Els empèdocles moderns – Sigurd Hofmann (1994) i l’element 111 (Rg) – roentgeni (unununi, Uuu)

Entre una descoberta científica i el seu impacte teòric hi pot haver un període de temps llarg, i més llarg és el període fins que la descoberta adquireix un impacte pràctic, si és que l’arriba a tindre. En el cas de la descoberta dels raigs X, l’impacte teòric fou gairebé immediat i les primeres aplicacions pràctiques es feren efectives en relativament pocs anys. Potser és exagerat dir que foren descoberts per Wilhelm Röntgen, però el cert és que fou ell el primer que els identificà en el 1895, com una radiació de natura desconeguda (d’ací el nom de “X”) emeses per tubs de descàrrega elèctrica (tubs de Crookes), detectables en placa fotogràfica. Abans de Röntgen, aquesta radiació havia estat estudiada per William Crookes, Johann Hittford, Ivan Pulyui, Fernando Sanford, Heinrich Hertz, Philipp Lenard o Hermann von Helmholtz, en estudis publicats de 1875 en endavant. Però Röntgen en va fer un estudi més sistemàtic, fins el punt que encara avui a Alemanya, els raigs X són coneguts com a raigs Röntgen o raigs R. El 22 de desembre del 1895, Wilhelm els utilitzà per fer una imatge de l’estructura òssia de la seva dona, Anna Bertha Ludwig: la primera radiografia (o roentgengrafia). El primer ús mèdic dels raigs X el va fer Johan Hall-Edwards, a Birmingham l’11 de gener del 1896, per identificar la localització d’un fragment d’agulla que havia quedat clavat en la mà d’un seu ajudant. L’agost del 1896, d’altra banda, a “Electrical Review”, H.D. Hawks comunicava un cas de cremades en el pit i en la mà degut a una exposició radiogràfica. La natura dels raigs X com a radiació electromagnètica quedà demostrada no gaire més tard. Röntgen tenia, en el moment de la descoberta, 50 anys (havia nascut a Lennep, Renània, el 27 de març del 1845), 27 anys més que la seva dona. Des del 1888, era professor de física a la Universitat de Würzburg, després d’haver-ho estat a Strassburg (1874), Hohenheim (1875) i Gießen (1879). S’havia format a Zuric, al costat d’August Kundt. La descripció dels raigs X, anomenats per bona part dels seus col•legues com a “raigs Röntgen”, li donaren una gran nomenada. El govern bavarès el fitxà per a la Universitat de Munic en el 1900, i l’any següent fou el primer guardonat amb el Premi Nobel de Física (1901), la dotació del qual cedí generosament a la Universitat de Würzburg. Röntgen refusà de patentar cap de les descobertes o invencions. L’esclat de la Gran Guerra impedí que acceptés una posició a la Columbia University. Enviudat el 1919, la inflació de post-guerra el deixà en la bancarrota, i es va morir a Munic el 10 de febrer del 1923, a 77 anys. Fou soterrat a Gießen, en la tomba del seus pares. Nosaltres, amb ell, arribem al nombre 111 d’aquesta sèrie.

La primera radiografia de la història mostra l’estructura òssia de la mà esquerra d’Anna Röntgen, amb l’anell matrimonial ben visible.

Sigurd Hofmann i la descoberta del roentgeni

Sigurd Hofmann en la cerimònia de col•locació del símbol Rg per a l’element 111 (2004). A l’esquerra, hi ha Annette Schavan, ministra federal d’Educació i Ciència, i Joachim-Felix Leonard, del ministeri hessià de ciència. El GSI de Darmstadt, primera institució implicada en la síntesi i detecció de l’element 111, és un centre públic co-participat en un 90% pel govern federal alemany i en 10% pel govern hessià. L’element 111, com mostra la imatge es corresponia a l’eka-or, i va rebre el nom en honor del científic alemany Wilhelm Röntgen.

La recerca que conduí a la síntesi i detecció de l’element 111 fou el resultat d’una col•laboració entre centres, coordinada per Sigurd Hofmann, del GSI (Societat de Recerca en Ions Pesants) de Darmstadt. En el GSI mateix, hi treballaren, a banda de Hofmann, Victor Ninov, Fritz Peter Heßberger, Peter Armbruster, H. Folger, Gottfried Münzenberg i H. J. Schött.

Gottfried Münzenberg

En la recerca també participaven Andre Georgievich Popeko, Alexander Vladimirovich Yeremin i A. N. Andreyev del Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флерова, del ОИЯИ de Dubna (Rússia). De la Katedra jadrovej fyziki de la Univerzita Komenského, participaren S. Saro i Rudolf Janik, mentre que des de la Fysiikan laitos de la Jyväskylän Yliopisto, ho feia Matti Leino.

Peter Armbruster

L’experiment consistia en el bombardament d’una diana a de bismut-209 amb nuclis accelerats de níquel-64 a 318 MeV. Arran de la sessió duta a terme a Darmstadt el 8 de desembre del 1994, detectaren un àtom de 272111. Després elevaren l’energia de bombardament a 320 MeV, i aconseguiren detectar dos àtoms addicionals. La detecció era confirmada pel patró d’alfa-emissions de la cadena de desintegració, en la qual podien identificar-se dos nous isòtops addicionals, 268109 i 264107, a més d’isòtops ja descrits: 260105 i 256Lr. Hofmann et al. comunicaren la troballa en un article a Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, el desembre del 1995.

La IUPAC havia reconegut les descobertes d’elements superpesants fins a l’element 109, aplicant un principi de prudència. Karol et al. (2001) van fer un report tècnic sobre la descoberta dels elements 110-112, reivindicades per l’equip de Hofmann entre el 1994 i el 1996. Aquest report concedia com a descobert l’element 110, però refusava concedir-la per als elements 111-112, bo i reconeixent l’alta qualitat de les dades i la plausibilitat de la interpretació.

Per tal de confirmar la síntesi i detecció dels elements 111-112, Hofmann et al. (2002) realitzaren una nova renda d’experiments. Amb el bombardament de bismut-209 amb níquel-64, obtingueren tres cadenes de desintegració per a l’isòtop 272111, amb dates més clares que les aconseguides anteriorment. En general, però, els nous experiments confirmaven els resultats obtinguts prèviament.

Karol et al. (2003) feren un report tècnic sobre la descoberta dels elements 110-112, i del 114, 116 i 118. Hom concedia a Hofmann et al. la prioritat en la descoberta de l’element 111 (a banda de l’element 110), però no considerava confirmades la dels elements més pesants.

Això suposava l’addició de l’element 111, amb el nom d’unununium i símbol Uuu, en la taula periòdica oficial. Ara correspondria a Hofmann et al. substituir aquest nom i símbol provisionals per un de definitiu. Des del GSI, en el 2004, es proposà de fer un homenatge a Wilhem Conrad Röntgen, el descobridor dels raigs X (o raigs Röntgen). Corish & Rosenblatt (2004) feren oficial la decisió de la IUPAC l’1 de novembre del 2004. L’element 111 rebria el nom de “roentgenium” i el símbol Rg. Les diferents llengües han adaptat gràficament i fonètica el nom llatí. En alemany, hom prefereix la forma Röntgenium (adaptant-la a “Roentgenium” si no és possible marcar la dièresi). En català la forma habitual és “roentgeni”, encara que alguns utilitzen en la forma escrita “roentgueni” o, si més no, la recomanen en la forma oral. És rara la forma “röntgeni”, per bé que alguns sí utilitzen “röntgen” per designar la unitat de mesura de la ionització de l’aire per raigs Röntgen i gamma.

El roentgeni: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del roentgeni es considera de 282 uma, corresponent a la de l’isòtop conegut de semivida més llarga (282Rg, 2 minuts). El llistat d’isòtops coneguts fa:
– roentgeni-272 (272Rg; 272,15327 uma). Nucli format per 111 protons i 161 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,002 s. Decau a meitneri-268, amb emissió d’un nucli d’heli-4. És l’únic isòtop conegut que s’ha sintetitzat de manera directa (originàriament, en el 1994).
– roentgeni-274 (274Rg; 274,15525 uma). Nucli format per 111 protons i 163 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0064 s. Decau a meitneri-270, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat com a isòtop fill de l’ununtri-278 (Morita et al., 2004).
– roentgeni-278 (278Rg; 278,16149 uma). Nucli format per 111 protons i 167 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0042 s. Decau a meitneri-274, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat com a isòtop fill de l’ununtri-282 (originàriament, en el 2006).
– roentgeni-279 (279Rg; 279,16272 uma). Nucli format per 111 protons i 168 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,17 s. Decau a meitneri-275, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat en la cadena de desintegració de l’ununpenti-287 (originàriament, en el 2003).
– roentgeni-280 (280Rg; 280,16514 uma). Nucli format per 111 protons i 169 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,6 s. Decau a meitneri-276, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat en la cadena de desintegració de l’ununpenti-288 (originàriament, en el 2003).
– roentgeni-281 (281Rg; 281,16636 uma). Nucli format per 111 protons i 170 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 17 s. Decau majoritàriament (90%) per fissió espontània (amb emissió de diversos productes) o, alternativament (10%), a meitneri-277, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat en la cadena de desintegració de l’ununsepti-293 (Oganessian et al., 2013).
– roentgeni-282 (282Rg; 282,16912 uma). Nucli format per 111 protons i 171 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 130 s. Decau a meitneri-278, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat en la cadena de desintegració de l’ununsepti-294 (originàriament, en el 2009).

Pel que fa als isòtops encara no detectats, podem esmentar:
– roentgeni-273, que tindria una semivida de 0,005 s, i que decauria per alfa-desintegració.
– roentgeni-275, que tindria una semivida de 0,01 s, i que decauria per alfa-desintegració.
– roentgeni-276, que tindria una semivida de 0,1 s, i que decauria per alfa-desintegració i/o fissió espontània.
– roentgeni-277, que tindria una semivida de 1 s, i que decauria per alfa-desintegració i/o fissió espontània.
– roentgeni-283, que tindria una semivida de 600 s, i que decauria per alfa-desintegració i/o fissió espontània.
– roentgeni-287, que seria l’isòtop més estable respecte a la beta-desintegració.

L’àtom neutre de roentgeni conté 111 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p66d97s2. El roentgeni és un transactínid, concretament l’eka-or, és a dir l’element per al període 7 del grup 11 (el grup del coure). Faria, doncs, part del bloc d (metalls de transició). Com a element radioactiu purament artificial, de síntesi tan complexa, el coneixement empíric és limitat. L’estat d’oxidació més habitual seria +3, tot i que també se’l trobaria amb +5, +1 i -1 (roentgeniürs). El radi atòmic seria de 1,38•10-10 m.

En condicions estàndards de pressió i temperatura, el roentgeni es presentaria en forma d’un sòlid metàl•lic d’aspecte argentí, amb una estructura cristal•lina cúbica centrada en el cos i amb una densitat de 28700 kg•m-3.

El roentgeni seria un metall noble. El Rg(III) presentaria una reactivitat similar a Au(III). El catió Rg+ seria l’ió metàl•lic més suau (més que l’Au+).

En diferents experiments des del 1994, no s’hauran sintetitzat directament o indirectament més que un grapadet d’àtoms de roentgeni en els diferents laboratoris especialitzats de Darmstadt, Dubna o Wako.

La nucleosíntesi artificial del roentgeni

Entre les reaccions de fusió en fred (10-20 MeV) practicades per a la síntesi de roentgeni hem d’esmentar:
209Bi(64Ni,xn)273-xRg. Fou estudiada originàriament a Dubna en el 1986, sense èxit. En el 1994, a Darmstadt, serví per a la producció i detecció de 3 àtoms de 272Rg. Fou repetida en el 2002 a Darmstadt, amb síntesi de 3 àtoms addicionals de 272Rg. A Wako, en el 2003, fou utilitzada per a la síntesi i detecció de 14 àtoms de 272Rg.
208Pb(65,xn)273-xRg. Aquesta reacció fou estudiada a Berkeley (Folden et al., 2004)

Una alternativa a les reaccions de fusió en fred són les reaccions de fusió en calent (40-50 MeV), que emprarien dianes d’elements més lleugers i ions més pesants. Aquestes reaccions permetrien la síntesi d’isòtops de roentgeni més pesants. No obstant, no han estat practicades. De fet, doncs, per síntesi directa, hom només ha pogut produir 272Rg.

De la mateixa manera que la síntesi de 272Rg va permetre l’obtenció indirecta, per primera vegada, de 268Mt o 264Bh, els isòtops més pesants de roentgeni es coneixen a partir de la síntesi d’elements encara més pesants: ununtri, ununpenti i ununsepti. Així doncs, tenim:
– roentgeni-274, obtingut a partir de la síntesi d’ununtri-278.
– roentgeni-278, obtingut a partir de la síntesi d’ununtri-282.
– roentgeni-279, producte d’ununtri-283 i d’ununpenti-287.
– roentgeni-280, producte d’ununtri-284 i d’ununpenti-288.
– roentgeni-281, producte d’ununtri-285, ununpenti-289 i ununsepti-293.
– roentgeni-282, producte d’ununtri-286, ununpenti-290 i ununsepti-294.

La consecució de més isòtops de roentgeni sembla que arribarà més aviat, doncs, de la síntesi d’isòtops d’elements més pesants. El fet que els isòtops més pesants de roentgeni tinguin una semivida més llarga (de l’ordre de minuts) en facilitarà l’estudi, per bé que la síntesi indirecta no sigui tan profitosa com la directa. Ara bé, cal tenir present que la semivida teòrica dels isòtops no pot verificar-se després. Per exemple, del roentgeni-278 hom havia estimat, abans de detectar-ne cap àtom, una semivida de 1 segons, mentre que empíricament, després, se l’ha estimada de l’ordre de 4 milisegons.

L’escàs nombre d’àtoms de roentgeni sintetitzats i detectats explica el gran nombre de qüestions pendents. Per exemple, les dades de quatre àtoms de 272Rg podrien ser indicatives d’isomerisme nuclear, que expliqués alhora discrepàncies en les estimacions de semivida, però no és possible arribar encara a una conclusió. El mateix passa amb el possible isomerisme de 274Rg, postulat d’acord amb l’observació d’únicament dos àtoms derivats de 278Uut.

La química del roentgeni, comparada amb la de l’or, seria interessant per a la determinació dels efectes relativístics sobre les propietats d’elements superpesants. Liu & van Wüllen (1999) van fer una sèrie de càlculs per a compostos diatòmics del roentgeni. Les tècniques de síntesi esmentades, però, són insuficients per realitzar-hi experimentació química (per exemple, amb fluorur de roentgeni). Caldria treballar en la síntesi directa d’isòtops que tinguin una semivida superior a 1 s, i fer-ho a taxes superiors a 1 àtoms per setmana, però ara com ara 281Rg només es pot aconseguir per síntesi indirecta i a una taxa força inferior.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: