Els empèdocles moderns – Kosuke Morita (2004) i l’element 113 – ununtri (Uut)

He dubtat fins el darrer moment de fer aquest capítol. Al capdavall, aquesta és una història de descobertes i no és fins el passat 30 de desembre del 2015, que la IUPAC reconegué la descoberta de l’element 113. Hem de fer aquesta entrada, encara, amb el nom i símbol provisionals: ununtri (Uut). Però no volia tampoc deixar un forat i saltar del copernici al flerovi (cosa que sí hauria d’haver fet en temps passats, quan la taula de Mendeleev era plena de forats). Així que millor fem ara aquesta entrada provisional, i ja després, quan l’element 113 rebi el seu nom i símbol definitius (riqueni? nishinani? japoni? Rk?) farem una entrada addicional, bo i deixant aquesta. L’anunci de la IUPAC de desembre passat abastava els darrers elements del període 7, i va moure algunes portades. Però els protagonistes de les descobertes, als quals s’encomana ara de proposar noms i símbols, han reiterat que allò que pertoca ara és mirar endavant, i aconseguir la síntesi dels primers elements del període 8. El període 8 és el primer període d’elements que, en principi, serà completament artificial. El bloc 8s es forma pels elements 119 (ununenni, Uue) i 120 (unbinili, Ubn), que respectivament farien part del grup dels alcalins (eka-franci) i dels alcalino-terris (eka-radi). El primer intent de síntesi de l’Uue consistí en el bombardament d’einsteini-254 amb ions de calci-48, i es va fer al superHILAC de Berkeley en el 1985. A Dubna feren un intent de síntesi en el 2011. A Darmstadt, feren una campanya entre abril i setembre del 2012, de bombardament de dianes de berqueli-249 amb ions de titani-50. No hi ha hagut, però, cap detecció d’àtoms d’Uue. El mateix cal dir de l’Ubn. A Dubna provaren la síntesi de 302Ubn amb el bombardament de plutoni-244 amb ions de ferro-58 l’abril del 2007. A Darmstadt, per la mateixa època, feren el mateix, però amb el bombardament de dianes d’urani-238 amb ions de níquel-64. Més tard a Darmstadt han provat altres reaccions (2010: 248Cm(54Cr,xn)302-xUbn; 2011: 249Cf(50Ti,xn)299-xUbn). A Wako, el RIKEN també té interès en la síntesi de 302Ubn, que ara com ara és l’isòtop de síntesi factible que podria tindre una semivida més llarga.

Energia d’ionització dels metalls elementals alcalins i alcalino-terris dels períodes 3 a 9. La corresponent als elements 8s i 9s és purament teòrica

Kosuke Morita i la descoberta de l’ununtri

Kosuke Morita

Kosuke Morita va nàixer a Kitakyushu (prefectura de Fukukoa, illa de Kyushu, Japó) el 1957. Va estudiar a la Facultat de Ciències de la Universitat de Kyushu, a Fukukoa, on es graduà en el 1979.

En el 1984, Morita s’integrà com a investigador en el Laboratori de Ciclotró del Centre Nishina de Ciència Basada en Acceleradors del Rikagaku Kenkyusho (RIKEN), en Wako, en la regió de Tòkio (illa de Honshu). Mantingué, però, el contacte amb la Universitat de Kyushu, on defensà reeixidament la tesi doctoral en el 1993.

En el 2003, Morita encapçalava els esforços del RIKEN en aconseguir la síntesi de l’element 113, un dels elements pendents del període 7. L’element 113 (ununtri, Uut) es correspondria a l’eka-tal·li, i seria el més lleuger dels elements 7p. Dels elements 7p, hi havia comunicacions sobre la síntesi i detecció dels elements 114, 116 i 118. Els elements de nombre atòmic senar resultaven de síntesi més difícil, sobretot pel que feia a la confirmació de la detecció a través dels successius isòtops fills.

L’esforç del RIKEN era de David contra Goliat. El Goliat era la col·laboració establerta entre l’Institut Conjunt de Recerca Nuclear de Dubna i el Laboratori Nacional Lawrence de Livermore. Yuri Oganessian, que liderava aquesta col·laboració, havia comunicat la síntesi dels elements 114, 116 i 118, entre els anys 1999 i 2002. I ara l’esforç de Dubna-Livermore s’adreçava als elements 113, 115 i 117. A més, calia tindre present també el GSI de Darmstadt, que havia fet un primer intent de síntesi de l’ununtri en el 1998.

Entre el 14 de juliol i el 10 d’agost del 2003, Oganessian et al. assajaven al ciclotró U400 de Dubna la reacció 243Am(48Ca,xn)291-xUup. D’aquesta reacció esperaven sintetitzar 288Uup i 287Uup que, per alfa-desintegració, donarien respectivament 284Uut i 283Uut. La cadena d’alfa-desintegracions la rastrejarien fins al 268Db. El problema d’aquest intent és que el successius núclids de la cadena no eren coneguts, la qual cosa dificultaria confirmacions. Oganessian et al. (2004) reportaren tres deteccions, atribuïbles a 288115 o 287115, seguida a través de cinc alfa-desintegracions consecutives. Era aquest report, alhora, la primera comunicació sobre la detecció de l’element 113.

El Separador d’Ions Per Retrocés en Medi Gasós (GARIS), del RIKEN

El 23 de juliol del 2004, el RIKEN feia el primer intent de síntesi directa de l’element 113, a través del bombardament d’una diana de bismut-209 amb ions de zinc-70. Els productes del bombardament serien separats pel GARIS, i calia esperar que hom pogués detectar la presència de 278113 i dels productes successius d’alfa-desintegracions. En aquesta recerca intervingueren, pel RIKEN, Kosuke Morita, Kouji Morimoto, Daiya Kaji, Takahiro Akiyama, Hiromitsu Haba, Rituparna Kanungo, Kenji Katori, Tetsuya Ohnishi, Toshimi Suda, Akira Yoneda i Atsushi Yoshida; per la Universitat Saitama, Takayuki Yamaguchi; pel Centre d’Anàlisi Instrumental de la Universitat Niigata, Sin-ichi Goto; pel Centre d’Estudi Nuclear de la Universitat de Tòkio a Wako, Eiji Ideguchi; per l’Institut de Recerca d’Energia Atòmica del Japó a Tokai, Hiroyuki Koura; pel Departament de Química de la Universitat de Niigata, Hisaaki Kudo; per la Universitat de Tsukuba, Akira Ozawa i Keisuke Sueki; per l’Institut de Física Moderna de Lanzhou (Xina), HuShan Xu; i per l’Institut de Física d’Alta Energia de Beijing (Xina), YuLiang Zhao.

Morita et al. (2004) comunicaren, arran d’aquest experiment, la detecció d’un àtom de 278113. De la cadena d’alfa-desintegracions (274111, 270Mt, etc.), les dades de 266Bh obtingudes per Morita et al. coincidien amb les publicades pel grup de P. A. Wilk en el 2000. En canvi, entre Morita i Wilk hi havia una discrepància sobre l’isòtop 262Db: mentre els japonesos observaven que aquest isòtop dequeia per fissió espontània, el grup de Wilk n’havia observat l’alfa-desintegració.

El 2 d’abril del 2005, en un nou experiment, Morita et al. detectaven un altre àtom de 278113. Les dades de la cadena de desintegració eren lleugerament diferents a la de l’àtom detectat en el 2004.

Mentrestant, Oganessian et al. treballaven sobre els seus resultats del 2003 quant a la síntesi de l’element 115. El juny del 2004 i el desembre del 2005 repetiren els seus experiments, i els confirmaren quant a les propietats físiques i químiques, del producte final de les alfa-desintegracions (268Db). D’aquesta manera, Oganessian et al. (2005) reiteraven la prioritat quant a la síntesi i detecció dels elements 113 i 115.

En el 2006, Morita esdevenia adjunt a la direcció científica del Laboratori d’Elements Superpesants del Centre Nishina del RIKEN. Gràcies a ell i als seus col·laboradors, el Japó s’ha sumat a una cursa fins llavors repartida entre Berkeley, Dubna i Darmstadt.

En el 2010, hom començà a fer treballs sobre la química experimental de l’ununtri. Com a subjecte experimental s’utilitzaren àtoms de 284Uut, resultants de la síntesi de 288Uup (obtinguts al seu torn pel bombardament d’americi-243 amb ions de calci-48). Els àtoms de 284Uut eren conduïts per capil·lars de tefló de 343 K cap a detectors amb superfície d’or. En experiments fets entre el 2010 i 2012, arribaren a sintetitzar-se 10-20 àtoms de 284Uut, però cap no arribà a la superfície d’or, de manera que hom no va poder fer estimacions de l’entalpia d’adsorció i d’altres propietats físico-químiques.

Barber et al. (2011), en report tècnic de la IUPAC, revisaven les reclamacions de prioritat quant a la síntesi i detecció dels elements 113-116 i 118. El report era favorable a reconèixer les descobertes dels elements 114 i 116, però no pas a les dels altres elements. Pel que fa a l’element 113, Barber et al. no consideraven suficients ni les dades aconseguides a Dubna ni les de Wako.

L’estiu del 2012, el RIKEN emprengué una nova ronda experimental de síntesi de l’ununtri. El 12 d’agost, s’aconseguí la detecció d’un altre àtom de 278113, a través d’una cadena de sis alfa-desintegracions. Morita et al. (2012) la compararen amb els resultats previs. En aquesta ocasió, el mode de desintegració observat de 262Db era d’alfa-desintegració i no de fissió espontània. La coincidència amb les dades d’altres experiments (particularment, pel que fa als isòtops 262Db, 258Lr i 254Md) reforçaven notablement aquesta detecció.

El 30 de desembre del 2015, la IUPAC reconeixia en un comunicat la descoberta dels elements 113, 115, 117 i 118. Quant a l’element 113, reconeixia la prioritat “a l’equip del RIKEN en el Japó”, i els convidava a proposar un nom i símbol permanents per a l’element 113.

Quin serà aquest nom? Des de l’any 2003, han sonat diferents propostes:
– japonium (japoni; símbols Jp o Jn), en homenatge al Japó. Masataka Ogawa, en el 1908, ja va proposar homenatjar el Japó designant l’element 43 com a niponi (Np), però la seva descoberta no fou reconeguda, ni tampoc acceptada per designar l’element 75.
– rikenium (riqueni), en homenatge al RIKEN. El 理研 és l’abreviatura de 理化学研究所 (Rikagaku Kenkyusho). Aquest organisme fou creat el març del 1917, inicialment en forma d’una fundació privada de recerca, co-finançada per la indústria, el govern i la casa imperial. Després de la guerra, esdevingué una empresa privada, amb el nom de KAKEN i, en el 1958, fou recuperat, ja com a organisme públic. Establí la seu principal a Wako en el 1963. És a Wako on es troba el Centre Nishina de Ciència Basada en Acceleradors.
– nishinanium (nishinani), en homenatge a Yoshio Nishina (1890-1951). Nishina és considerat el pare de la recerca física moderna al Japó i féu importants contribucions a la física quàntica. De fet, el Centre Nishina, on se sintetitzà per primera vegada l’ununtri, es diu així en honor seu.
– wakonium (wakoni), en honor a Wako, on hi ha les instal·lacions del Centre Nishina del RIKEN.

Mentre no es fa la proposta oficial i aquesta no sigui aprovada per la IUPAC, l’element 113 romandrà amb el nom provisional d’ununtri i el símbol Uut.

L’ununtri: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard de l’ununtri és de 286 uma, corresponent a la de l’isòtop conegut de semivida més llarga (286Uut, 20 segons). El llistat complet d’isòtops coneguts fa:
– unutri-278 (278Uut, 278,17058 uma). Nucli format per 113 protons i 165 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 3,4·10-4 s. Decau a roentgeni-274, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetitzat per primera vegada en el 2004, amb el bombardament de bismut-209 amb zinc-70.
– unutri-282 (282Uut, 282,17567 uma). Nucli format per 113 protons i 169 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,073 s. Decau a roentgeni-278, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetitzat per primera vegada en el 2006 pel bombardament de neptuni-237 amb calci-48 (Oganessian et al.).
– ununtri-283 (283Uut, 283,17657 uma). Nucli format per 113 protons i 170 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,1 s. Decau a roentgeni-279, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat com a isòtop fill de l’ununpenti-287 (Oganessian et al., 2003).
– ununtri-284 (284Uut, 284,17873 uma). Nucli format per 113 protons i 171 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,48 s. Decau a roentgeni-280, amb emissió d’un nucli d’heli-4. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat com a isòtop fill de l’unupenti-288 (Oganessian et al., 2003).
– ununtri-285 (285Uut, 285,17973 uma). Nucli format per 113 protons i 172 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,5 s. Decau a roentgeni-281, 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., 2010).
– unutri-286 (286Uut; 286,18221 uma). Nucli format per 113 protons i 173 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 19,6 s. Decau a roentgeni-282, 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).

Segons el concepte d’illa d’estabilitat, alguns isòtops rics en neutrons dels elements 110-114 disposarien d’una semivida relativament llarga, relacionada amb nuclis superpesants esfèrics. Pel que a fa a l’ununtri, en aquesta illa podria haver-hi 293Uut i algun altre. Ara com ara, la síntesi directa d’aquests isòtops és fora de l’abast tècnic. Una manera d’aconseguir-los seria amb la síntesi d’elements del vuitè període, que decaurien per alfa-desintegració cap a productes d’aquesta illa d’estabilitat, però també això és tècnicament complex.

Dels isòtops encara no detectats, podem esmentar:
– ununtri-287, que tindria una semivida de 20 minuts, i que decauria bé per alfa-desintegració o per fissió espontània.
– ununtri-293. Seria l’isòtop més estable quant a beta-desintegració.

L’àtom neutre d’ununtri conté 113 electrons, amb una configuració basal d’escorça teòrica de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p66d107s27p1. L’ununtri és un transactínid, concretament l’eka-tal·li, és a dir l’element per al període 7 del grup 13 (el grup del bor), situat dins del bloc p i, teòricament, ha de ser comptat entre els metalls post-transició. Com a element radioactiu purament artificial, el coneixement empíric és força limitat. Els estats d’oxidació més habituals serien +3 i +1, encara que també el trobaríem amb +5, +2 i -1. El radi atòmic seria de 1,70·10-10 m.

Comparació dels nivells energètics dels orbitals exteriors del tal·li i de l’ununtri. L’alta velocitat dels electrons externs de l’ununtri, fa que adquireixen importància efectes relativístics. Així, la energia de primera ionització de l’ununtri (7,306 eV) seria superior a la dels elements més lleugers del grup 13.

En condicions estàndards de pressió i temperatura, l’ununtri elemental es presentaria en forma de sòlid metàl·lic, amb una densitat de 16000 kg·m-3.

En condicions estàndards de pressió, l’ununtri fondria a 700 K i bulliria a 1430 K.

Teòricament, l’ununtri podria formar compostos amb nombre d’oxidació +1 (UutH, UutF, UutCl, Uut2O) i +3 (UutH3, UutF3, UutCl3).

Tots els àtoms coneguts d’ununtri, unes poques desenes, s’han obtingut en experiments deliberats a Wako o a Dubna, amb semivides inferiors a 1 minut.

La nucleosíntesi de l’ununtri

Les primeres reaccions utilitzades per a la síntesi d’ununtri foren reaccions de fusió en fred (10-20 MeV):
209Bi(70Zn,xn)279-xUut. Aquesta reacció fou assajada per primera vegada al GSI de Darmstadt en el 1998 en dues rondes, sense cap detecció. En el 2003, repetiren la reacció a Darmstadt, sense resultat. A final del 2003, començaren a practicar-la en el RIKEN de Wako. La sostingueren per un període de vuit mesos entre el desembre del 2003 i l’agost del 2004, període en el qual tan sols aconseguiren la detecció d’un àtom de 278Uut. En el 2005, la repetiren, amb detecció d’un nou àtom de 278Uut. En una nova repetició, del 2012, aconseguiren el tercer.

Les reaccions de fusió en calent (40-50 MeV) permeten la síntesi d’isòtops més pesants i de semivida una mica més llarga:
237Np(48Ca,xn)283-xUut. Aquesta reacció fou assajada per primera vegada a Dubna el juny del 2006, en el marc de la col·laboració entre el Laboratori Flerov i el Laboratori de Livermore. Aconseguiren la detecció de dos àtoms de 282Uut (Oganessian et al., 2007).

No obstant la majoria d’isòtops coneguts i la majoria d’àtoms particulars que s’han sintetitzat d’ununtri, s’han obtingut com a producte de la desintegració de la síntesi d’elements pesants, és a dir de l’ununpenti i ununsepti (Oganessian et al., 2010). Així doncs, tenim:
– ununtri-283, obtingut a partir de la desintegració de l’ununpenti-287.
– ununtri-284, obtingut a partir de la desintegració de l’ununpenti-288.
– ununtri-285, obtingut a partir d’ununpenti-289 o ununsepti-293.
– ununtri-286, obtingut a partir de l’ununpenti-290 i de l’ununsepti-294.

En aquest sentit, la síntesi d’ununenni posaria a l’abast l’obtenció indirecta d’isòtops d’ununtri més pesants i més estables, amb els quals realitzar determinacions de paràmetres que, ara com ara, tan sols s’han pogut determinar teòricament. Els isòtops 284-286 de l’ununtri, de totes manera, ja tenen semivides prou llargues com per fer-hi investigacions químiques. Des del 2010 s’han fet diversos estudis amb àtoms de 284Uut obtinguts indirectament a partir de la reacció 243Am(48Ca,3n)288Uup. Malauradament, ha fallat l’acoblament de la síntesi de 284Uut amb la deposició en superfícies d’or. Robert Eichler, del Paul Scherrer Institut, proposava fer reaccionar àtoms de 286Uut amb vapor d’aigua per formar hidròxid d’ununtri, cosa que n’augmentaria la volatilitat i facilitaria el transport cap a superfícies d’experimentació.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
3 comments on “Els empèdocles moderns – Kosuke Morita (2004) i l’element 113 – ununtri (Uut)
  1. didaclopez ha dit:

    He penjat el text en HTML. Per desgràcia, no tinc manera de connectar-me amb normalitat, i he de treballar amb navegadors antics,

  2. didaclopez ha dit:

    Si algú té accés, i pot moure’l de pestanya (de “Visual” a “Text”), podrà veure el contingut amb normalitat

  3. didaclopez ha dit:

    He pogut corregir les errades més grosses. Apareixen alguns errors en les imatges, però m’estimo més deixar-les així

Els comentaris estan tancats.

%d bloggers like this: