Els empèdocles moderns – Gottfried Münzenberg (1981) i l’element 107 (Bh) – bohri (unnilsepti, Uns)

Nascut a Copenhague el 7 d’octubre del 1885, Niels Bohr és un dels físics teòrics més destacables del segle XX. Tanmateix el geni de Bohr es demostra per primera vegada als 20 anys, en el marc de la física experimental, quan participa en un concurs de la Reial Acadèmia Danesa de Ciències i Lletres sobre el desenvolupament d’un mètode de mesura de la tensió superficial de líquids d’acord. Niels treballà en el laboratori del seu pare, Christian, professor de fisiologia de la Universitat de Copenhague, i construí un sistema de tubs amb els quals era capaç de mesurar la tensió superficial i la viscositat de l’aigua. Niels Bohr guanyà aquest concurs, i el treball fou publicat al Philosophical Transactions of the Royal Society. Però quan ha de triar el treball de tesi doctoral, Bohr tria ja com a tema la teoria electrònica de metalls, aprofundint en el model de Paul Drude i Hendrik Lorenz. Defensada reeixidament la tesi, Bohr se’n va a Londres. És el 1911, i la física teòrica és en ple brogit d’avenços sobre l’estructura molecular i atòmica. És en el 1911, quan el model atòmic de Rutherford, que distingeix entre un nucli i una escorça, desplaça el model anterior (de “púding”) que J. J. Thomson havia enunciat en el 1904 (arran de la descoberta de l’electró com a partícula subatòmica). De retorn a Copenhague, Bohr publica una trilogia al Philosophical Magazine “sobre la constitució d’àtoms i molècules”, que adapta el model atòmic de Rutherford a la teoria quàntica de Max Planck. El model atòmic de Bohr concep l’escorça electrònica de l’àtom en diversos nivells discrets. El prestigi de Bohr va fer que se’l disputessin entre la Universitat de Manchester, on Rutherford li oferia un plaça, i la Universitat de Copenhague, que creà per a ell la Càtedra de Física Teòrica (1916). Bohr acceptà aquesta darrera plaça. Sota el seu impuls, el govern danès creà l’Institut de Física Teòrica, inaugurat el 3 de març del 1921, amb Bohr de director. En el 1922, Bohr rep el Premi Nobel de Física “pels seus serveis en la investigació de l’estructura d’àtoms i de la radiació que emanen”. Ja vam veure com Bohr la va encertar en els seus pressupòsits teòrics amb l’element 72, que identificà com l’eka-zirconi per comptes d’un metall de terra rara. En el 1924 postula (amb teoria de Bohr-Kramers-Later) un programa per entendre la interacció entre la matèria i la radiació electromagnètica d’acord amb la teoria quàntica. És entre 1925 i 1927 quan es desenvolupa, gràcies a les aportacions de Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, l’anomenada “interpretació de Copenhague” de la mecànica quàntica. Breument, la mecànica quàntica tan sols pot predir les probabilitats que la mesura d’un sistema físic doni un cert resultat: és l’acte de mesurar el que provocarà una reducció del conjunt de probabilitats a un únic valor mesurat. Aquesta interpretació, naturalment, fou discutida. Contra ella Schrödinger imaginà el seu famós experiment amb un gat i, en el 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen formularen la paradoxa a la qual conduïa. El nom d’interpretació de Copenhague sembla que el proposà Heisenberg en el 1955, atenent a la rellevància que hi havia tingut Bohr i els seus col•laboradors de l’Institut de Física Teòrica. I, certament, en els anys 1950-1980 aquesta interpretació fou la interpretació ortodoxa o estàndard. Encara avui ho és, malgrat el pes adquirit per la interpretació de “múltiples mons”. Bohr, per part de mare, era d’ascendència jueva, i visqué amb preocupació l’ocupació militar alemanya iniciada en el 1940, especialment quan, el 1943, circulaven plans de detencions i deportacions massives. La resistència danesa va ajudar Bohr i la seva dona a creuar la mar cap a Suècia. De Suècia passa a Anglaterra on fou recrutat per al Projecte Manhattan. Després de la guerra, Bohr seria defensor de la cooperació internacional per a l’ús pacífic de l’energia atòmica. També fou un dels impulsors de la creació del Centre Europeu de Recerca Nuclear (CERN, 1957). Es va morir a 77 anys a Copenhague. Nosaltres arribem així al nombre 107 de la nostra sèrie.

Seu de l’Institut de Física Teòrica que, en el 1920, esdevingué no tan sols el centre de treball sinó també de residència per a Niels Bohr i la seva família. En el 1962 adoptà el nom oficial d’Institut Niels Bohr, amb el qual ja era de fet conegut des de feia dècades.

Gottfried Münzenberg i la descoberta del bohri

Gottfried Münzenberg

Gottfried Münzenberg va nàixer a Nordhausen am Harz (Turíngia) el 17 de març del 1940, fill del matrimoni format per Heinz i Helene. El seu pare era pastor protestant i, després de la guerra, la família s’establí a Wolfsburg (Baixa Saxònia). Gottfried s’hi va graduar en el batxillerat municipal (Ratsgymnasium).

Començà la carrera de física a la Justus-Liebig-Universität de Gießen (Hesse), una part de la qual va fer a la Leopold-Franzens-Universität d’Innsbruck (Tirol). Es doctorà a Gießen en el 1971.

En el 1976 s’incorporà a la “Gesellschaft für Schwerionenforschung” (GSI, Societat per a la Recerca d’Ions Pesants), amb seu a Darmstadt (Hesse). La GSI havia estat creada en el 1969, per iniciativa de les escoles superiors hessianes de Darmstadt, Frankfurt i Marburg. En el 1975, l’accelerador d’ions pesants havia entrat en funcionament. Münzenberg s’unia al Departament de Química Nuclear, que dirigida Peter Ambruster. La tasca que tenien davant era la construcció del Separador de Productes de Reaccions d’Ions Pesants (SHIP, en l’acrònim anglès) que havia de posar el GSI de Darmstadt a l’alçada dels laboratoris de Berkeley i de Dubna. El projecte insígnia era la síntesi d’elements superpesants.

Les taules periòdiques arribaven a l’element 105, encara que també hom podia admetre la descoberta de l’element 106. L’element següent, doncs, era l’element 107, l’eka-reni. El Laboratori de G. N. Flerov, a Dubna, havia anunciat la síntesi de l’isòtop 261107 (Oganessian et al., 1976). Segons Oganessian et al., aquest isòtop seguia principalment una desintegració alfa (80%; la resta de les vegades, fissió espontània). Aquesta descoberta, però, no va rebre confirmació.

En el 1981, el GSI de Darmstadt es disposava a realitzar un experiment de síntesi i detecció de l’element 107. Hi participaven Gottfried Münzenberg, Sigurd Hofmann, Fritz Peter Heßberger, Willibrord Reisdorf, Karl-Heinz Schmidt, J. H. R. Schneider, Peter Ambruster, Cristoph-Clemens Sahm i B. Thuma. De manera similar a Dubna, l’experiment consistia en el bombardament d’una diana de bismut-209 amb ions accelerats de crom-54. Münzenberg et al. (1981) reportaren la detecció de 5 àtoms de 262107. La troballa recolzava en la correlació de la cadena de desintegracions alfa resultant d’aquest núclid.

En el 1982, Münzenberg et al. sintetitzaven l’element 109. Per les descobertes dels elements 107 i 109, encara que no confirmades, Münzenberg i Hofmann van rebre el Premi Röntgen de la Universitat de Giessen. En el 1984, Münzenberg et al. sintetitzaven l’element 108.

Münzenberg es posà el capdavant del projecte del separador de fragments (FRS), instrument amb el qual el GSI realitzà investigacions sobre la interacció amb la matèria d’ions pesants accelerats a velocitats relativístiques, així com la producció i separació de corrents nuclears exòtics i l’estudi d’aquests nuclis.

Instal·lacions del GSI de Darmstadt

Münzenberg compaginà la feina a Darmstadt al Departament d’Estructura Nuclear i Química Nuclear del GSI (del qual esdevindria director) amb una posició de professor de física a la Johannes-Gutenberg-Universität de Mainz.

En el 1992, el Grup de Treball sobre Transfèrmics de la IUPAC/IUPAP va reconèixer al grup de Darmstadt la prioritat en la síntesi i detecció dels elements 107-109. D’aquesta manera, els corresponia a ells fer una proposta de denominació i simbolització:
– per a l’element 107, proposaren el nom de “nielsbohrium” i el símbol Ns, en homenatge al “pare del model atòmic”.
– per a l’element 108 proposaren el nom de “hassium”, en homenatge “a la nostra bella terra hessiana”.
– per a l’element 109 proposaren el nom de “meitnerium”, en homenatge a Lise Meitner (1878-1968), co-descobridora de la fissió nuclear de l’urani.

En el 1994, el GSI de Darmstadt aconseguí la síntesi dels elements 110 i 111.

La Comissió de Nomenclatura de Química Inorgànica de la IUPAC, en el 1994, va fer una proposta conjunta de denominació dels elements 104-109. A Darmstadt no els agradà que hom barregés els seus elements amb els que eren disputats entre Berkeley i Dubna. Com que la Comissió considerà denominar els elements 104-105 amb nous noms (dubni i jolioti), això desplaçà l’homenatge a Rutherford a l’element 106 (ruterfordi) i l’homenatge a Otto Hahn (hahni) a l’element 108. Això no afectava els elements 107 i 109, però sí suposava deixar de banda l’homenatge a Hessen per a l’element 108. La proposta fou tan contestada que quedà en suspens.

En el 1996, el GSI de Darmstadt sintetitzà l’element 112. Era el sisè element superpesant consecutiu descobert a Darmstadt, i Münzenberg va rebre el Premi Otto Hahn de la ciutat de Frankfurt am Main. Curiosament, l’any següent, seria l’homenatge a Hahn el que quedaria fora de la taula periòdica.

En efecte, la 39a Assemblea General de la IUPAC, reunida a Ginebra, aprovà els noms dels elements 104-109, bo i respectant les propostes alemanyes per als elements 107-109. No obstant, per a l’element 107 l’homenatge a Bohr quedà escurçat a “bohrium” i el símbol químic convertit en “Bh”. Se seguia el criteri d’altres homenatges personals, reduït al cognom, però òbviament això podia generar confusions amb el “borium” (l’element 3). De fet, des de Darmstadt es mostrà preocupació en aquest sentit, fent referencia especialment a la confusió entre els oxianions “borat” i “bohrat”. Des de Dinamarca, però, hom va mostrar-se partidari del nom “bohrium”, ja que Niels Bohr és el Bohr per antonomàsia. En català, l’element 3 es diu “bor”, de manera que ens estimem més deixar-ho com a “bohri” i retindré la h muda per a facilitar la distinció, ja no tan sols de l’element sinó dels seus derivats.

Malmbeck et al. (2000) proposaren un mètode de separació química per al bohri. Eichler et al. (2000) feren una caracterització química de sis molècules d’oxiclorur de bohri (BhO3Cl.

En el 2005, Münzenberg es retirà de les seves posicions al GSI i a la Universitat de Mainz. Des de llavors ha renovat el seu interès per les implicacions filosòfiques i teològiques de la física.

El bohri: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del bohri és de 270 uma, corresponent a la de l’isòtop conegut de semivida més llarga (270Bh; 3,8 minuts). El llistat d’isòtops coneguts fa:
– bohri-260 (260Bh; 260,12166 uma). Nucli format per 107 protons i 153 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,041 s. Decau a dubni-256, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetizat originàriament per Nelson et al. (2008) pel bombardament de bismut-209 amb crom-52.
– bohri-261 (261Bh; 261,12146 uma). Nucli format per 107 protons i 154 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0128 s. Decau normalment (95%) a dubni-257 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (5%), per fissió espontània (amb emissió de diversos productes). Fou sintetitzat originàriament per Münzenberg et al. (1986) pel bombardament de bismut-209 amb crom-54.
– bohri-262 (262Bh; 262,12297 uma). Nucli format per 107 protons i 155 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,084 s. Decau majoritàriament (80%) a dubni-258 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (20%), per fissió espontània (amb emissió de diversos productes). Posseeix un estat metastable (262mBh) a 220 keV, que té una semivida de 0,0095 s, i que decau a dubni-258 (70%) o per fissió espontània (30%). El 262Bh i el 262mBh foren sintetitzats per primera vegada per Münzenberg et al. (1981).
– bohri-264 (264Bh; 264,12459 uma). Nucli format per 107 protons i 157 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,07 s. Decau majoritàriament (86%) a dubni-260 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (14%), per fissió espontània (amb emissió de diversos productes). No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat originàriament en el 1994 en la cadena de desintegració del roentgeni-272 (Hofmann et al., 1995).
– bohri-265 (265Bh; 265,12491 uma). Nucli format per 107 protons i 158 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,19 s. Decau a dubni-261 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament per Gan et al. (2004) pel bombardament d’americi-243 amb magnesi-26.
– bohri-266 (266Bh; 266,12679 uma). Nucli format per 107 protons i 159 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,5 s. Decau a dubni-262 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou detectat originàriament en la cadena de desintegració de l’ununtri-278. Wilk et al. (2000) el sintetitzaren amb el bombardament de berqueli-249 amb neó-22.
– bohri-267 (267Bh; 267,12750 uma). Nucli format per 107 protons i 159 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 22 s. Decau a dubni-263 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Fou sintetitzat originàriament per Wilk et al. (2000) a partir del bombardament de berqueli-249 amb neó-22.
– bohri-270 (270Bh; 270,13336 uma). Nucli format per 107 protons i 163 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 230 s (4 minuts). Decau a dubni-266, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat en la cadena de desintegració de l’ununtri-282 (Oganessian, 2007).
– bohri-271 (271Bh; 271,13526 uma). Nucli format per 107 protons i 164 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,5 s. Decau a dubni-267, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat en la cadena de desintegració de l’ununpenti-287 (Oganessian, 2007).
– bohri-272 (272Bh; 272,13826 uma). Nucli format per 107 protons i 165 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,8 s. Decau a dubni-268, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat en la cadena de desintegració de l’ununpenti-288. (Oganessian, 2007)
– bohri-274 (274Bh; 274,14355 uma). Nucli format per 107 protons i 167 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 50 s. Decau a dubni-270, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat en la cadena de desintegració de l’ununsepti-294 (Oganessian et al., 2010).

Dels isòtops encara no detectats, podem citar:
– bohri-263, amb una semivida teòrica de 2•10-4 s, i que decauria a dubni-259 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– bohri-268, amb una semivida teòrica de 25 s, i que decauria a dubni-264 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) i per fissió espontània.
– bohri-269, amb una semivida teòrica de 25 s, i que decauria a dubni-265 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– bohri-273, amb una semivida teòrica de 5400 s, i que decauria a dubni-269 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) i per fissió espontània.
– bohri-275, amb una semivida teòrica de 2400 s, i que decauria per fissió espontània.

L’àtom neutre de bohri conté 107 electrons, amb una configuració basal d’escorça teòrica de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p66d57s2. El seaborgi és un transactínid, concretament l’element per al període 7 del grup 7 (el grup del manganès), dins del bloc d (metalls de transició). Com a element radioactiu purament artificial, sintetitzat àtom a àtom, el coneixement empíric és força limitat. El nombre d’oxidació més habitual és +7, encara que també se’l prediu amb +5, +4 i +3. El radi atòmic teòric és de 1,28•10-10 m.

En condicions estàndards de pressió i temperatura, el bohri es presentaria en forma de sòlid, amb una densitat de 37100 kg•m-3. Seguiria una estructura cristal•lina estretament empacada.

En presència d’oxigen, teòricament formaria Bh2O7 (sòlid volàtil). El Bh2O7 en solució aquosa donaria lloc a l’àcid perbòhric (HBhO4).

Experimentalment, tan sols s’ha pogut sintetitzar BhO3Cl. Aquest compost és menys volàtil que els seus homòlegs més lleugers del grup VII.

El bohri, doncs, es generat únicament en una sèrie de laboratoris especialitzats en experiments deliberats, que donen lloc a un grapat d’àtoms, de semivida ben limitada.

La síntesi del bohri

Les primeres reaccions utilitzades en la síntesi del bohri foren fusions en fred (10-20 MeV):
209Bi(54Cr,xn)263-xBh. Aquesta reacció fou estudiada originàriament a Dubna en el 1976. En el 1981, fou practicada a Darmstadt. En el 2003, Darmstadt emprà dianes de BiF3. En el 2005, a Berkeley la practicaren bo i observant 18 àtoms de 262Bh i 3 àtoms de 261Bh. En el 2007, Berkeley va poder detectar 8 àtoms de 260Bh.
208Pb(55Mn,xn)263-xBh. Aquesta reacció fou estudiada a Dubna en el 1976. En el 1983 fou practicada de nou a Dubna. Folden et al. (2006), a Berkeley van detectar 33 àtoms de 262Bh i 2 àtoms de 261Bh.

Les reaccions de fusió en calent (40-50 MeV) permeten la síntesi d’isòtops més pesants i menys inestables:
249Bk(22Ne,xn)271-xBh. Aquesta reacció fou assajada originàriament en el 1979 a Dubna. Fou repetida a Dubna en el 1993. A Berkeley, en el 1999, foren capaços de sintetitzat 5 àtoms de 267Bh i 1 àtom de 266Bh. A Berna en el 2000, l’Institut Paul Scherrer féu el primer estudi químic del bohri, amb la síntesi de 6 àtoms de 267Bh.
238U(31P,xn)269-xBh. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 2006 a Berkeley.
243Am(26Mg,xn)269-xBh. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en l’Institut de Física Moderna de Lanzhou en el 2004.
248Cm(23Na,xn)271-xBh. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 2008 en el RIKEN.

Els isòtops més pesants coneguts del bohri, però, solen aparèixer indirectament com a producte de la síntesi d’elements més pesants. Així tenim:
262Bh, obtingut com a isòtop fill del 266Mt (Münzenberg et al., 1982).
264Bh, obtingut a través de la desintegració de 268Mt o 272Rg (Hoffmann et al., 1995).
266Bh, obtingut a través de la desintegració de 270Mt, 274Rg o 278Uut (Morita et al., 2004).
270Bh, obtingut a través de la desintegració de 274Mt, 278Rg o 282Uut.
271Bh, obtingut a través de la desintegració de 275Mt, 279Rg, 283Uut o 287Uup.
272Bh, obtingut a través de la desintegració de 276Mt, 280Rg, 284Uut, 288Uup.
274Bh, obtingut a través de la desintegració de 278Mt, 282Rg, 286Uut, 290Uup o 294Uus (Oganessian et al., 2010).

La recerca sobre el bohri continua en els centres esmentats: a) síntesi de nous isòtops; b) identificació més acurada de les propietats fonamentals dels isòtops ja descrits; c) estudis sobre la química del bohri. En cada experiment, com a màxim, s’obtenen unes poques desenes d’àtoms, la qual cosa limita l’avenç d’aquesta recerca.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: