligeros, del hidrógeno al boro, fueron creados mayormente en el Big Bang que dio origen al universo.

Cualquier cosa más pesada que ellos tuvo que crearse dentro de las estrellas. Las intensas temperaturas forzaron a los núcleos a fusionarse. Esto se llama fusión nuclear.

Las estrellas más grandes pueden generar elementos más pesados como el mercurio, que tiene 80 protones en su núcleo.

Pero muchos de los elementos en la tabla periódica fueron creados más bien en el ambiente intenso de una supernova en explosión.

Las enormes energías liberadas pueden producir nuevos tipos de fusión, cuando los átomos chocan entre sí, produciendo elementos tan pesados como el uranio, con sus 92 protones.

 

Para este tipo de fusión nuclear se necesita de grandes cantidades de energía, en virtud de que los núcleos atómicos cargados positivamente se repelen entre sí. Un núcleo debe estarse movimiento realmente rápido para romper la barrera y fusionarse con otro.

Como resultado, el uranio es el elemento más pesado que se encuentra en grandes cantidades en la naturaleza.

Así que cuando los científicos quieren crear nuevos elementos tienen que usar aceleradores de partículas para darle un impulso a los átomos en colisión a velocidades enormes, quizás a una décima de la velocidad de la luz.

Creación de elementos

Eso se hizo por primera vez en 1939. Científicos de la Universidad de California en Berkeley crearon el elemento 93, que ahora se llama neptunio.

Dos años después, el equipo bombardeó el uranio con núcleos de "hidrógeno pesado", cada uno de los cuales contenía un protón y un neutrón. El resultado fue el elemento 94: plutonio.

Pronto se dieron cuenta de que el plutonio, como el uranio, se desintegraría espontáneamente en un proceso dramático llamado fisión nuclear. Su enorme núcleo se partió casi por la mitad, liberando una cantidad de energía tremenda.

Y no tardaron en darle uso al hallazgo: el plutonio creado en aceleradores de partículas se utilizó en la bomba que se dejó caer en Nagasaki en 1945. El descubrimiento del plutonio se mantuvo como secreto militar hasta después de la Segunda Guerra Mundial.

Una vez que terminó la Guerra, los físicos se dieron a la tarea de encontrar nuevos elementos en forma.

Por décadas, el centro neurálgico de investigación en Estados Unidos fue Berkeley, pero hoy en día la actividad se ha trasladado al Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, a unos 40km de distancia.

El trabajo de los rusos tiene lugar en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR, por sus siglas en inglés) en Dubna, Moscú, que fue fundado en 1956.

Inicialmente los estadounidenses tomaron la delantera. Como resultado, los elementos 95, 97 y 98 se llaman americio, berkelio y californio.

Pero otros elementos fueron descubiertos de forma completamente distinta, identificados en los escombros de las pruebas de la bomba de hidrógeno en los años 50. Estos elementos habían sido creados del uranio en los "fusiones" de las bombas durante los intensos estallidos.

En consecuencia, en vez de nombrarlos por su lugar de origen, los elementos 99 y 100 recibieron el nombre de dos pioneros de la ciencia nuclear: einstenio por Albert Einstein y fermio por Enrico Fermi.

Disputas

Con la profundización de la Guerra Fría, la rivalidad entre Estados Unidos y la Unión Soviética generó algunas amargas disputas.

Entre finales de los 50 y comienzos de los 70, los equipos de Berkeley y JINR pelearon por quién creó primero los elementos 102, 104, 105 y 106. La IUPAC decide sobre estas disputas, pero no fue sino hasta 1997 que le otorgó el 104 (rutherfordio) a Berkeley y el 105 (dubnio) a JINR.

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Image captionEl elemento 117 (cuyo núcleo se ve en la foto) fue creado por la JINR, el Oak Ridge National Laboratory en Tennessee y Livermore en experimentos conducidos entre 2010 y 2012.

Entretanto, el elemento 107 era disputado entre el JINR y un nuevo chico en el vecindario: el Laboratorio para Iones Pesados de Alemania, conocidos por sus siglas en alemán como GSI, en Darmstadt. El crédito por el descubrimiento se dividió eventualmente entre los dos grupos.

Mientras que los primeros elementos artificiales se lograban bombardeando átomos pesados con otros más ligeros, los investigadores del GSI encontraron maneras de unir dos átomos de núcleo mediano: por ejemplo, disparándole iones de zinc, níquel y cromo a plomo y bismuto.

Hoy en día la creación de elementos es un asunto de colaboración, en que estadounidenses, rusos y alemanes unen fuerzas.

La IUPAC dice que la primera síntesis convincente del elemento 117 y 115 se debió a un esfuerzo conjunto entre la JINR, el Oak Ridge National Laboratory en Tennessee y Livermore en experimentos conducidos entre 2010 y 2012. Una colaboración separada entre JINR y Livermore que comenzó en 2006 ha recibido crédito por el elemento 118.

¿Octava línea?

Los nuevos elementos se detectan, generalmente un átomo por vez, por la forma característica en que se descomponen radioactivamente.

Cada isótopo tiene un proceso diferente. Cada uno se desintegra a su propia tasa, que se mide como la media-vida: el tiempo que le toma a la mitad de la muestra en descomponerse.

Estas señales sutiles tienen que identificarse en medio de un conjunto de otros procesos nucleares, así que no es fácil decidir cuándo una afirmación tiene base.

Dadas estas dificultades, puede parecer que estamos llegando al límite superior del tamaño atómico. Pero hay buenas razones para intentar crear la octava línea de la tabla periódica.

Esta perspectiva es tentadora, porque significaría crear átomos como ninguno que hayamos visto antes.

¿Pero puede llegar el momento en que los átomos se vuelvan tan pesados que simplemente no puedan existir?

El físico estadounidense Richard Feynman creía que sí. Feynman hizo un cálculo que sugería que era imposible crear un átomo como 137 protones en su núcleo.

La razón era que los electrones más internos, aquellos en la primera capa, no tienen una órbita estable. En otras palabras, el núcleo del elemento 137 no podría sujetarse a ellos.

Sin embargo, el cálculo de Feynman se hizo bajo el supuesto de una aproximación, según la cual el núcleo tiene un tamaño cero, lo que, por supuesto, no existe.

Cuando las cuentas se sacan con más precisión, parece que nada inapropiado le ocurre a la energía de los electrones más internos hasta el número atómico 173.

       

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Una lista de elementos compilada por John Dalton.

 

Resulta que los electrones más internos del elemento 173 pueden ser del tipo inusual e inestable que puede evocar estas partículas "virtuales".

Si uno de los electrones es expulsado de su cascarón –por ejemplo, con el uso de rayos X-, dejará un agujero.

Este agujero puede llenarse con un electrón que aparece de la nada. Pero para que se forme este electrón, también debe formarse un positrón. Y este será emitido por el átomo.

En otras palabras, las nubes de electrones de estos elementos verdaderamente enormes pueden ocasionalmente eructar partículas de antimateria.

Así que aun si no la tabla periódica no tiene fin, puede haber cosas extrañas esperándonos en sus fronteras.

Que terminemos explorando estos elementos extremos o no es otro asunto.