Els empèdocles moderns – Almon E. Larsh (1961) i l’element 103 (Lr) – laurenci (unniltri, Unt)

Ernest O. Lawrence tenia 30 anys quan fundà a Berkeley (Califòrnia) el “Radiation Laboratory” en el 1931, i el va dirigir fins a la mort a 57 anys. No és estrany que immediatament després del decés, els Regents de la Universitat de Califòrnia aprovessin redenominar aquest centre com a “Lawrence Berkeley Laboratory”. Lawrence no tan sols havia estat l’ànima d’aquest centre i de la subseu establerta a Livermore el 1952. Després de la guerra, Lawrence havia estat un advocat incansable de la “Big Science”, d’un concepte nacional de la recerca científica de caràcter massiu i industrial, fonamentat en inversions federals i dut a terme per equips amples i ben organitzats. Lawrence, en aquest sentit, encarna una nova era de la física, que també és implacable quan es tracta de collar col•legues, esdevinguts subalterns, però que també sap batallar per aconseguir fons, públics i privats. Però Lawrence també té elements de la vella escola que no lliguen gaire amb els requeriments matemàtics d’una ciència física cada vegada més complexa. Lawrence era natural de Canton (South Dakota), fill de la immigració noruega de final del segle XIX. Va estudiar a la University of South Dakota in Vermillion, a la University of Minnesota (amb tesi de mestratge sobre un rotor magnètic, 1923), a la University of Chicago i a la Yale University (amb tesi doctoral sobre l’efecte fotoelèctric en el vapor de potassi com a funció de la freqüència de la llum, 1924). Fou a Yale que es casà amb Molly Blumer, amb la que tindria sis fills. Lawrence arribà a la University of California in Berkeley el 1928, com a professor associat, però en el 1930 ja era professor titular. Ja en aquella època treballava en el desenvolupament del ciclotró, una gran instal•lació que permetria fornir l’energia necessària per a experiments que requerien l’acceleració de partícules. En el 1939, Lawrence era guardonat en solitari amb el Premi Nobel de Física “per la invenció i el desenvolupament del ciclotró i pels resultats obtinguts amb ell, especialment en relació als elements radioactius artificials”. Lawrence participà activament en el Projecte Manhattan, al redós del qual hom sintetitzaria successivament aquests elements radioactius artificials, alhora que convertia Estats Units en la primera potència que disposava d’armes nuclears. Lawrence també va veure les aplicacions mèdiques dels ciclotrons, i tan a Berkeley com a Livermore aquestes són línies actives de treball. Actualment, el Lawrence Berkeley National Laboratory se sol conèixer més senzillament com a Berkeley Lab. És gestionat i operat per la University of California i és un dels centres de recerca del US Department of Energy. Hi treballen unes 4000 persones, de les quals 800 són estudiants, sense comptar els qui fan estades temporals (uns 3000 cada any). Ho fan repartits en 76 edificis d’un complex de 0,81 km2. Nosaltres arribem així al nombre 103 de la nostra sèrie.

L’Edifici 6 del Berkeley Lab serveix per a l’actual logo del centre i acull el “Advanced Light Source” (ALS). Originàriament, Lawrence el va fer construir per acollir el ciclotró de 184 polsades. L’actual ALS és un ciclotró de tercera generació, que entrà en funcionament en el 1993. L’acceleració d’electrons permet a la instal•lació la generació de llum ultraviolada i de raigs X. La generació de raigs X d’altíssima potència és utilitzada en projectes de recerca bàsica i aplicada: semiconductors, materials magnètics, cristal•lografia de proteïnes, microscòpia de raigs X, etc.

Almon E. Larsh i la descoberta del laurenci

Almon E. Larsh

Almon E. Larsh va nàixer a Califòrnia en el 1929. Es graduar com a enginyer elèctric en l’Institut Tecnològic de Califòrnia (Caltech) en el 1950.

Larsh s’integrà com a enginyer elèctric en el Radiation Laboratory que, d’ençà de la mort d’Ernest O. Lawrence havia passat a dir-se oficialment Lawrence Berkeley Laboratory.

Albert Ghiorso

Una de les línies de recerca del Radiation Laboratory era la síntesi d’elements transurànics. En el 1958, havien anunciat la síntesi de l’element 102. D’una manera o altra, el Laboratori de Berkeley havia aconseguit la prioritat en la descoberta de tots els elements transurànids entre el 93 (neptuni, 1940) i el 101 (mendelevi, 1955). Però ara se’ls havia presentat una dura competència tan a Europa (Institut Nobel) com a Rússia (Laboratori de Recerca Nuclear de Dubna).

Torbjørn Sikkeland

L’energia necessària per a la síntesi de cada nou element transurànid es feia més elevada. Hom ja no la podia aconseguir amb el ciclotrons sinó en el nou accelerador lineal HILAC. Glenn T. Seaborg, que havia substituït Lawrence en aquests esforços, havia aconseguit el finançament necessari per disposar de les instal•lacions necessàries per a aquest nou projecte.

Robert M. Latimer (1934-1998)

En el 1958, hom reutilitzà a Berkeley les mateixes dianes de curi utilitzades per a la síntesi de l’element 102. Aquesta vegada foren bombardades amb ions de nitrogen-14, i hom esperava poder detectar algun isòtop de l’element 103. S’anotaren uns divuit senyals, amb emissions de partícules alfa de 9 MeV i d’una semivida de 0,25 s. Les dades no eren, però, concloents per afirmar que realment s’havien produït àtoms de l’element 103.

En el 1960, s’hi va fer un nou intent. S’hi bombardaren dianes de californi-252 amb bor-10/11. De nou, les dades no foren concloents per afirmar la síntesi de l’element 103.

A començament del 1961 es va fer una nova ronda d’experiments, amb participació d’Albert Ghiorso, Torbjørn Sikkeland, Almon Larsh i Robert M. Latiment. Feien servir dianes de californi (3 mg), que eren bombardades amb nuclis de bor-10 i bor-11, accelerades en l’HILAC.

En l’experiment del 14 de febrer del 1961, trobaren senyals corresponents a emissions de partícules alfa de 8,6 MeV, amb una semivida de 8 s. Les atribuïren a l’isòtop 257103, i així ho comunicaren en un article publicat l’1 de maig. En aquest article, Ghiorso et al. proposaven denominar l’element 103 com a “lawrencium”, en honor d’Ernest Lawrence (i del Laboratori en general) i de simbolitzar-lo com a “Lw”.

La Comissió sobre Nomenclatura de Química Inorgànica de la IUPAC acceptà la proposta de denominació, però no la del símbol, ja que s’estimà més “Lr”. El nom “lawrencium” ha estat adaptat a les diferents llengües amb les modificacions fonètiques i gràfiques corresponents. En català, normalment hom escriu “laurenci”, i no pas “lawrenci”.

Des del Laboratori de Recerca Nuclear de Dubna, però, s’elevaren alguns dubtes quant a la descoberta de Berkeley. De fet, les propietats descrites per Berkeley, retrospectivament, encaixen més aviat amb l’isòtop 258Lr. Ara bé, la síntesi de 258Lr a partir de 252Cf i 11B hauria d’haver donat un rendiment inferior al detectat en l’experiment del 14 de febrer del 1961.

En el 1965, en el laboratori de Dubna, el grup de Georgii N. Flerov bombardava dianes d’amercici-243 amb oxigen-18. Van poder identificar la formació de fermi-252, que atribuïren a la desintegració de 256103 (Donets et al., 1965). A final del 1967, Flerov et al. amb la mateixa reacció identificaven dos isòtops, amb emissions alfa de 8,35-8,50 MeV i 8,50-8,60 MeV, respectivament, que identificaren com a 256103 i 257103. Ara ja se sentiren prou fort com per reivindicar la prioritat en la síntesi de l’element 103, al que proposaren designar amb el nom de “rutherfordium”.

Experiments fets a Dubna en el 1969 i a Berkeley en el 1970 (amb uns 1500 àtoms de 256Lr), indicaven per a l’element 103 un comportament químic propi dels actínids. Això confirmava les prediccions fetes per Glenn T. Seaborg en el 1949, que havia considerat com a actínids tots els elements entre el 89 i el 103. Així de la mateixa manera que el luteci és considerat un lantànid (i l’escandi i l’itri són considerats també metalls de terres rares), l’element 103 fou classificat entre els actínids, i col•locat convencionalment en el bloc f, si bé en termes electrònics, com el luteci, caldria col•locar-lo teòricament en el bloc d.

En el 1970, a Dubna reportaren la síntesi de l’isòtop 255103, amb una emissió alfa de 8,38 MeV, i una semivida de 20 s.

En el 1971, a Berkeley, Eskola et al. sintetitzaren i estudiaren sis isòtops de l’element 103 (255-260), a través de l’espectroscopia d’emissions alfa. Aquest estudi confirmava, amb algunes esmenes, els experiments fets a Berkeley des de 1961 i els fets a Dubna des del 1965. Eskola et al. defensaren la prioritat de Berkely, bo i admetent que el primer isòtop sintetitzat hauria estat el 258103. La IUPAC, doncs, ratificà la prioritat de la descoberta de l’element 103 i del nom de laurenci.

En el 1974, Nugent et al. calcularen la configuració electrònica de l’estat basal del laurenci. Abans d’ells i després, hi hagueren càlculs conflictius entre una configuració s2p i una s2d.

Entre el 1976 i el 1977 l’espectroscopia de raigs X de l’isòtop 258Lr servia com a prova definitiva de l’existència de l’element.

En el 1987, la síntesi de 260Lr, isòtop amb una semivida de 2,7 minuts (superior a la dels isòtops més lleugers) permeté comprovar el caràcter trivalent de l’element i calcular algunes dades fonamentals (radi iònic, entalpia d’hidratació, etc.).

En el 1994, es reobrí una nova batalla de nomenclatura en el marc de les “guerres transfèrmiques”. La prioritat de l’element 103 fou qüestionada, així com la seva denominació. En qualsevol cas, l’agost del 1997, la IUPAC, reunida a Ginebra, ratificà el nom de “laurenci” i el símbol “Lr” així com la prioritat de Berkeley amb data del 1961.

Recentment, Sato et al. (2015) van mesurar la primera energia d’ionització del laurenci, amb un valor de 4,96 eV. La dada coincideix amb l’esperada d’una configuració s2p.

El laurenci: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del laurenci és de 266 uma, corresponent a la de l’isòtop més estable conegut (266Lr, 11 hores). El llistat complet d’isòtops coneguts fa:
– laurenci-252 (252Lr; 252,09526 uma). Nucli format per 103 protons i 149 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,39 s. Decau majoritàriament (90%) a mendelevi-248 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a nobeli-252 (10%; amb emissió d’un positró) o bé entra en fissió espontània (1%; amb emissió de diversos productes). No ha estat sintetitzat directament, sinó que se l’identificà com a isòtop fill del dubni-256 en el 2001, quan aquest fou produït amb el bombardament de bismut-209 amb titani-50.
– laurenci-253 (253Lr; 253,09509 uma). Nucli format per 103 protons i 150 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,58 s. Decau majoritàriament (90%) a mendelevi-249 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, entra en fissió espontània (9%; amb emissió de diversos productes) o decau a nobeli-253 (1%; amb emissió d’un positró). Posseeix un estat metastable (253mLr) a 30 keV, que té una semivida de 1,5 s. El 253Lr fou detectat originàriament en el 1985 com a isòtop fill del dubni-257, sintetitzat per bombardament de bismut-209 amb titani-50. En el 2001 hom detectà per primera vegada 253mLr, amb la mateixa reacció.
– laurenci-254 (254Lr; 254,09648 uma). Nucli format per 103 protons i 151 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 13 s. Decau majoritàriament (78%) a mendelevi-250 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a nobeli-254 (22%; amb emissió d’un positró) o per fissió espontània (0,1%; amb emissió de diversos productes). No ha estat sintetitzat directament, sinó que fou detectat originàriament en el 1985, com a isòtop fill del dubni-258, produït pel bombardament de bismut-209 amb titani-50.
– laurenci-255 (255Lr; 255,096562 uma). Nucli format per 103 protons i 151 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 22 s. Decau majoritàriament (69%) a mendelevi-251 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a nobeli-255 (30%; amb emissió d’un positró) o per fissió espontània (1%; amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat originàriament en el 1970 amb el bombardament d’americi-243 amb oxigen-16.
– laurenci-256 (256Lr; 256,09849 uma). Nucli format per 103 protons i 153 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 27 s. Decau majoritàriament (80%) a mendelevi-252 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a nobeli-256 (20%; amb emissió d’un positró) o per fissió espontània (0,01%; amb emissió de diversos productes). Reportat en experiments de 1961, 1965 i 1968, fou detectat de manera contrastada per primera vegada en el 1971, amb el bombardament de californi-252 amb bor-10.
– laurenci-257 (257Lr; 257,09942 uma). Nucli format per 103 protons i 154 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,646 s. Decau normalment (99,99%) a mendelevi-253 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a nobeli-257 (0,01%; amb emissió d’un positró) o per fissió espontània (0,001%; amb emissió de diversos productes). Reportat en experiments de 1958, la primera detecció contrastada fou en el 1971, amb el bombardament de californi-249 amb nitrogen-15.
– laurenci-258 (258Lr; 258,10176 uma). Nucli format per 103 protons i 155 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,1 s. Decau normalment (95%) a mendelevi-254 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (5%), a nobeli-258 (amb emissió d’un positró). Reportat en el 1961, fou detectat contrastadament en el 1971, amb el bombardament de californi-249 amb nitrogen-15.
-laurenci-259 (259Lr; 259,10290 uma). Nucli format per 103 protons i 156 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,2 s. Decau majoritàriament (77%) a mendelevi-255 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, entra en fissió espontània (23%; amb emissió de diversos productes) o decau a nobeli-259 (0,5%; amb emissió d’un positró). Fou sintetitzat originàriament en el 1971, amb el bombardament de curi-248 amb nitrogen-15.
– laurenci-260 (260Lr; 260,10551 uma). Nucli format per 103 protons i 157 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 160 s (3 minuts). Decau majoritàriament (75%) a mendelevi-256 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a nobeli-260 (15%; amb emissió d’un positró) o per fissió espontània (10%; amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat originàriament en el 1971, amb el bombardament de curi-248 amb nitrogen-15
– laurenci-261 (261Lr; 261,10688 uma). Nucli format per 103 protons i 158 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2600 s (44 minuts). Decau normalment per fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, rarament, a mendelevi-257 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament en el 1987, amb fusió d’einsteini-254 i neó-22.
– laurenci-262 (262Lr; 262,10961 uma). Nucli format per 103 protons i 159 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,30•104 s (216 minuts). Decau normalment a nobeli-262 (amb emissió d’un positró) o, rarament, a mendelevi-258 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament en el 1987, amb fusió d’einsteini-254 i neó-22.
– laurenci-266 (266Lr; 266,11983 uma). Nucli format per 103 protons i 163 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,0•104 s (11 hores). Decau per fissió espontània, amb emissió de diversos productes. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat per primera vegada en el 2014 com a producte de 294Uus (resultat del bombardament de berqueli-249 amb calci-48).

Pel que fa als isòtops encara no sintetitzats o detectats, podem esmentar:
– el laurenci-263 (263Lr), amb una semivida teòrica de 5 hores.
– el laurenci-264 (264Lr), amb una semivida teòrica de 10 hores.
– el laurenci-265 (265Lr), amb una semivida teòrica de 10 hores.

L’àtom neutre de laurenci conté 103 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p67s27p1. És considerat general un actínid i, de fet, seria l’actínid més pesant de tots. Aquesta consideració no és incompatible amb assignar-lo en el grup 3 (el grup de l’itri; bloc d). En algunes taules periòdiques, doncs, apareix adscrit al grup 3 i en d’altres és col•locat en l’extrem dret del bloc f, sempre això sí en el període 7. Des d’un altre punt de mira, se’l podria arribar a considerar dins del grup 13 (grup del bor). En tot cas, és comptat entre els elements radioactius artificials. L’únic estat d’oxidació que li és conegut és +3. El radi metàl•lic seria de 1,71•10-10 m.

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el laurenci es presentaria com un sòlid metàl•lic d’aspecte argentí, amb una estructura cristal•lina hexagonal estretament empacada. En condicions estàndards de pressió, fondria a 1900 K.

Amb les tècniques actualment existents, no és possible sintetitzar una peça, ni tan sols microscòpica, de laurenci metàl•lic. No obstant, hom prediu que es tractaria d’una peça fàcilment oxidable en presència d’aire atmosfèric i atacable per vapor d’aigua i àcids.

En solució aquosa, la forma estable és Lr3+.

Entre els compostos químics de laurenci mínimament estudiats podem esmentar:
– halurs: LrF3 (insoluble en aigua), LrCl3.
– hidròxid: Lr(OH)3 (insoluble en aigua).

Pel que se sap, doncs, no hi ha més laurenci que els grapats d’àtoms sintetitzats en experiments deliberats en un grapat de laboratoris.

Síntesi, detecció i estudi del laurenci

Les reaccions de fusió en calent foren les primeres en ser utilitzades per a la síntesi de laurenci. Podem esmentar entre aquestes:
243Am(18O,xn)261-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1965 al Laboratori Flerov, i fou repetida de manera més consistent en el 1968.
243Am(16O,xn)259-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1970 al Laboratori Flerov.
248Cm(15N,xn)263-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1971 al Laboratori de Berkeley.
248Cm(18O,pxn)265-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1988 en el Laboratori de Berkeley.
246Cm(14N,xn)260-xLr. Aquesta reacció fou estudiada en el Laboratori de Berkeley en el 1958.
244Cm(14N,xn)258-xLr. Aquesta reacció fou estudiada al Laboratori de Berkeley en el 1958.
249Bk(18O,αxn)263-xLr. Aquesta reacció fou estudiada en el Laboratori de Berkeley en el 1971. En el 1988 fou aprofitada per aconseguir prou laurenci per a estudis sobre química aquosa de l’element
252Cf(11,xn)263-xLr. Aquesta reacció fou estudiada en el Laboratori de Berkeley en el 1961.
252Cf(10B,xn)262-x. Aquesta reacció fou estudiada en el Laboratori de Berkeley en el 1961.
250Cf(14N,αxn)260-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament a Berkeley en el 1971.
249Cf(11B,xn)260-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1970 a Berkeley. En el 1976, fou practicada en el Laboratori d’Oak Ridge.
249Cf(12C,pxn)260-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1971 a Berkeley.
249Cf(15N,αxn)260-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1971 a Berkeley. En el 1976, fou practicada al Laboratori d’Oak Ridge.
254Es+22Ne. Aquesta reacció de transferència fou estudiada en el Laboratori de Livermore en el 1987.

Altres reaccions es basen en la fusió en fred:
205Tl(50Ti,xn)255-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1976 pel grup de Yuri Oganessian en el Laboratori Flerov.
203Tl(50Ti,xn)253-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1976 pel grup de Yuri Oganessian en el Laboratori Flerov.
208Pb(48Ti,pxn)255-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1984 pel grup de Yuri Oganessian en el Laboratori Flerov.
208Pb(45Sc,xn)253-xLr. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1976 pel grup de Yuri Oganessian en el Laboratori Flerov.
209Bi(48Ca,xn)257-xLr. Aquesta reacció fou estudiada en el 2003 pel Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL). Entre el 2004 i el 2006 fou practicada pel Laboratori Flerov en la recerca sobre 255Lr.

També els diferents isòtops de laurenci poden obtindre’s com a producte d’isòtops més pesants:
– el laurenci-252, com a producte del bohri-260 i del dubni-256.
– el laurenci-253, com a producte del bohri-261 i del dubni-257.
– el laurenci-254, com a producte del meitneri-266, del bohri-262 o del dubni-258.
– el laurenci-255, com a producte del dubni-259.
– el laurenci-256, com a producte del roentgeni-272, del meitneri-268, del bohri-264 o del dubni-260.
– el laurenci-257, com a producte del dubni-261.
– el laureni-258, com a producte de l’ununtri-278, del roentgeni-274, del meitneri-270, del bohri-266 o del dubni-262.
– el laurenci-259, com a producte del bohri-267 o del dubni-263.
– el laurenci-266, com a producte de l’ununsepti-294, de l’ununpenti-290, de l’ununtri-286, del roentgeni-282, del meitneri-278, del bohri-274 o del dubni-270.

Els isòtops més assequibles són el 256Lr i el 260Lr, que se solen obtindre amb el bombardament de dianes transplutòniques (d’americi a einsteini) amb ions lleugers (de bor a neó). Per exemple, el 256Lr es pot aconseguir amb el bombardament de californi-249 amb ions bor-11 accelerats a 70 MeV. El 260Lr es pot produir amb el bombardament de berqueli-249 amb oxigen-18.

La semivida del 260Lr i, especialment, la del 256Lr és massa breu com per utilitzar un protocol complet de purificació química. Així, per al 256Lr s’han utilitzat tècniques d’extracció ràpida en solvent (amb tenoilfluoroacetona com a quelant, i amb fase orgànica de metil-isobutil-centona i fase aquosa d’acetat). Aquest protocol no permet una separació completa respecte d’altres actínids trivalents, però hom pot seguir la presència de l’isòtop per l’alfa-emissió en la banda de 8,24 MeV.

Seqüència d’elució de lantànids (a dalt) i actínids (a sota) segon el volum d’eluat d’α-hidroxisobutirat d’amoni (α-HIB). El laurenci seria un dels primers elements en ser eluat. Val a dir que aquest protocol de separació és massa llarga per a isòtops de semivida curta com 256Lr però encara poden aprofitar per a 260Lr (semivida de 2,7 minuts). Cal minimitzar en tot cas els temps: 1) el rentat de la làmina de recol•lecció amb àcid clorhídric 0,05 M; 2) la separació cromatogràfica; 3) la realització dels experiments

De mica en mica, els diversos grups dedicats als actínids pesants arrenquen més dades del més pesant dels actínids.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: