Els empèdocles moderns – Albert Ghiorso (1952) i l’element 100 (Fm) – fermi (unnilnili, Unn)

Algú ha dit que Enrico Fermi ha estat el més experimental dels grans físics teòrics, i el més teòric dels grans físics experimentals. Un dia del 1950, a Los Alamos National Laboratory, Emil Konopinski, Edward Teller, Herbert York i Enrico Fermi caminaven cap a la cantina tot parlant animadament sobre els rumors que circulaven recentment sobre que la desaparició de cubells de la brossa a Nova York es devia a l’actuació nocturna d’extraterrestres (una caricatura d’Alan Dunn se n’havia fet ressò). A taula, mentre parlaven d’altres coses, Fermi exclamà “Where is everybody?”. Els altres tres van riure, però Fermi continuà amb unes estimacions sobre el nombre de planetes similars al nostre, la probabilitat de la vida i l’ascens i durada de civilitzacions d’alta tecnologia. Totes aquestes dades apuntaven a una abundància de civilitzacions interestel•lars i, malgrat tot, s’exclamava Fermi, “where are they?”. Aquesta “paradoxa” ha quedat ja registrada com a paradoxa de Fermi, per bé que d’altres d’anteriors i posteriors la formularen d’alguna altra manera. En canvi, ningú no pot discutir la prioritat d’Enrico Fermi en la direcció de la construcció del primer reactor nuclear en el novembre del 1942, el Chicago Pile-1, “una pila crua de maons negres i fustes”, és a dir 45.000 blocs de grafit (360 tones mètriques), que servien per diluir (moderar), unes 5,4 tones d’urani metàl•lic i 45 tones d’òxid d’urani. En l’equip que el construí també hi havia en Leo Szilard, Herbert L. Anderson, Walter Zinn, Martin D. Whitake i George Weil, però Fermi s’enduria el títol d’“arquitecte de l’era nuclear”, certament merescut. Curiosament, malgrat les enormes aportacions teòriques i pràctiques d’Enrico Fermi, abans i després de la guerra, el Premi Nobel de Física el va rebre en el 1938, “per les seves demostracions sobre l’existència de nous elements radioactius produïts per irradiació de neutrons”, cosa que no era del tot exacta, ja que aquests suposats elements transurànics eren realment productes de la fissió d’urani, corresponents a elements ja coneguts, però que Fermi i els seus companys de la Via Panisperna no havien identificat correctament en 1934. Val a dir, en descàrrec del Comitè Nobel, que Fermi ja s’havia ben guanyat el Nobel amb les seves aportacions teòriques i experimentals sobre les reaccions nuclears. Per exemple, Enrico Fermi jugà un paper especial en el desenvolupament de l’electrònica quàntica. Si, en el 1925, Wolfgang Pauli havia enunciat el principi d’exclusió segons els qual dos electrons no poden ocupar el mateix estat quàntic simultàniament, l’any següent, Enrico Fermi i Paul Dirac, de manera independent oferien l’estatística que permetia entendre les conseqüències del principi d’exclusió, rellevants per a diferents models de la física de gasos. Dirac anomenaria “fermions” a totes les partícules caracteritzades per l’estatística de Fermi-Dirac. Els fermions elementals, quarks i leptons, són la base del model estàndard de la física de partícules. Anà de poc que una de les quatre forces fonamentals de la natura, la interacció nuclear feble o interacció feble, no rebés directament el nom d’interacció de Fermi, ja que fou Fermi qui postulà l’existència dels neutrinos per satisfer la conservació d’energia en la beta-desintegració d’isòtops radioactius. Fermi va nàixer a Roma el 29 de setembre del 1901, i fou en aquesta ciutat on va fer les més reconegudes de les seves aportacions a la física de partícules. Ja hem vist en setmanes anteriors com les autoritats feixistes celebraren alguns dels seus èxits, però el “regio decreto de 17 de novembre” afectava directament la seva dona, Laura Capon i indirectament als seus fills, Nella i Giulio, llavors de 7 i de 2 anys. Els Fermi aprofitaren el viatge a Estocolm a recollir el Premi Nobel per traslladar-se als Estats Units. A Chicago i a Los Alamos, tenim l’Enrico Fermi més pràctic, més enginyer, però també l’arquitecte de la bomba atòmica. Fermi es va morir d’un càncer d’estómac a Chicago, el 28 de novembre del 1954, a 53 anys.

Detall d’un quadern de laboratori d’Enrico Fermi, amb dades sobre l’activació radioactiva del iode elemental, del iodur d’argent i del iodur d’amoni.

Albert Ghiorso i la descoberta del fermi

Albert Ghiorso

L’anàlisi de mostres de partícules atmosfèriques i terrestres (coralls, etc.) procedent de l’assaig termonuclear “Ivy Mike”, realitzat l’1 de novembre del 1952 a l’atol d’Enewetak (Illes Marshall) suposà la primera evidència contrastada sobre l’existència dels elements 99 i 100.

Aquesta recerca, com altres aspectes d’Ivy Mike, es feia en secret. Els treballs eren coordinats per Albert Ghiorso i hi participaven investigadors de la University of California, Berkeley (Stanley G. Thompson, Gary H. Higgins, Glenn T. Seaborg), de l’Argonne Laboratory (Martin H. Studier, Paul R. Fields, Sherman M. Fried, H. Diamond, J. F. Mech, G. L. Pyle, John R. Huizenga, A. Hirsch, W. M. Manning) i de Los Alamos Laboratory (Charles I. Brown, H. Louise Smith i Roderick W. Spence).

Aquests investigadors havien detectat primerament el desembre del 1952 en les mostres atmosfèriques retingudes en paper de filtre, procedent d’avions que s’havien acostat al “bolet nuclear” indicis de la presència de l’isòtop plutoni-244 i de l’element 99 (concretament, de l’isòtop 253). La presència d’aquestes espècies era indicativa d’un procés d’absorció múltiple de neutrons. Teòricament, calculaven que alguns àtoms d’urani-238 havien absorbit durant l’explosió termonuclear fins a 16 o 17 neutrons, amb la qual cosa calia esperar trobar també l’element 100. Aquest element 100, però, no fou detectat en les mostres de paper de filtre.

A començament del 1953, emprengueren l’anàlisi de mostres de corall situades sota l’acció de l’explosió termonuclear. Detectaren un component que emetia partícules alfa d’alta energia (7,1 MeV) i que presentava una semivida d’un dia. Aquest component devia ser el resultat de la beta-desintegració d’un isòtop de l’element 99 i, per tant, ell mateix, un isòtop de l’element 100. Poc després, l’assignaren com l’isòtop 255 de l’element 100, i en recalcularen la semivida en unes 20 hores. En aquesta ronda d’experiments, la detecció es limità a uns 200 àtoms de l’element 100.

Detecció en eluat dels elements 98-100 en mostres de corall exposades a la prova Ivy Mike

Seguiren uns mesos d’estira-i-arronsa sobre quina part d’aquestes investigacions es podien considerar “publicables” des del punt de mira de la seguretat nacional. Una solució podia ser que al Radiation Laboratory treballessin per sintetitzar els elements 99 i 100 en el seu ciclotró, ara que ja en coneixien algunes propietats fonamentals. És clar que aquesta solució no era pas una exclusiva de Berkeley i d’altres laboratoris podrien seguir el mateix procediment i disputar-los la prioritat.

En efecte, en la síntesi d’elements transcúrics hi treballava un grup d’investigadors de l’Institut Nobel de Física, d’Estocolm, integrat per Hugo Atterling (1911-1989), Wilhelm Forsling, Lennart W. Holm, Lars Melander i Björn Åström. Atterling et al. bombardaren una diana d’urani-238 amb ions d’oxigen-16 acclerats amb un ciclotró. Aconseguiren la identificació després de l’isòtop 250 de l’element 100, i publicaren aquests resultats el maig del 1954.

Encara que la prioritat de la síntesi en ciclotró havia correspost al grup d’Estocolm, els de Berkeley també havien aconseguit la síntesi en ciclotró dels elements 99 i 100 (Thompson et al., 1954; Harvey et al., 1954; Studier et al., 1954). En alguns d’aquests reports, hom ja fa referència a la detecció arran d’una explosió termonuclear, de manera que se’ls concedí la prioritat absoluta quant a la descoberta del 1953. A més, els investigadors de Berkeley fornien més dades sobre les propietats nuclears de l’element 100 (Choppin et al., 1954; Fields et al., 1954).

L’1 d’agost del 1955 apareixia l’article en el qual Ghiorso et al. confirmaven definitivament la descoberta dels elements 99 i 100 i proposaven denominar-los, respectivament, einsteini i fermi, en homenatge pòstum a Albert Einstein (mort el 18 d’abril del 1955) i Enrico Fermi (mort el 28 de novembre del 1954).

El nom de “fermium” guanyà sobre l’alternativa proposada pels investigadors d’Estocolm, “centurium”, que feia referència al seu nombre atòmic. Fet i fet, “centurium” havia estat popularitzat també des del 1950 pels qui n’hipotetitzaven llavors ja la potencial existència. Com a símbol químic del centuri s’havia arribat a proposar Ct. En adoptar-se el nom de fermi, el símbol químic aprovat fou el de Fm, ja que F era ocupat pel fluor, Fe pel ferro i Fr pel franci. Tampoc no és un símbol inapropiat si pensem que F i M són les dues lletres amb les que comencen les síl•labes del cognom Fermi, antropotopònim que fa referència a Fermo, una localitat de les Marche, l’antiga Firmum Picenum.

Entre el 1954 i el 1956 es feren diverses explosions termonuclears (de l’ordre de megatones de TNT) a Enewetak. Hom recercà la possibilitat d’elements transfèrmics, però no se’n detectà cap.

En el Nevada Test Site es feren, entre 1962 i 1969 nou assaigs nuclears subterranis: Anacostia (5,2 quilotons), Kennebec (

Síntesi d’elements transurànics arran de dues explosions termonuclears subterrànies a Nevada. L’explosió de major rendiment, Hutch, aconseguí nivells d’irradiació de 40 mols de neutrons per centímetre quadrat, arribant a sintetitzar fins a fermi-256 i fermi-257.

El nivell de radiació de neutrons produïdes en el test de Nevada eren catorze ordres de magnitud superiors al de reactors nuclears d’alt flux. Només de l’explosió Hutch, hom va poder recuperar 6000 milions d’àtoms de fermi-257 (40 pg), que serviren per a estudiar la fissió d’aquest isòtop i per a detectar a partir d’aquesta mostra la formació de fermi-258.

El fermi: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del fermi és de 257 uma, corresponents a la de l’isòtop de més llarga semivida (257Fm). El llistat complet d’isòtops coneguts és:
– fermi-241 (241Fm; 241,07421 uma). Nucli format per 100 protons i 141 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 7,3•10-4 s. Entra majoritàriament (>78%) en fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (<14%), decau a californi-237 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat per primera vegada en el 2008, pel bombardament de plom-204 amb nuclis d’argó-40.
– fermi-242 (242Fm; 242,07343 uma). Nucli format per 100 protons i 142 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 8•10-4 s. Entra normalment en fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, rarament, decau a californi-238 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat per primera vegada en el 1975, pel bombardament de plom-204 i plom-206, amb nuclis d’argó-40.
– fermi-243 (243Fm; 243,07447 uma). Nucli format per 100 protons i 143 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,231 s. Decau majoritàriament (91%) a californi-239 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a einsteini-243 (rarament; amb emissió d’un positró) o entra en fissió espontània (9%; amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat per primera vegada en el 1981, pel bombardament de plom-206 amb nuclis d’argó-40.
– fermi-244 (244Fm; 244,07404 uma). Nucli format per 100 protons i 144 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,00312 s. Entra normalment (99%) en fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (1%), decau a californi-240 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat per primera vegada en el 1967 pel bombardament d’urani-233 amb nuclis d’oxigen-16.
– fermi-245 (245Fm; 245,07535 uma). Nucli format per 100 protons i 145 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,2 s. Decau normalment (95,7%) a californi-241 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a einsteini-245 (4,2%; amb emissió d’un positró) o entra en fissió espontània (0,13%; amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat per primera vegada en el 1967 pel bombardament d’urani-235 amb nuclis d’oxigen-16.
– fermi-246 (246Fm; 246,075350 uma). Nucli format per 100 protons i 146 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,54 s. Decau majoritàriament (85%) a californi-242 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a einsteini-246 (10%; amb emissió d’un positró) o entra en fissió espontània (en 10% dels casos amb emissió de positró i de diversos productes; en 4,5% dels casos sense emissió de positró). Fou sintetitzat per primera vegada en el 1967, pel bombardament de plutoni-239 amb nuclis de carboni-12.
– fermi-247 (247Fm; 247,07695 uma). Nucli format per 100 protons i 147 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 31 s. Decau bé a californi-243 (>50%; amb emissió d’un nucli d’heli-4) o a einsteini-247 (<50%; amb emissió d’un positró). Fou sintetitzat per primera vegada en el 1967, pel bombardament de plutoni-239 amb nuclis de carboni-12.
– fermi-248 (248Fm; 248,077186 uma). Nucli format per 100 protons i 148 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 35,1 s. Decau majoritàriament (93%) a californi-244 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a einsteini-248 (7%; amb emissió d’un positró) o entra en fissió espontània (0,10%; amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat per primera vegada en el 1958, pel bombardament de plutoni-240 amb nuclis de carboni-12.
– fermi-249 (249Fm; 249,078928 uma). Nucli format per 100 protons i 149 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 96 s. Decau majoritàriament (85%) a einsteini-249 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (15%), a californi-245 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat per primera vegada en el 1960, pel bombardament d’urani-239 amb oxigen-16.
– fermi-250 (250Fm; 250,079521 uma). Nucli format per 100 protons i 150 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1820 s (30 minuts). Decau majoritàriament (90%) a californi-246 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a einsteini-250 (10%; per captura electrònica) o entra en fissió espontània (0,0069%; amb emissió de diversos productes). Posseeix un estat metastable (250mFm) a 1199,2 keV, que té una semivida de 1,92 s, i que decau a l’estat basal. Fou sintetitzat per primera vegada en el 1954, pel bombardament d’urani-238 amb nuclis d’oxigen-16.
– fermi-251 (251Fm; 251,081540 uma). Nucli format per 100 protons i 151 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,9•104 s (5 hores). Decau normalment (98,2%) a einsteini-251 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (1,8%), a californi-247 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (251mFm) a 200,09 keV, que té una semivida de 2,11•10-5 s. Fou sintetitzat originàriament en el 1957 pel bombardament neutrònic de californi-249.
– fermi-252 (252Fm; 252,082467 uma). Nucli format per 100 protons i 152 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,140•104 s (25 hores). Decau normalment (99,99%) a californi-248 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a californi-252 (rarament; amb emissió de dos positrons) o entra en fissió espontània (0,0023%; amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat originàriament en el 1956 pel bombardament neutrònic de californi-249.
– fermi-253 (253Fm; 253,085185 uma). Nucli format per 100 protons i 153 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,59•105 s (3 dies). Decau majoritàriament (88%) a einsteini-253 (per captura electrònica) o, alternativament (12%), a californi-249 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament en el 1957 pel bombardament neutrònic de californi-252.
– fermi-254 (254Fm; 254,0868544 uma). Nucli format per 100 protons i 154 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,17•104 s (3 hores). Decau normalment (99,94%) a californi-250 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, entra en fissió espontània (0,0592%; amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat originàriament en el 1954.
– fermi-255 (255Fm; 255,089964 uma). Nucli format per 100 protons i 155 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7,225•104 s (20 hores). Decau normalment a californi-251 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (0,000024%), entra en fissió espontània (amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat originàriament en el 1954.
– fermi-256 (256Fm; 256,091774 uma). Nucli format per 100 protons i 156 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9456 s (158 minuts). Entra normalment en fissió espontània (91,9%; amb emissió de diversos productes) o, alternativament, decau a californi-252 (8,1%; amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament en el 1955.
– fermi-257 (257Fm; 257,095106 uma). Nucli format per 100 protons i 157 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,683•106 s (101 dies). Decau normalment (99,79%) a californi-253 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (0,21%), entra en fissió espontània (amb emissió de diversos productes). És l’isòtop més pesant que s’hagi sintetitzat mai per captura de neutrons. Fou sintetitzat originàriament en el 1964.

Esquema de la desintegració del fermi-257

– fermi-258 (258Fm; 258,09708 uma). Nucli format per 100 protons i 158 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 3,7•10-4 s. Decau per fissió espontània (amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat originàriament en el 1971, a partir del bombardament de fermi-257.
– fermi-259 (259Fm; 259,1006 uma). Nucli format per 100 protons i 159 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1,5 s. Decau per fissió espontània (amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat originàriament en el 1980, pel bombardament de fermi-257.
– fermi-260 (260Fm; 260,10281 uma). Nucli format per 100 protons i 160 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,004 s. Hom no l’ha pogut sintetitzar mai, però seria l’isòtop fill del mendelevi-260, el qual sí ha estat sintetitzat.

L’àtom neutre de fermi conté 100 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f126s26p67s2. És, doncs, inclòs entre els actínids (elements del període 7 del bloc f) i, dins d’aquests, se’l pot assignar al grup f12 (el lantànid del qual és l’erbi). És considerat un metall radioactiu artificial, comptat entre els actínids menors. L’estat d’oxidació més habitual és +3, encara que també el trobem amb +2 i 0.

Aliatge d’iterbi-fermi (Fm, 40 ppm en termes de massa).

En condicions estàndards, el fermi elemental es presentaria en forma de sòlid metàl•lic. En condicions estàndards de pressió, el fermi elemental fondria a 1800 K. Les propietats del fermi metàl•lic es coneixen indirectament a través d’aliatges.

En solucions aquoses, el fermi es troba en forma de catió Fm3+. Hom ha descrit complexos de fermi amb diversos lligands, inorgànics (clorur, nitrat) i orgànics. Hom no ha aconseguit la preparació de cap compost sòlid de fermi.

Els cations Fm3+ poden ser reduïts a Fm2+, entre d’altres amb SmCl2.

Hom no té constància de la producció de fermi en estels. El fermi és produït en reactors nuclears naturals, però la curta semivida fa que no hi romangui més que uns quants mesos. L’únic reactor nuclear natural del qual es té notícia és d’Oklo, a Gabon, de 1700 milions d’anys d’antiguitat. Els assaigs nuclears, a partir del 1952, han estat una font de fermi, si bé pràcticament tota la producció actual al nostre planeta es limita a reactors nuclears d’alta potència.

Segons la Comissió Internacional de Protecció Radiològica, l’exposició anual màxima a fermi-253 hauria d’ésser de 107 Bq per ingesta i de 105 Bq per inhalació, mentre que per al fermi-257 aquests límits són de 105 Bq per ingesta i 4000 Bq per inhalació.

La producció de fermi

El principal centre de producció de fermi és l’Oak Ridge National Laboratory (Tennessee), a través del reactor d’isòtops d’alt flux (HFIR) de 85 MW. En cada campanya de producció, hom irradia unes desenes de grams de curi, obtenint californi (decigrams), berqueli (mil•ligrams), einsteini (mil•ligrams) i fermi (picograms). Per a experiments específics, hom ha alterat les condicions per aconseguir quantitats superiors de fermi (fins a arribar a uns pocs micrograms).

Les dianes irradiades en l’HFIR són sotmeses a tècniques de separació (cromatografia de bescanvi iònic, cristal•lització fraccional) per a aconseguir fermi-257. No obstant, el més comú és optar per la fracció d’einsteini-255, que decau a fermi-255.

El perfeccionament de les tècniques de producció i separació permet arrencar més i més propietats fonamentals del fermi. Més enllà d’aquesta recerca bàsica, ara com ara no es poden proposar aplicacions pràctiques a aquest element.

Instal•lacions de l’HFIR, a Oak Ridge (Tennessee)

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: