El 114 contraataca de nuevo

Nos explica Francis th(E)mule's blog que el "físico Eugene Wigner acuñó el término “número mágico” para referirse a ciertos números de protones (o de neutrones) en el núcleo atómico para los que se espera que sean mucho más estables que los demás, en concreto, 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126. Los núcleos doblemente mágicos son ideales para estudiar la fuerza nuclear efectiva que une a los nucleones entre sí." Aunque tal como dijo Maria Goeppert-Mayer en la lectura de su Premio Nobel, una vez que se consigue explicar científicamente por qué hay núcleos más estables que otros, estos números dejan de ser mágicos, para ser simple y llanamente (puede que aburridamente también) números de capa nucleares.

El patrón de estos números mágicos surgía al representar las propiedades de un átomo con respecto al número de neutrones o bien, el número de protones del núcleo, más que si se representaba frente a la masa atómica. Teller y Goeppert-Mayer tropezaron con los números mágicos al estudiar el origen de los elementos: ¿por qué el hidrógeno y el helio son los elementos más abundantes del Universo, pero el litio (siguiente en la tabla periódica) no sigue la tendencia? Los núcleos de los distintos isótopos que estudiaron tenían algo en común: 82 neutrones y 50 neutrones. Si los núcleos de este tipo eran inusualmente abundantes, indicaba que su estabilidad había jugado un papel en la formación de los elementos a partir de las estrellas.

(Vía)

La teoría por la que Maria Goeppert-Mayer recibió el Nobel postulaba que así como los electrones se "colocaban" según la estructura atómica en forma de orbitales y capas de energía, en los núcleos ocurría algo similar, y diferente por otra parte: las energías que "manejamos" en el núcleo y los electrones son muy distintas. Así que, que un elemento sea estable por configuración electrónica (los gases nobles, y en general, aquellos que han llenado su última capa) no se correlaciona con los números mágicos del núcleo. 

La segunda diferencia es que en el núcleo tenemos dos tipos de partículas, neutrones y protones, y cada una tiene un espín. Si bien la teoría de Goeppert-Mayer asume que la energía de neutrones y protones es parecida, ya que los números mágicos están relacionados con el número de uno u otro tipo de partícula. La solución a la sorprendente cuestión de la estabilidad de estos núcleos mágicos, se le ocurrió a Enrico Fermi cuando bromeando le dijo a Goeppert-Mayer: ¿has probado con el acoplamiento espín-órbita? Y Goeppert-Mayer se dio cuenta de que esa era la solución, aunque Fermi no la tomó en serio hasta sus demostraciones de la semana siguiente.

Para describir a un electrón de un átomo, usamos varios números cuánticos: la capa, el espín,... Estos números no son independientes, están relacionados unos con otros a través de fórmulas matemáticas con bastante sentido físico. La genialidad de Fermi fue acertar en que a los protones y los neutrones les ocurre también: se acoplan los términos de momento angular orbital y de espín. Es más, hay una interacción fuerte entre el momento angular orbital y el de espín, de manera que los niveles de energía nucleares tendrían una energía más baja (conveniente para el núcleo, igual que a los seres humanos nos conviene no gastar todo nuestro sueldo el primer día). 

Los físicoquímicos representan el átomo a base de osciladores (parecidos a los muelles de Hooke), y así nos pueden decir que un número mágico de neutrones o protones se obtiene cuando los estados de todas las capas del oscilador llegan al de siguiente energía que está lleno. Lo que ocurre, para desgracia de nuestros queridos números mágicos, es que a partir de 50, la repulsión de Coulomb entre protones es más fuerte que la estabilidad mágica, así que es complicado tener números mágicos por encima de 100 (50 protones que tiene el estaño). 

En los núcleos donde tanto los neutrones como los protones llenan niveles sin completarlos, los nucleones individuales suman sus vectores de espín en un vector de espín total J. Incluso con la restricción del principio de Pauli, muchos estados de los momentos angulares totales existen.

De manera que para estos núcleos hay reglas para predecir cómo los nucleones individuales acoplan sus espines al espín total nuclear J. En un núcleo con un número de neutrones par y número de protones impar, los neutrones acoplarán sus espines a cero y no influirán en el momento angular nuclear. Los protones normalmente acoplan sus espines a un momento angular total J que es igual al del momento angular j del nivel que está siendo llenado, y solo un poco menos de la unidad. Y lo mismo pasa al intercambiar los términos neutrón y protón.  

Es un hecho experimental que todos los núcleos con un número de neutrones y de protones par tienen un momento angular cero. Por lo tanto, en un núcleo de número de neutrones N par, número de protones impar Z, hay un núcleo par-par con N neutrones y Z-1 protones. El último protón ocupa una órbita alrededor del núcleo sin espín. Y todas las propiedades nucleares, de espín, de momento magnético, etc. se deben a la última partícula impar. Aunque esta aproximación no sirva para todas las propiedades nucleares..., el modelo tiene algunos límites. Les recomiendo disfrutar de los detalles en la fuente directa.

Pero ahora sorpréndanse conmigo, cuenta Sam Kean en La cuchara menguante,

 "resultó que después del uranio apareció un núcleo casi estable, el del elemento 114. En lugar de ser solo ligeramente estable (...) el 114 podría sobrevivir varios órdenes de magnitud más que la decena de elementos pesados que lo preceden [en microsegundos]". ¡Rayos y truenos! No puede ser... Amigos de la blogosfera, anden con cuidado... Confieso que yo antes era una persona normalísima (y como sospechan mortalmente aburrida), y decidí probar suerte con un blog personal bajo el amparo de un pseudónimo. No sabía que 114 no regala nada..., todo lo contrario... 

Sigamos con la historia de Flerovium, el científico Oganessian del tan conocido instituto nuclear de Dubna (Rusia) declaró que se ha demostrado que existe una isla de estabilidad de elementos transuránidos, relacionado con los números mágicos de Wigner and company. La polémica está servida con el 114, que debería comportarse químicamente como el plomo, pero que según mis amigos de Dubna parece que se comporta más bien como un gas noble. Puede que estos problemas sean consecuencia de la corta vida media de este elemento que dificultaría la medida de sus propiedades químicas (aunque en soporte 2.0 aguanta mucho más, al menos más de un año lleva ya en blogger, el pesado, ejem, ejem). En concreto se usa un tubo de oro, con el que cualquier metal similar al plomo reaccionaría. Los gases nobles al no interaccionar, recorrerían más tubo, y esto es precisamente lo que ocurre con el 114. Así que pretenden sintetizar elementos más pesados para corroborar la teoría de los números mágicos en elementos ultra-ultrapesados [Referencia].

Por si quieren saber acerca de la vida media de 114 en Internet, en julio de 2012, @DaniEPAP me dio un consejo, que fue mi perdición... Con una cuenta de Twitter de @Ununcuadio perdí ya todo contacto con el 1.0 hasta borrar mi primera y REAL cuenta de Twitter porque ningún bloguero me seguía por mi nombre sino por Uuq... Y encima la IUPAC me cambia de nombre, así que me encuentro en un estado precario de existencia 2.0, que los reyes magos de Tarsis han venido a apuntalar, ¡miren, miren!

La luciré en el próximo Naukas, Hablando de Ciencia, etc., etc., para que me reconozcáis ;)

Este post participa en la XXII Edición del Carnaval de Química acogido en el blog Roskiencia, cuyo autor es @ismael__ds/@roskiencia y en la XXXIX edición del Carnaval de Física en el zombi de Schrödinger