Els empèdocles moderns – Matti J. Nurmia (1968) i l’element 104 (Rf) – ruterfordi (unnilquadi, Unq)

Ernest Rutherford ha estat qualificat com el pare de la física nuclear. Fou, efectivament, ell qui comprengué el caràcter intrínsec de la radioactivitat i, per tant, fou qui introduí el concepte de semivida. Rutherford havia nascut el 1871 a Brightwater (Nelson), al nord de l’Illa Sud de Nova Zelanda, fill d’un pagès del lli, immigrant escocès. Fou amb una beca que, conclosos els estudis universitaris, va poder viatjar el 1895 a Anglaterra, a investigar en el Cavendish Laboratory, de la Universitat de Cambridge. Allà fou deixeble de J. J. Thomson, qui fou qui el recomanà per a la plaça de Macdonald Professor of Physics de la McGill University, a Montreal. És a Montreal, doncs, on fa la sèrie d’estudis que el dugueren, entre d’altres reconeixements, a rebre el Premi Nobel de Química, en el 1908, “per les seves investigacions sobre la desintegració dels elements, i la química de les substàncies radioactives”. En el 1907 ja havia retornat a Anglaterra, com a professor a la Victoria University of Manchester. En el 1911, modificava el model atòmic de Thomson per postular-ne un en el que hom diferenciava un nucli (on es concentrava la càrrega positiva i la massa de l’àtom) i un núvol (poc dens, on es repartia la càrrega negativa). En els anys següents, Rutherford seria central en l’esclariment experimental de la natura del nombre atòmic i del nombre màssic, de la relació entre isòtops i elements químics. En el 1919, tornava al Canvendish Laboratory, ara ja com a director, càrrec que ocuparia fins a la mort, el 19 d’octubre del 1937. Fou soterrat a la Westminster Abbey. En el 1931, havia estat creat baró Rutherford of Nelson, amb un escut d’armes que recordaven, amb el color del kiwi i la figura d’un guerrer maorí, els seus orígens neozelandesos, mentre que les seves aportacions químiques es traduïen amb la figura d’Hermes Trismegistus i amb el lema lucrecià “Primordia Quaerere Rerum”. I és així com arribem al nombre 104 de la nostra sèrie.

Els experiments de bombardament d’una làmina d’or amb radiació alfa serviren Rutherford per postular una alternativa al model atòmic de Thomson. Thomson, que havia descobert l’existència de partícules subatòmiques, les suposava repartides homogèniament pel cos atòmic. El patró de dispersió de les partícules alfa, però, menà Rutherford a suposar que la massa atòmica es concentrava en una petita regió nuclear amb un diàmetre de tan sols 10 milionèsimes del diàmetre atòmic. Si Demòcrit havia postulat que tot a la natura són àtoms o buit, Rutherford va comprovar que els àtoms són essencialment buits més enllà del nucli

Matti J. Nurmia i la descoberta del ruterfordi

Matti J. Nurmia (a la dreta de la imatge), amb els altres descobridors de l’element 104: Jim Harris, Kari Eskola, Glenn T. Seaborg, Pirkko Eskola i Al Ghiorso

Matti Juhani Nurmia va nàixer a Rauma (Satakunta, Filàndia) el 26 d’agost del 1930. Va estudiar matemàtiques, física i química a la Universitat de Helsinki. En el 1959 esdevingué professor associat en el Departament de Física, i defensà la tesi doctoral reeixidament en el 1960.

Ja abans de doctorar-se havia fet una primera estada als Estats Units, a la Universitat d’Arkansas. En el curs del 1962-1963, realitzà una segona estada, a la Oklahoma State University. De retorn a Helsinki, fou supervisor del laboratori nuclear del Departament de Física.

En el 1967 s’integrà com a investigador en el Laboratori Nacional Lawrence de Berkeley (Califòrnia). Participà, juntament amb els filandesos Pirkko i Kari Eskola, i l’afroamericà Jim Harris en el grup que, sota la coordinació d’Albert Ghiorso i Glenn T. Seaborg, recercava com aconseguir la síntesi de “superactínids”, començant pel primer d’aquests elements, el 104. D’acord amb l’esquema predit per Glenn T. Seaborg en el 1949, l’element 104 era identificable com a l’eka-hafni, és a dir com l’element del període 7 corresponent al grup 4 (el grup del titani, zirconi i hafni).

Segell commemoratiu de G. N. Flerov (1913-1990), amb motiu de la denominació oficial de l’element 114 com a flerovi en homenatge de qui fou director de l’Institut de Recerca Nuclear de Dubna

En el 1964, un equip de l’Institut Conjunt de Recerca Nuclear (ОИЯИ) de Dubna, integrat per Georgi Nikolaevic Flerov, Yuri Tsolakovic Oganessian, Y. V. Lobanov, V. I. Kuznetsov, V. A. Druin, V. P. Perelygin, K. A. Gavrilov, S. P. Tretiakova i V. M. Plotko, havia comunicat la detecció de l’element 104 en un experiment de bombardament de plutoni amb ions de neó. Després del bombardament, les dianes eren exposades a ZrCl4 i separades per termocromatografia de gradient. En una de les fraccions detectaren una activitat de fissió espontània que atribuïren a l’eka-hafni. Flerov et al. havien proposat denominar l’element amb el nom de “kurchatovium”, en homenatge a Ígor Vasilíevitx Kurtxàtov (Курча́тов). Kurtxàtov s’havia mort en el 1960, a l’edat de 57 anys, probablement d’una malaltia relacionada amb l’exposició a radiacions, particularment amb motiu de l’accident nuclear de Txeliàbinsk-40, el gener del 1949. Kurtxàtov era considerat el “pare de la bomba atòmica russa”, pel seu paper destacat en el programa nuclear, que aconseguí la primera bomba d’implosió de plutoni en el 1949, però també el primer reactor atòmic d’Europa (1949), el primer ciclotró de Rússia (1949), la primera central nuclear de producció elèctrica del món (1954) i el primer vaixell de propulsió nuclear (1954), entre d’altres.

La descoberta russa no havia estat reconeguda de manera general, especialment per la manca d’una estimació precisa de la semivida de l’isòtop de l’element 104 presumptament detectat. Des de Dubna, es considerà un greuge comparatiu aquesta decisió, ja que els elements 101-103 havien estat acceptats amb no gaire més evidència de part del laboratori de Berkeley o de l’Institut Nobel d’Estocolm.

Esquema del dispositiu emprat a Berkeley per a la síntesi i detecció de l’element 104 en el 1969

A final del 1968, al laboratori de Berkeley, Ghiorso et al. bombardaren dianes de californi-249 amb ions de carboni-12. Hi detectaren emissions alfa que atribuïren a l’isòtop 257104, que es correlacionaven amb les corresponents al seu isòtop fill, el 253No. Després detectaren unes altres emissions de 259104, correlacionades amb les corresponents al 255No. Encara van detectar una activitat de fissió espontània que atribuïren al 258104. Estimaren les següents semivides: 4,5 s de 257104, 0,011 s per a 258104 i 3 s per a 259104. Ghiorso et al. publicaren aquests resultats el juny del 1969.

En el 1970, el Laboratori de Berkeley, amb Albert Ghiorso, Matti Nurmia, James Harris, Kari Eskola i Pirkko Eskola detectaven l’element 105 en un experiment de bombardament de californi amb àtoms de nitrogen.

En el 1973, Bemis et al., del Oak Ridge National Laboratory, confirmaven per espectroscòpia de raigs X l’isòtop 257104.

Encara que el nom “kurtxatovi” i el símbol químic “Ku” no havien estat aprovats per la IUPAC, van gaudir de notable difusió, una vegada s’havia confirmat l’existència de l’element. El fet que des de Berkeley no s’hagués fet oficial la proposta de Ghiorso de denominar-lo “rutherfordium” (en honor d’Ernest Rutherford), va afavorir que prengués la proposta russa. Certament, el nom “kurtxatovi” fou adoptat de manera general a la literatura soviètica i a la dels països de l’Europa de l’Est, però també era present a l’Europa Occidental. En català, a banda de la forma “kurtxatovi”, també trobem “kurxatovi”, “kurchatovi”, “kurtschatowi” i d’altres formes, d’acord amb diferents criteris de transcripció de la forma russa (курчатовий). Als Estats Units, el nom “kurtxatovi” era gairebé inacceptable i l’element era designat pel nombre atòmic (104) o pel nombre sistemàtic d’unnilquadi (Unq). Aquest, precisament, era el criteri oficial de la IUPAC.

En el 1974, Nurmia participà en l’equip del Laboratori de Berkeley que sintetitzà l’element 106 a través de col•lisions de californi-249 amb àtoms d’oxigen.

En el 1992, Nurmia tornava a Finlàndia, on se li havia ofert una posició com a director de recerca en el Departament de Física de la Universitat de Jyväskylä.

La guerra freda s’havia clos en el 1991 amb la dissolució de la Unió Soviètica. Però la decisió de la IUPAC de revisar els noms dels superactínids descoberts fins llavors, va fer que la “guerra transfèrmica” es desfermés. En el 1992, el Grup de Treball en Transfèrmics de la IUPAC/IUPAP va considerar que l’element 104 era una co-descoberta de Berkeley i de Dubna. Mentre des de Dubna no elevaren gaire protesta, des de Berkeley aquest report fou criticat i s’insistí en la prioritat de Ghiorso et al. amb data del 1969.

L’American Chemical Society (ACS) liderà la proposta de denominar oficialment l’element 104 amb el nom de “rutherfordium” i el símbol Rf. El laboratori de Dubna, per contra, defensava l’oficialització del nom “kurchatovium”, després de més de 20 anys d’ús. La Comissió sobre Nomenclatura de Química Inorgànica de la IUPAC proposà traslladar el nom “rutherfordium” a l’element 106, i designar l’element 104 amb un nom rus, però més neutre, “dubnium” (en homenatge al laboratori nuclear de Moscòvia), amb el corresponent símbol químic “Db”.

La proposta no fou acceptada. Per a l’ACS no era just que s’hi barregés el nom de l’element 106 quan la prioritat de Berkeley en aquest cas no havia estat prèviament qüestionada. Així les coses quedaren en l’aire, amb tres noms possibles per a l’element 104: l’unnilquadi (Unq), el ruterfordi (Rf) i el kurtxatovi (Ku).

La 39a Assemblea General de la IUPAC, reunida a Ginebra en el 1997, adoptà una resolució definitiva quant als noms i símbols dels elements 104-109. Per a l’element 104 s’aprovà el nom de “rutherfordium” i el símbol “Rf”. A canvi, l’element 105 fou denominat “dubnium”. El nom “kurchatovium” caigué, doncs, en desús, si bé és utilitzat encara com a sinònim vàlid en la literatura russa (i en la bielorussa, l’ossetiana, etc.).

El nom “rutherfordium” ha estat adaptat a les diverses llengües amb modificacions gràfiques i fonètiques. En català, hom oscil•la entre les formes “rutherfordi” i “ruterfordi”, amb una predilecció per la primera.

Nurmia ha continuat fent recerca en el camp de l’energètica. En el 2004, fundà la companyia “Cuycha Innovation Oy” que, en el 2010, passà a dirigir el seu fill, Ilkka. En el 2011, a 81 anys, va rebre un guardó sobre un projecte de segrestament de CO2 per fer front a l’augment antropogènic de gasos d’efecte hivernacle.

 

El ruterfordi: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del ruterfordi és de 267 uma, corresponents a l’isòtop ben conegut de més llarga semivida (267Rf, 1,3 hores). El llistat complet d’isòtops coneguts fa:
– ruterfordi-253 (253Rf; 253,10044 uma). Nucli format per 104 protons i 149 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,013 s. Decau bé per fissió espontània (51%; amb emissió de diversos productes) o a nobeli-249 (49%; amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (253mRf) a 200 keV, que té una semivida de 5,2•10-5 s, i que decau per fissió espontània. El 253Rf fou sintetitzat originàriament en el 1994 a partir de la fusió de plom-204 amb titani-50.
– ruterfordi-254 (254Rf; 254,10005 uma). Nucli format per 104 protons i 150 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 2,3•10-5 s. Decau normalment (99,7%) per fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (0,3%), a nobeli-250 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament en el 1994, a partir de la fusió de plom-206 amb titani-50.
– ruterfordi-255 (255Rf; 255,10127 uma). Nucli format per 104 protons i 151 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,64 s. Decau bé per fissió espontània (52%; amb emissió de diversos productes) o a nobeli-251 (48%; amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament en el 1974, a partir de la fusió de plom-207 amb titani-50.
– ruterfordi-256 (256Rf; 256,101152 uma). Nucli format per 104 protons i 152 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,00645 s. Decau normalment (96%) per fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (6%), a nobeli-252 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament en el 1974, a partir de la fusió de plom-208 amb titani-50.
– ruterfordi-257 (257Rf; 257,102918 uma). Nucli format per 104 protons i 153 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,7 s. Decau majoritàriament (79%) a nobeli-253 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a laurenci-257 (18%; amb emissió d’un positró) o per fissió espontània (2,4%; amb emissió de diversos productes). Posseeix un estat metastable (257mRf) a 114 keV, que té una semivida de 3,9 s. El 257Rf i el 257mRf foren sintetitzats originàriament en el 1969, a partir del bombardament de californi-249 amb carboni-12.
– ruterfordi-258 (258Rf; 258,10343 uma). Nucli format per 104 protons i 154 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,012 s. Decau majoritàriament (87%) per fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (13%), a nobeli-254 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament en el 1969, a partir del bombardament de californi-249 amb carboni-13.
– ruterfordi-259 (259Rf; 259,10560 uma). Nucli format per 104 protons i 155 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,8 s. Decau majoritàriament (93%) a nobeli-255 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, per fissió espontània (7%; amb emissió de diversos productes) o a laurenci-259 (0,3%; amb emissió d’un positró). Fou sintetitzat originàriament en el 1969, a partir del bombardament de californi-249 amb carboni-13.
– ruterfordi-260 (260Rf; 260,10644 uma). Nucli format per 104 protons i 156 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 0,021 s. Decau normalment (98%) per fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (2%), a nobeli-256 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament en el 1969, a partir del bombardament de curi-248 amb oxigen-16.
– ruterfordi-261 (261Rf; 261,10877 uma). Nucli format per 104 protons i 157 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 68 s. Decau majoritàriament (76%) a nobeli-257 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a laurenci-261 (14%; amb emissió d’un positró) o per fissió espontània (10%; amb emissió de diversos productes). Posseeix un estat metastable (261mRf) a 70 keV, que té una semivida de 1,9 s, i que decau bé per fissió espontània (73%) o a nobeli-257 (27%). El 261Rf fou sintetitzat originàriament per Ghiorso et al. (1970), amb el bombardament de curi-248 amb oxigen-18. El 261mRf fou sintetitzat originàriament en el 2001, amb el bombardament de plutoni-244 amb neó-22.
– ruterfordi-262 (262Rf; 262,10993 uma). Nucli format per 104 protons i 158 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,3 s. Decau normalment (99,2%) per fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (0,8%), a nobeli-258 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (262mRf) a 600 keV, que té una semivida de 0,047 s, i que decau per fissió espontània. El 262Rf fou sintetitzat originàriament per Lane et al. (1996), a partir del bombardament de plutoni-244 amb neptuni-22.
– ruterfordi-263 (263Rf; 263,1125 uma). Nucli format per 104 protons i 159 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 660 s (11 minuts). Decau majoritàriament (70%) per fissió espontània o, alternativament (30%), a nobeli-259 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). El 263Rf i el 263mRf foren identificats originàriament en el 1999, com a productes de la beta-desintegració de dubni-263.
– ruterfordi-264 (264Rf; 264,11388 uma). Nucli format per 104 protons i 160 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4000 s (1 hora). Decau per fissió espontània.
– ruterfordi-265 (265Rf; 265,11668 uma). Nucli format per 104 protons i 161 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 60 s. Decau per fissió espontània. Fou detectat originàriament per Ellison et al. (2010) com a isòtop resultant de la cadena de desintegracions del flerovi-285, a través del seaborgi-269. Ha estat sintetitzat per V. K. Uyonkov (2015).
– ruterfordi-266 (266Rf; 266,11817 uma). Nucli format per 104 protons i 162 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4•104 s (10 hores). Fou detectat originàriament per Oganessian et al. (2007) com a isòtop resultant de la cadena de desintegracions de l’ununtri-282 (a través del dubni-266), en experiments encara no confirmats.
– ruterfordi-267 (267Rf; 267,12179 uma). Nucli format per 104 protons i 163 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4700 s (1,3 hores). Decau per fissió espontània. Fou detectat originàriament en el 2004 com a isòtop resultant de la cadena de desintegracions del flerovi-287 (a través del seaborgi-271).
– ruterfordi-268 (268Rf; 268,12397 uma). Nucli format per 104 protons i 164 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4000 s. Fou detectat originàriament en el 2004 com a isòtop resultant de la cadena de desintegracions de l’ununpenti-288 (a través del dubni-268), en experiments encara no confirmats.

L’àtom entre de ruterfordi conté 104 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p66d27s2. És considerat un transactínid, és a dir un element del període 7 amb el nivell 5f complet. És classificat com a metall de transició, dins del grup 4 (el grup del titani) i del bloc d. És, en tot cas, un element radioactiu artificial. El nombre d’oxidació més habitual és el +4, per bé que també hom ha predit trobar-lo amb nombres +3 i +2. El radi atòmic és estimat en 1,5•10-10 m.

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, hom esperaria que el ruterfordi elemental fos un sòlid metàl•lic, amb una estructura cristal•lina hexagonal estretament empacada i amb una densitat de 23200 kg•m-3 (superior a la de l’osmi).

En condicions estàndards de pressió, el ruterfordi elemental fondria a 2400 K i bulliria a 5800 K.

En fase aquosa, hom esperaria trobar l’ió Rf4+.

Entre els compostos químics estudiats podem citar:
– halurs: RfCl4, RfBr4.
– hexaclororuterfordats: K2[RfCl6]
– oxihalurs: RfOCl2.

Com la resta de transactínids, pel que se sap, la producció de ruterfordi té lloc únicament en uns pocs laboratoris especialitzats a Califòrnia, Tennessee, Hessen, Moscòvia o Japó. Ara com ara, no hi ha perspectives de generació de quantitats visibles d’aquest element.

La síntesi del ruterfordi

Els primers mètodes de síntesi de ruterfordi foren les fusions en calent, en reaccions com ara:
242Pu(22Ne,xn)264-xRf. Fou estudiada originàriament per Flerov et al. (1964), amb possible síntesi de 259Rf. En el 1966 la repetiren, vinculada a la formació de clorurs, amb possible síntesi de 259RfCl4. En el 1971, obtingueren resultats més robustos.
248Cm(16O,4n)260Rf. Fou estudiada originàriament per Ghiorso et al. (1969).
248Cm(18O,3n)261Rf. Fou estudiada originàriament per Ghiorso et al. (1970).
249Cf(13C,4n)258Rf. Fou estudiada originàriament per Ghiorso et al. (1969).
249Bk(14N,3n)260Rf. Fou estudiada originàriament en el Laboratori de Dubna en el 1977 i repetida en el 1985.
244Pu(22Ne,4n)262Rf. Fou estudiada originàriament en el 1996 pel Laboratori de Berkeley.

Esquema de l’alfa-desintegració del ruterfordi-257 en nobeli-253, proposat pel GSI de Darmstadt en el 2006, d’acord amb estudis de síntesi de ruterfordi fetes amb dianes de plutoni-244.

238U(26Mg,xn)264-xRf. Fou estudiada originàriament en el Laboratori de Dubna en el 2000. A partir del 2006, ha estat també realitzada en el Laboratori de Berkeley. A Darmastadt l’han realitzada en el marc dels seus estudis espectroscòpics sobre el ruterfordi-259.

Pel que fa a les reaccions de fusió en fred:
208Pb(50Ti,xn)258-xRf. Fou estudiada originàriament en el laboratori de Dubna en el 1974. Fou utilitzada després en el GSI de Darmstadt per a l’estudi de 257Rf i 255Rf.
207Pb(50Ti,xn)257-xRf. Fou estudiada originàriament en el Laboratori de Dubna en el 1974.
206Pb(50Ti,xn)256-xRf. Fou estudiada originàriament en el Laboratori de Darmstadt en el 1994.
204Pb(50Ti,xn)254-xRf.

Diversos isòtops de ruterfordi es poden obtindre com a producte d’isòtops de transactínids pesants:
– el rutefordi-263 fou identificat com a isòtop fill del dubni-263 a la Universitat de Berna en el 1999.
– el ruterfordi-265 fou identificat en la cadena de desintegració del flerovi-285 en el 2010.
– el ruterfordi-266 fou detectat en el 2007 en la cadena de desintegració de l’ununtri-282.
– el ruterfordi-267 fou identificat en la cadena de desintegració del darmstadti-279 en el 2004 (a través del hassi-275 i seaborgi-271).
– el ruterfordi-268 fou identificat en la cadena de desintegració del ununpenti-288 en el 2004 (a través de l’ununtri-284, del roentgeni-280, del meitneri-276, del bohri-272 i del dubni-268).

La síntesi de ruterfordi s’adreça al coneixement de les seves propietats fonamentals, físiques i químiques. La caracterització de les propietats de cada isòtop i dels possibles isòmers és fonamental per al programa de síntesi de transactínids més pesants i de superactínids.

La curta semivida dels isòtops de ruterfordi de més fàcil síntesi obliga a integrar producció i anàlisi. És en aquest sentit que el Laboratori de Dubna, ja en els anys 1960, acoblava la síntesi a una termocromatografia de gasos. El ruterfordi general, en aquest esquema, era transformat directament a clorur. La caracterització química en fase gasosa del clorur, del bromur, de l’oxiclorur i d’altres compostos han posat de manifest l’analogia amb el hafni i amb els altres elements del grup 4 (el titani i el zirconi).

És en l’Institut de Recerca sobre l’Energia Atòmica del Japó on més s’ha avançat en l’estudi química del ruterfordi en fase aquosa. En aquests estudis, hom ha utilitzat 261mRf. La formació de complexos amb àcid clorhídric, bromhídric o fluorhídric, també referma que aquest element fa part del grup del titani.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: