Els empèdocles moderns – Sigurd Hofmann (1996) i l’element 112 (Cn) – copernici (ununbi, Unb)

Thomas Kuhn publicava en el 1957 el llibre “The Copernican Revolution” on analitzava l’impacte que tingué en el pensament occidental l’obra “De revolutionibus orbium coelestium” signada per “Nicolaus Copernicus Torinenses”, i publicada per Johannes Peterius a Nuremberg l’any 1543. No sabem del cert si aquesta edició impresa va arribar a les mans del propi Nicolau Copèrnic, que traspassà el 24 de maig d’aquell any al Castrum Dominae Nostrae (Frauenburg, Frombork), seu episcopal de Varmia (Ermland), a la Prússia Occidental. Era en qualsevol cas l’obra d’una vida, que ja havia fet circular entre corresponsals seus en forma de “Comentariolus” des de feia més de trenta anys. L’obra s’estructurava en sis llibres. En el primer s’exposava una cosmologia heliocèntrica, que col•locava l’esfera terrestre en l’òrbita solar i encara la feia rotar sobre el seu mateix eix. Així l’univers s’estructura en vuit esferes concèntriques, de dins a fora: la del Sol, la de Mercuri, la de Venus, la de la Terra (al voltant de la qual orbitava la de la Lluna), la de Júpiter, la de Saturn i la dels estels fixos. El mateix Copèrnic era conscient que aquesta visió no era del tot nova, però si prenia cura, especialment en el llibre V, de demostrar-ne la potència explicativa. En el 1533, Johann Widmanstetter, secretari del Papa Climent VII, li havia comunicat aquesta teoria heliocèntrica, per la qual el pontífex expressà interès. El 1539, en canvi, Martí Luter s’havia expressat en contra d’un “astròleg” (potser el mateix Copèrnic) “que s’esforça en demostrar que és la terra la que gira, en contrast amb tota la ciència de l’astronomia i de les Sagrades Escriptures, que ens diuen que Josuè ordenà el sol d’aturar-se i no pas la terra”. Afortunadament, Luter no tenia jurisdicció sobre els països que no s’havien sumat a la seva “reforma”. Sí que s’hi havia sumat la Prússia Oriental, on el Gran Mestre de l’Orde Teutònic havia procedit a la secularització amb la creació del Ducat de Prússia. La Prússia Occidental, des del 1466, es trobava en unió personal amb el Rei de Polònia, i per això rebia el nom de Prússia Reial. Vàrmia, dins la Prússia Reial, disposava d’àmplia autonomia en tant que Principat Arquebisbal. Copèrnic hi havia fet carrera, en tant que nebot de Lucas Watzenrode, que n’havia estat el príncep-arquebisbe entre el 1489 fins a la seva mort, el 1512. La família materna de Copèrnic, els Watzenrode era originària de Silèsia, i era una de les famílies patrícies més influents de Thorun, primera ciutat de Prússia baixant el Vístula. La família paterna, els Copèrnic, també eren d’origen silesià. El pare del nostre astrònom havia nascut a Cracòvia però els seus interessos comercials (tractava amb coure) en el Baix Vístula el menaren a establir-se a Torun. Famílies mercaderes, patrícies o nobles de les ciutats de Prússia com els Watzenrode o el mateix Copèrnic pare, s’havien arrenglerat en la Confederació Prussiana, oposada als abusos dels Cavallers Teutònics i que aconseguí, en el 1466, de foragitar-los, si més no, de la Prússia Occidental. Nicolau Copèrnic, nascut el 1473, no entrà mai en religió, fora de l’assumpció, tradicional en la família, de l’orde terciari dels franciscans, però tampoc mai no es casà. Orfe de pare i mare, de la seva educació se’n feu càrrec l’oncle que, ja príncep-bisbe de Vàrmia, l’envià a la Universitat de Cracòvia en el 1491. Fou amb vistes d’una carrera eclesiàstica que, en el 1496, anà a estudiar a Bolonya dret canònic i, efectivament, allà el trobem inscrit entre els alumnes de “natio germànica”. Faria més tard una segona estada italiana, a Pàdua, on estudià medicina, entre el 1501 i 1503. Instal•lat ja al castell bisbal de Lidzbark, esdevingué secretari i metge del seu oncle. Després de la mort del seu oncle, es traslladà a Frombork, on exercici diversos càrrecs administratius i econòmics, alhora que exercia la medicina amb notable reconeixement (en el 1541, per exemple, fou cridat pel Duc de Prússia a Königsberg per fer-se càrrec d’un dels seus consellers). No era pas tranquil•la la seva posició política. Va haver de fer front als problemes monetaris, de la qual cosa en són testimonis obres teòriques com “Monetae cudendae ratio”, o a la qüestió del despoblament (“Locationes mansorum desertorum”). Intervingué en l’organització de la defensa de Warmia durant la guerra del 1519 contra l’Orde Teutònic, i representà la part polonesa en les negociacions de pau (Tractat de Cracòvia, 1525). En record d’aquestes aportacions en el 1537, Copèrnic fou proposat com a candidat a bisbe de Vàrmia, encara fos bàsicament de manera simbòlica. Nosaltres, en tot cas, arribem al nombre 112 de la nostra sèrie.

Portada de la primera edició de la famosa obra en la qual Copèrnic exposa la seva cosmologia heliocèntrica

Sigurd Hofmann i la descoberta del copernici

Els descobridors de l’element 112, fotografiats en el 2009. Dels tres que sostenen el pòster, Sigurd Hofmann és el del centre i, a la dreta, hi ha en Peter Armbruster. A l’esquerra de la imatge, a dalt de tot, hi ha en Gottfried Münzenberg.

L’element 112, d’acord amb les prediccions de Glenn T. Seaborg, és l’eka-mercuri. En la nomenclatura sistemàtica de la IUPAC, introduïda en el 1979, era l’ununbi (Uub). De la mateixa manera que ja ho havien fet en el 1994 per als elements 110 i 111, en la síntesi i detecció de l’element 112 hi treballava un grup de científics del GSI de Darmstadt i de l’ОИЯИ de Dubna. Per Darmstadt hi participaven Sigurd Hofmann, Victor Ninov, Fritz Peter Heßberger, Peter Armbruster, H. Folger, Gottfried Münzenberg i H. J. Schött. Per Dubna, hi havia Andre Georgievich Popeko, Alexander Vladimirovich Yeremin i A. Andreyev. A més, hem de comptar amb S. Saro i Rudolf Janik (de la Univerzita Komenského, de Bratislava) i amb Matti Leino (de la Jyväskylän Yliopisto).

En el 1990, el GSI de Darmstadt, en col•laboració amb investigadors de la Universitat Hebrea de Jerusalem, havien fet un primer intent de síntesi d’aquest element amb la reacció 184W(88Sr,xn)272-xCn. Tot i que detectaren activitat de fissió espontània i una alfa-emissió de 12,5 MeV, atribuïbles potser a 272Cn o 271Cn, els experiments no havien pogut confirmar-se.

Ara Hofmann et al. volien fer servir el bombardament d’una diana de plom-208 amb ions de zinc-70. El 9 de febrer del 1996 iniciaren la reacció en el SHIP de Darmstadt, que perdurà tres setmanes. Trobaren dues deteccions d’interès, encara que una de les dues seria eventualment descartada. La formació d’aquest àtom de 277112 havia estat resseguida a través de la seva cadena de desintegracions: 273110, 269Hs, 265Sg, 261Rf, 257No, 253Fm, 249Cf. Estimaven per al 277112 una semivida de 150-670 microsegons.

Hofmann et al. comunicaren la síntesi i detecció de l’element 112 en un article publicat al Zeitschrift für Physik el desembre del 1996.

El maig del 2000, en el GSI de Darmstadt es repetí el mateix experiment, amb detecció d’un altre àtom de 277112 (Hofmann et al., 2002).

Karol et al. elaboraren un report tècnic per a la IUPAC, publicat el juny del 2001, sobre la descoberta a Darmstadt dels elements 110-112. Si bé aquest report acceptava la descoberta de l’element 110, considerava que per als elements 111-112 calien resultats addicionals.

En resposta al report de la IUPAC, el GSI de Darmstadt estudià la reacció 248Cm(26Mg,5n)269Hs, amb la qual podria aconseguir dades sobre l’alfa-desintegració de 269Hs i 261Hs.

En el 2003, Karol et al. publicaven un report sobre la descoberta dels elements 110-112, 114, 116 i 118. El report concedia a Darmstadt la prioritat per als elements 110-111, però pel que feia a l’element 112 continuava demanant més resultats.

En el 2004, al Laboratori RIKEN de Wako (Japó) repetien la reacció 208Pb(70Zn,xn)278-xCn (Morita, 2004). Les dades semblaven confirmar l’experiment de Darmstadt del 1996. D’altra banda, a Darmstadt, l’estudi del bombardament de curi-248 amb ions magnesi-26, els indicava l’existència de l’isòmer 261mRf, que explicaria algunes de les discrepàncies remarcada pels dos reports de la IUPAC.

A partir del 2006, la col•laboració entre el Laboratori de Dubna i el Paul Scherrer Institute permeté la síntesi de copernici a partir de dianes d’urani-238 i de plutoni-242, arran de la qual hom adquirí dades fonamentals sobre la físico-química d’aquest element, incloent la comprovació del seu caràcter metàl•lic (d’acord amb l’entalpia d’adsorció a una superfície d’or).

El maig del 2009, el comitè conjunt de la IUPAC/IUPAP acceptà la descoberta de l’element 112, i n’atorgà la prioritat a l’experiment del 1996.

Corresponia al grup de Hofmann de proposar un nom i un símbol per a l’element. Decidiren homenatjar Nicolau Copèrnic. Era un manera de mostrar la connexió entre l’astronomia i la química nuclear. També es tractava de fer un homenatge a un científic que, en vida, no havia gaudit d’honors. Abans de triar Copèrnic, havien pensat en Galileu Galilei.

La decisió de Hofmann et al. reobrí en certa manera la polèmica sobre la nacionalitat de Copèrnic. De Copèrnic, en efecte, tenim algun text mèdic redactat en alemany, i certament que el patriciat urbà de Prússia era majoritàriament germanòfon, alhora que hem vist com a Bolonya s’inscrigué com a membre de la “nació germànica”. Però també hem vist com Copèrnic estudia a Cracòvia, i com políticament, des de les seves responsabilitats al Principat-Diòcesi de Vàrmia, s’arrenglera amb el Regne de Polònia contra l’Orde Teutònic, primer, i la Prússia Ducal després. Aquesta polèmica fou especialment dura en el període d’entre-guerres. Cal dir que Hofmann no pensava en Copèrnic com un científic alemany, sinó en “un nom conegut per tothom, que tingués un abast mundial”. Alhora, introduir Copèrnic en la taula periòdica trencava amb els homenatges restringits a figures de la física nuclear.

El 14 de juliol del 2009, Hofmann et al. proposaven designar l’element 112 amb el nom de “copernicium” i simbolitzar-lo com a “Cp”. S’obrí un període de discussió en el que es remarcà que el símbol Cp s’havia fet servir per al “cassiopium”, sinònim de l’element conegut com a luteci.

El 19 de febrer del 2010, aprofitant el 537è aniversari del naixement de Copèrnic, la IUPAC oficialitzà per a l’element 112 el nom de “copernicium” i el símbol “Cn”. El nom s’ha adaptat a les diferents llengües amb els canvis gràfics i fonètics oportuns. La forma habitual en català és “copernici”, encara que “coperniqui” preservaria millor l’etimologia. El cognom Copèrnic apareix escrit en documents vinculats amb l’astrònom en formes diverses: Koppernigk, Kopperlingk, Copernik, Coppernicus, Copernicus, etc. Aquest cognom procedeix de la localitat silesiana de Koperniki, que en diferents documents al llarg de la història s’ha escrit Kopernik, Copernik, Copernic, Coprirnik, Köppernig, Köppernick. No se sap si aquest topònim es diu així per raó del coure (kopper en alemany) o per la planta coneguda com a fonoll pudent o anet (que en eslau es diu koper).

En el 2013, el RIKEN va procedir a un bombardament de plom-208 amb ions de zinc-70. Amb aquesta ronda i la del 2004, s’havien detectat a aquest laboratori tres àtoms addicionals de copernici.

El copernici: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del copernici és de 285 uma, corresponent a la de l’isòtop de semivida més llarga (285Cn, 29 s). El llistat d’isòtops coneguts fa:
– copernici-277 (277Cn; 277,16364 uma). Nucli format per 112 protons i 165 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0011 s. Decau a darmstadti-273, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetitzat originàriament en el 1996, pel bombardament de plom-208 amb zinc-70.
– copernici-281 (281Cn; 281,16975 uma). Nucli format per 112 protons i 169 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,130 s. Decau a darmstadti-277, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou detectat per primera vegada en el 2010, com a isòtop fill del flerovi-285. Aquesta detecció oferí dades que contrastaven amb les postulades per Ninov et al. (1999) i que havien estat retractades per frau científic.
– copernici-282 (282Cn; 282,1705 uma). Nucli format per 112 protons i 170 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 8•10-4 s. Decau per fissió espontània, amb emissió de diversos productes. Fou sintetitzat per primera vegada en el 2004, pel bombardament d’urani-238 amb calci-48.
– copernici-283 (283Cn; 283,17327 uma). Nucli format per 112 protons i 171 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4 s. Decau majoritàriament (90%) a darmstadti-279 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (10%), per fissió espontània (amb emissió de diversos productes). Posseiria un estat metastable (283mCn), que tindria una semivida de 300 s, i que decauria per fissió espontània. El 283Cn fou sintetitzat per primera vegada en el 2002, pel bombardament d’urani-238 amb calci-48. Aquesta síntesi de 283Cn resultaria cabdal per a la confirmació de les descobertes dels elements 114 (flerovi) i 116 (livermori).
– copernici-284 (284Cn; 284,17416 uma). Nucli format per 112 protons i 172 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,097 s. Decau per fissió espontània, amb emissió de diversos productes. Fou detectat per primera vegada en el 2002, com a isòtop fill del flerovi-288.
– copernici-285 (285Cn; 285,17712 uma). Nucli format per 112 protons i 173 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 29 s. Decau a darmstadti-281, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Posseiria un estat metastable (285mCn), que tindria una semivida de 530 s i que decauria a 281mDs. El 285Cn fou detectat per primera vegada en el 1999, com a isòtop fill del flerovi-289.

Dels isòtops encara no detectats, podem esmentar:
– copernici-278, que tindria una semivida de 0,01 s, i que decauria per alfa-desintegració o per fissió espontània.
– copernici-279, que tindria una semivida de 2•10-4 s, i que decauria per alfa-desintegració o per fissió espontània.
– copernici-280, que tindria una semivida de 5•10-4 s, i que decauria per alfa-desintegració o per fissió espontània.
– copernici-291 i copernici-293, que tindrien una semivida de vora 1200 anys, que els faria els isòtops més estables d’aquest element.

L’àtom neutre de copernici conté 112 electrons, amb una configuració basal d’escorça teòrica de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p66d107s2. El copernici és un transactínic, l’eka-mercuri, és a dir l’element per al període 7 del grup 12 (el grup del zinc; els metalls volàtils). Fa, doncs, part del bloc d (metalls de transició). Com a element radioactiu purament artificial el coneixement empíric és limitat. Els estats d’oxidació més habituals serien +4, +2 i +1, si bé també se’l trobaria amb 0. El radi atòmic seria de 1,47•10-10 m.

En condicions estàndards de pressió i temperatura, el copernici elemental es presentaria possiblement en forma de sòlid metàl•lic, amb una estructura cristal•lina hexagonal estretament empacada i amb una densitat de 23700 kg•m-3.

En condicions estàndards de pressió, el copernici elemental es fondria a una temperatura de entre 249 K i 469 K (Eichler et al., 2008). Segons aquest rang, no podríem descartar que a temperatura ambient, el copernici elemental fos líquid o gasós.

La ionització del copernici es produiria preferentment pels electrons del nivell 6d. Tindria un cert comportament de semiconductor. En comparació amb els metalls volàtils més lleugers, el copernici tindria certes característiques de metall noble.

En solució aquosa, els estats d’oxidació més probables serien +2 i, especialment, +4. El fluorur més estable seria CnF4.

Els isòtops teòricament més estables del copernici, 291Cn i 293Cn podrien formar-se en supernoves per processos de captura ràpida de neutrons. Ara bé, la taxa de formació seria prou baixa, de l’ordre de 10-12 menys freqüent que la formació de plom. Val a dir, però, que ningú no n’ha detectat la presència ni en supernoves ni ens raigs còsmics.

Deixant de banda aquesta potencial presència natural, els únics àtoms de copernici coneguts són els que han estat detectats a Darmstadt, Dubna o Wako en experiments amb ions pesants.

La nucleosíntesi artificial de copernici

Les reaccions de fusió en fred ofereixen un nuclis a baixa energia (10-20 MeV), més proclius per treballar-hi de cara a experiments químics. Ara bé, donen lloc a isòtops pobres en neutrons, molt inestables. Entre aquestes reaccions podem citar:
184W(88Sr,xn)272-xCn. Aquesta reacció fou estudiada a Darmstadt en el 1990, però sense un resultat concloent.
208Pb(70Zn,xn)278-xCn. Aquesta reacció fou estudiada originàriament a Darmstadt en el 1996, amb detecció confirmada després d’un àtom de 277Cn. En el 2000, fou repetida a Darmstadt, amb síntesi i detecció d’un nou àtom de 277Cn. En el 2004, fou practicada a Wako, amb detecció de dos àtoms de 277Cn.
208Pb(68Zn,xn)276-xCn. Aquesta reacció fou estudiada originàriament en el 1997 a Darmstadt, sense obtindre cap detecció.

Les reaccions de fusió en calent (40-50 MeV) ofereixen nuclis més energètics. Si bé això és un inconvenient per acoblar-les a experimentació, aquestes reaccions permeten la síntesi d’isòtops una mica més pesants i de semivida un xic més llarga. Podem esmentar:
238U(48Ca,xn)286-xCn. Aquesta reacció fou assajada originàriament a Dubna el març del 1998, amb possible detecció de dos àtoms de 283Cn (Oganessian et al., 1999). L’experiment fou repetit per Yuri Yukashev a Dubna en el 2000, sense deteccions. En el 2001, una nova repetició permeté la detecció de productes de fissió espontània potser procedents de 283Cn, i que indicaven un comportament similar al de gasos nobles per part d’aquest element. En el 2002, la reacció fou reproduïda a Berkeley, sense arribar a cap detecció (Loveland et al., 2002). El gener del 2003, a Dubna, en canvi, obtingueren dades que refermaven les estimacions sobre el 283Cn (Oganessian et al., 2004). Amb l’ús d’un nou separador, DGFRS, experiments fets entre el 2003 i 2004 a Dubna permeteren la detecció i estudi del 283Cn i 282Cn (Oganessian et al., 2004). A Darmstadt practicaren aquesta reacció en el 2003, sense detecció de copernici; tampoc no en trobaren en l’experiment fet el setembre del 2004. El maig del 2005, a Darmstadt, aconseguiren la síntesi i detecció d’un àtom de 283Cn. Les dades sobre el 283Cn foren constrastades en el 2006, en el marc d’una cooperació entre el Laboratori Flerov i l’Institut Paul Scherrer, arran de la qual fou possible la primera caracterització química del copernici (Eichler et al., 2007). En el gener del 2007, en un nou experiment a Darmstadt, hom detectà tres àtoms de 283Cn.
293U(48Ca,xn)281-xCn. Aquesta reacció fou estudiada a Dubna en el 2004, sense aconseguir cap detecció.

El coneixement de propietats físiques i químiques del copernici s’ha obtingut, però, a partir d’àtoms de copernici-283 formats a partir de flerovi-287. Per aquesta via indirecta hom pot sintetitzar cinc isòtops diferents:
– copernici-281, isòtop fill del flerovi-285.
– copernici-282, obtingut a partir de la cadena de desintegració del flerovi-286, del livermori-290 o del ununocti-294 (Oganessian et al., 2006).
– copernici-283, obtingut a partir de la cadena de desintegració del flerovi-287 o del livermori-291 (Oganessian et al., 1999).
– copernici-284, obtingut a partir de la cadena de desintegració del flerovi-288 o del livermori-292 (Oganessian et al., 2000).
– copernici-285, obtingut a partir de la cadena de desintegració del flerovi-289 o del livermori-283 (Oganessian et al., 2004).

Dels isòtops coneguts romanen pendents algunes qüestions fonamentals, com el possible isomerisme del 283Cn i del 285Cn. Si es confirmés l’existència d’isòmers de més llarga semivida, això podria servir de base per a experimentacions sobre la química del copernici. D’altra banda, la síntesi d’elements del vuitè període, permetrà la detecció d’isòtops de copernici de semivides encara més llargues, i més proclius per aquesta caracterització.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: