Som al bell mig del segment de la taula periòdica corresponent a elements superpesants descoberts a la Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), actualment denominada GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, i que és l’única institució de “gran recerca” de Darmstadt (i de tot Hessen) no associada ni a la universitat ni a la indústria. Al GSI hi treballen unes 1350 persones, dedicades doncs a la recerca d’ions pesants, aplicada a àmbits diversos com la física atòmica i nuclear, la física de plasmes, la ciència de materials o la teràpia antitumoral. En el marc de l’antic Gran Ducat de Hessen (Hessen-Darmstadt), la ciutat universitària era Gießen (Oberhessen), i Darmstadt era la capital política. Des de fa dècades, Darmstadt ha esdevingut un nucli industrial considerable, amb empreses de telecomunicacions, del sector químic, cosmètic, farmacèutic (la Merck hi té la seu central, amb 8900 treballadors), de maquinària, etc. Comptat i debatut, Darmstadt és avui una ciutat “kreisfreie”, seu del “Regierungsbezirk” del sud de Hessen, amb una superfície de 122,11 km2 i 151.879 habitants. La història de Darmstadt s’enfonsa en la nit dels temps, tant que no en sabem clarament l’etimologia d’aquest topònim, el primer testimoni del qual (segona meitat del segle XI) ens dóna la forma “Darmundestat”. Darmstadt adquirí carta municipal en el 1330, en el marc del Comtat de Katzenelnbogen, i revertí al Comtat Territorial de Hessen en el 1479. En el 1567, arran de la partició de Hessen, esdevingué capital del sector meridional. El casal de Hessen-Darmstadt fou de fe luterana, si bé amb tendències pro-imperials. El membre de la nissaga més conegut per nosaltres és el príncep Georg, segon fill del segon matrimoni del landgraft Ludwig VI., convertit al catolicisme i que, al serveis dels Habsburg fou Virrei de Catalunya (1698-1701), on fou mort en acció de guerra en l’assalt del Castell de Montjuïc del 13 de setembre del 1705. Hessen-Darmstadt prengué el nom de Gran Ducat de Hessen el 1806, en mig de les guerres napoleòniques, i el servà fins acabada la Primera Guerra Mundial, quan Darmstadt es proclamà el Volkstaat Hessen. A Darmstadt l’SPD esdevingué el partit dominant fins el 1930, quan l’NSDAP va guanyar les eleccions municipals. Després de la guerra, els nord-americans fusionaren el Volkstaat Hessen amb la província hessiana de Prússia, i establiren la capitalitat a Wiesbaden. L’agost del 1997, Darmstadt rebé la denominació de “Wissenschaftsstadt” del Ministeri d’Interior hessià. Més enllà del GSI, justifiquen aquest títol els instituts de la Fraunhofer-Gessellschaft, el Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwitschaft, l’Institut für Neue Technische Form, l’Öko-Institut, etc. Nosaltres arribem així al nombre 110 de la nostra sèrie.
La Weißer Turm és un dels edificis emblemàtics de Darmstadt
Sigurd Hofmann i la descoberta del darmstadti
Els descobridors de l’element 110, el darmstadti, retratats a les instal•lacions del GSI de Darmstadt. Sostenen un pòster amb la reacció que feren servir per a la síntesi, i les alfa-desintegracions que feien possible la detecció. Al centre de la imatge, sostenen amb la seva mà dreta la punta esquerra del pòster, hi ha en Sigurd Hofmann. Al seu costat, amb la barba que el caracteritza, Peter Armbruster. Just darrera de Hofmann hi ha en Gottfried Münzenberg. Entre els altres, trobem en Victor Nino, Fritz Peter Heßberger, H. Folger i H. J. Schött. En la descoberta també hi participaren investigadors del Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (Andrei Georgièvitx Popeko, Aleksandr Vladimiròvitx Yeremin i A. N. Andreyev), de la Univerzita Komenského de Bratislava (S. Saro i Rudolf Janik) i de la Jyväskylän Yliopisto (Matti Leino)
Sigurd Hofmann va nàixer a Böhmisch-Kamnitz (Česká Kamenice) el 15 de febrer del 1944. Com en altres poblacions del Sudets, els alemanys foren expulsats després de la Segona Guerra Mundial. La família Hofmann s’establí a Groß-Umstadt, en les rodalies de Darmstadt. Fou en el Max-Planck-Gymnasium de Groß-Umstadt on Hofmann s’orientà cap a la física. Efectivament, després de graduar-s’hi, comença els estudis de física en l’Escola Tècnica Superior de Darmstadt.
Va diplomar-se en física en el 1969. A l’Institut für Kernphysik començà a treballar en la tesi doctoral, sota la direcció d’Egbert Kankeleit (*1929) i Karl Wien. La tesi, supervisada per Kankeleit, es titulà “Kernspektroskopische Untersuchungen zu den Termschemata der Kerne 56Fe und 56Co” i la defensà reeixidament en el 1974.
Ja com a doctor en física, entrà a treballar en el GSI, concretament en el Departament de Química Nuclear II, dirigit per Peter Armbruster. Se li encomanà el projecte del Separador de Productes de Reaccions d’Ions Pesants (SHIP en l’acrònim anglès). Fou així com participà en la síntesi i detecció dels elements 107-109 entre els anys 1981 i 1984, així com en altres recerques sobre elements superpesants. En el 1982, Hofmann et al. aconseguiren la síntesi del luteci-151, un isòtop pobre en neutrons que, alhora, es revelava com el primer isòtop conegut que, en l’estat basal, podia desintegrar-se amb emissió d’un protó. En el 1989, la tasca sobre la síntesi d’elements superpesants passà a ser liderada per Gottfried Münzenberg i Sigurd Hofmann.
Eventualment, Hofmann encapçalà els esforços per a la síntesi i detecció de l’element 110 (ununnili, Uun), és a dir l’eka-platí (l’element del període 7 del grup del níquel), amb un primer intent realitzat en el 1986. Més tard, per aquesta empresa s’establí una col•laboració internacional, amb participació del GSI de Darmstadt, del Laboratori Flerov de Reaccions Nuclears (l’Institut Conjunt de Recerca Nuclear de Dubna), de la Katedra jadrovej fyziky de la Universitat Komenského de Bratislava i del Fysiikan laitos de la Jyväsklylän Yliopisto de Finlàndia.
Per tal de validar el mètode de síntesi i detecció, Hofmann et al. emprengueren una sèrie de pre-experiments. Així mesuraren les funcions d’excitació de les reaccions 208Pb(50Ti)258104 i 208Pb(58Fe)266108. Això els permeté establir les energies òptimes per a la producció d’aquests dos isòtops superpesants. Alhora, deduïen que per a la reacció 208Pb(62Ni,n)269110, l’energia òptima d’excitació era de 12,3 MeV.
El 9 de novembre del 1994 es realitzà l’experiment de bombardament de dianes de plom-208 amb corrents iòniques de níquel-62. L’energia del corrent iònic fou fixada en 311 MeV. Detectaren unes alfa-emissions corresponents amb quatre tipus consecutius d’alfa-desintegracions, que atribuïren a un àtom de 269110 i als seus isòtops fills (265108, 261106, 259104 i 257No). Calcularen un interval per a la semivida de 269110 entre 150 i 1570 microsegons, amb una emissió alfa de 11,132±0,020 MeV. La recerca fou publicada, el desembre del 1995, en un article a Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei. Era la primera vegada en deu anys que apareixia publicada la descoberta d’un nou element.
El grup de Hofmann també realitzà la reacció 208Pb(64Ni,n)271110 en dues sèries, detectant-hi un total de 9 àtoms de 271110. Entre el 1994 i el 1996, Hofmann et al. comunicaren la síntesi i detecció dels elements 111 i 112. Hofmann (1998) entenia aquests esforços en el marca de recerca sobre l’estudi de nuclis en els límits de l’estabilitat. L’ús de dianes de bismut o de plom podia contribuir a l’obtenció d’isòtops de l’element 114 corresponents a nuclis esfèrics i, per tant, assolir l’illa d’estabilitat postulada molts anys abans per Glenn T. Seaborg.
Les descobertes dels elements 107-112 valgueren a Hofmann i als altres membres del GSI nombrosos reconeixements al llarg dels anys, fins i tot quan encara aquestes descobertes no eren reconegudes per la IUPAC. Així, per exemple, en el 1998, Hofmann fou nomenat professor honorari de la Goethe-Universität de Frakfurt am Main.
El grup de Hofmann en el GSI de Darmstadt, alhora, participà ens els projectes col•laboratius que, coordinats pel Laboratori de Dubna, menaren a la síntesi i detecció de l’element 114 (1999).
En el 2001, el Grup Conjunt d’Elements Transfèrmics de la IUPAP/IUPAC reconegué la descoberta de l’element 110 a Hofmann et al. Correspondria, doncs, al GSI de Darmstadt i als seus col•laboradors de Dubna, Bratislava i Jyväskylä de proposar un nom i un símbol per a aquest element. Ja en el 1997, Glenn T. Seaborg havia proposat que l’element 110 rebés el nom de “hahnium” en honor d’Otto Hahn. D’aquesta manera, Lise Meitner i Otto Hahn rebrien homenatges consecutius en la taula periòdica. Hahn, originalment, havia estat homenatjat pels nord-americans en l’element 105, però la decisió de la IUPAC en el 1994 sobre els elements 102-109, havia deixat Hahn sense homenatge.
Hofmann et al., no obstant, pensaren en fer un homenatge local per a l’element 110, de la mateixa manera que per a l’element 108 havien fet un homenatge regional a Hessen. Dubtaren de si fer-lo a Wixhausen, el barri que acull les instal•lacions del GSI, i de denominar l’element com a wixhausium. Però resolgueren que era millor fer un homenatge a la ciutat, i així proposaren finalment el nom de darmstadtium. En el 2003, la IUPAC adoptà per a l’element 110 el nom de “darmstadtium” i el símbol Ds. Amb diferents adaptacions fonètiques i gràfiques el nom ha estat adoptat per a les diferents llengües. Nosaltres seguim el criteri general, conservador, i l’adaptem com a “darmstadti”, bo i entenent que la pronúncia relaxada pot ésser la de “darmstati” o, si es vol, “darmstadi”.
En el 2007, entrà en funcionament el Centre de Congressos de Darmstadt, que va rebre el nom de “Darmstadtium” en homenatge a l’element que fa homenatge a la ciutat. El Centre de Congressos és al centre urbà, prop de la Universitat Tècnica. Wixhausen, el barri més proper al GSI, de mentre, continua esperant el seu particular homenatge en la taula periòdica, per bé que segurament s’hauran d’esperar al vuitè període
Sigurd Hofmann ha continuat amb les seves contribucions en l’espectroscopia nuclear i en les reaccions d’ions pesants. En el 2012, Hofmann participà en la confirmació de la detecció dels elements 114 i 116, que reberen els noms respectius de flerovi i livermori.
Esquema de desintegració del darmstadti-270, d’acord amb els estudis espectroscòpics de Hofmann et al. (2000)
El darmstadti: isòtops i abundància
La massa atòmica estàndard del darmstadti és de 281 uma, corresponent a la de l’isòtop conegut de més llarga semivida (281Ds, 10 s). El llistat complet d’isòtops coneguts fa:
– darmstadti-267 (267Ds; 267,14377 uma). Nucli format per 110 protons i 157 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 3•10-6. La seva descoberta (Ghiorso et al., 1995 per bombardament de bismut-209 amb cobalt-59) no ha estat confirmada.
– darmstadti-269 (269Ds; 269,14475 uma). Nucli format per 110 protons i 159 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 2,3•10-4 s. Decau a hassi-265, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetitzat originàriament en el 1994 per Hofmann et al.
– darmstadti-270 (270Ds; 270,14458 uma). Nucli format per 110 protons i 160 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1,6•10-4 s. Decau a hassi-266, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Posseeix un estat metastable (270mDs) a 1140 keV, que té una semivida de 0,01 s, i que decau a hassi-266. El 270Ds i 270mDs foren sintetitzats originàriament per Hofmann et al. (2001) pel bombardament de plom-207 amb níquel-64.
– darmstadti-271 (271Ds; 271,14595 uma). Nucli format per 110 protons i 161 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,21 s. Decau a hassi-267, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Posseeix un estat metastable (271mDs) a 29 keV, que té una semivida de 0,0013 s, i que decau a hassi-267. El 271Ds i 271mDs foren sintetitzats originàriament per Hofmann et al., en el 1994, amb el bombardament de plom-208 amb níquel-64.
– darmstadti-273 (273Ds; 273,14856 uma). Nucli format per 110 protons i 163 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1,7•10-4 s. Decau a hassi-269, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetitzat originàriament per Lazarev et al. (1996) pel bombardament de plutoni-244 amb sofre-34.
– darmstadti-277 (277Ds; 277,15591 uma). Nucli format per 110 protons i 167 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0041 s. Decau a hassi-273, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat en la cadena de desintegració del flerovi-285.
– darmstadti-279 (279Ds; 279,16010 uma). Nucli format per 110 protons i 169 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 0,18 s. Decau majoritàriament (90%) per fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (10%), a hassi-275 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat originàriament en el 2002 en la cadena de desintegració del copernici-283.
– darmstadti-281 (281Ds; 281,16451 uma). Nucli format per 110 protons i 171 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,6 s. Decau majoritàriament (94%) per fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (6%), a hassi-277 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseiria un estat metastable (281mDs), que tindria una semivida de 220 s i que decauria a 277mHs. El 281Ds no ha estat sintetitzat directament, sinó detectat originàriament en el 1999 en la cadena de desintegració del flerovi-289.
Pel que fa als isòtops encara no detectats:
– darmstadti-268, que tindria una semivida de 10-4 i que decauria per alfa-desintegració.
– darmstadti-272, que tindria una semivida d’1 s i que decauria per fissió espontània.
– darmstadti-274, que tindria una semivida de 2 s i que decauria per alfa-desintegració.
– darmstadti-275, que tindria una semivida de 10-4 s i que decauria per alfa-desintegració.
– darmstadti-276, que tindria una semivida de 0,0023 s i que decauria per alfa-desintegració.
– darmstadti-278, que tindria una semivida de 10 s, i que decauria per alfa-desintegració o fissió espontània.
– darmstadti-280, que tindria una semivida de 11 s, i que decauria per fissió espontània.
– darmstadti-284, que decauria potser per beta-desintegració i que tindria una semivida relativament llarga.
– darmstadti-293, que tindria una semivida de vora 3500 anys.
– darmstadti-294, que en disposar d’un nombre màgic de neutrons, tindria una semivida de 311 anys. Decauria per alfa-desintegració.
L’àtom neutre de darmstadti conté 110 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p66d87s2. El meitneri és un transactínid, concretament l’element per al període 7 del grup 10 (el grup del níquel), és a dir l’eka-platí. Faria, doncs, part del bloc d (metalls de transició). Com a element radioactiu purament artificial, de síntesi tan difícil, el coneixement empíric és limitat. Els estats d’oxidació més habituals seria +8 i +2, encara que també es trobaria amb +6, +4 o 0. El radi atòmic seria de 1,32•10-10 m.
En condicions estàndards de pressió i temperatura, el darmstadti estàndard es presentaria en forma de sòlid, amb una estructura cristal•lina cúbica centrada en el cos i una densitat de 34800 kg•m-3.
Teòricament, el darmstadti seria un platinoid (metall noble). En solucions aquoses, l’estat neutre seria el més estable.
Hom no ha pogut realitzar cap caracterització química del darmstadti. Aquest element es produeix tan sols en laboratoris especialitzats i en campanyes concretes, i sempre amb una taxa de producció insuficient per fer-ne gaire experimentació.
La síntesi del darmstadti
Les reaccions de fusió en fred que s’han utilitzat per a la síntesi de darmstadti han estat:
– 208Pb(64Ni,xn)272-xDs. Fou assajada originàriament al GSI de Darmstadt en el 1986, sense èxit. En el 1994, a Darmstadt aconseguiren en dues rondes la síntesi i detecció de 9 àtoms de 271Ds. En el 2000, a Darmstadt aconseguiren la síntesi de 4 àtoms. Entre el 2000 i el 2004, a Berkeley van aconseguir la síntesi de 9 àtoms. En el 2002, a Wako s’aconseguiren 14 àtoms.
– 208Pb(62Ni,xn)270-xDs. Fou assajada originàriament al GSI de Darmstadt en el 1994, amb una detecció total de tres àtoms de 269Ds.
– 207Pb(64Ni,xn)271-xDs. Fou assajada originàriament la tardor del 2000 al GSI de Darmstadt, amb detecció de 8 àtoms de 270gDs i 270mDs.
– 209Bi(59Co,xn)268-xDs. Fou assajada originàriament a Dubna en el 1986, sense èxit. En el 1995, a Berkeley la repetiren amb presumpta detecció d’un àtom de 267Ds.
Per a isòtops una mica més pesants, hom ha recorregut a tècniques de fusió en calent:
– 244Pu(34S,xn)278-xDs. Aquesta tècnica fou assajada el setembre del 1994 a Dubna, amb detecció d’un àtom de 273Ds.
– 232Th(48Ca,xn)280-xDs. Aquesta reacció fou assajada el 2004 a Dubna, sense èxit.
Els isòtops de darmstadti coneguts més pesants s’han produït exclusivament arran de la síntesi d’isòtops de copernici, flerovi o livermori. Així tenim:
– el darmstadti-273, com a isòtop fill del copernici-277.
– el darmstadti-277, com a producte del copernici-281 o del flerovi-285.
– el darmstadti-279, com a producte del copernici-283, del flerovi-287 o del livermori-291.
– el darmstadti-281, com a producte del copernici-285, del flerovi-289 o del livermori-293.
Els isòtops coneguts de darmstadti de més llarga semivida, doncs, són obtinguts de manera indirecta. Això dificulta aprofundir en la caracterització física i química d’aquest element. En general, caldria aconseguir la síntesi de 4 àtoms d’un isòtop de semivida superior a 1 segon (amb una taxa d’àtom per setmana) per fer un experiment químic en fase gasosa (per exemple, sobre un hipotètic DsF6 o DsF8). Hom ha pensat en el bombardament de tori-232 amb calci-48 per aconseguir 276Ds o 277Ds, però el rendiment d’aquesta reacció es calcula baix i, de fet, cap provatura no ha reeixit.
Des de la Mediterrània 