Els empèdocles moderns – Yuri Oganessian (1999) i l’element 114 (Fl) – flerovi (ununquadi, Uuq)

Des d’ara i fins a acabar el període 7 dels elements químics, el protagonisme l’haurem de concedir a l’equip de Yuri Oganessian del Laboratori Flerov de Reaccions Nuclears, de l’Institut Conjunt de Recerca Nuclear de Dubna. Fet i fet, d’ençà que vam entrar en els elements transactínids, ja hem vist la rellevància d’aquest centre en la investigació de reaccions nuclears de fusió per a la síntesi d’aquests àtoms superpesants. La nomenclatura d’elements potser ha estat certament injusta i, a hores d’ara, quan hi ha quatre elements pendents de nom definitiu, tan sols en dues ocasions s’ha homenatjat com calia aquest esforç, amb el dubni (element 105) i amb el flerovi (element 114). El kurtxatovi, denominació de l’element 104, no fou finament reconeguda. Гео́ргий Никола́евич Флёров s’incorporà de ple a la recerca nuclear en el 1940, al costat de Konstantin A. Petrzhak en l’Institut Físic Tècnic Ioffe de Leningrad, amb estudis sobre la fissió espontània de l’urani. Tenia llavors 27 anys, amb un currículum típic de la seva generació, amb experiència laboral com a electricista en la indústria i una sòlida formació acadèmica, en la que hi havia participat, des de 1938, Igor V. Kurtxatov. Flërov fou mobilitzat després de la invasió nazi del 1941, però després d’haver servit com a tècnic d’un esquadró aeri, fou destinat el 1942 a l’Acadèmia de Ciències. El tinent Flërov ja proposava en aquella època la construcció d’una bomba nuclear de fissió, projecte que rebé atenció bo i més quan la intel•ligència coneixia que britànics, però també alemanys i nord-americans, havien començat a treballar-hi. En el 1943, Kurtxatov fundà l’Institut d’Energia Atòmica, que s’orientava al doble ús (militar i civil) de l’energia nuclear. Els Estats Units disposaren d’armes atòmiques des de l’estiu del 1945, i les feren servir per concloure la seva guerra amb el Japó. La Unió Soviètica no en va disposar fins el 1949: en el desenvolupament de la RDS-1, Flërov hi contribuí especialment amb la determinació experimental de la massa crítica del plutoni. En el 1957, Flërov fundà el Laboratori de Reaccions Nuclears, en el marc de l’Institut de Dubna. En el 1989 dirigí l’Institut, càrrec que ocupà fins a la seva mort el 19 de novembre del 1990. Va rebre en dues ocasions el Premi Stalin (1946 i 1949), en una el Premi Lenin (1967) i en una altra el Premi Estatal de la Unió Soviètica (1975). Fou condecorat amb l’Ordre de Lenin (en dues ocasions, 1949 i 1983), l’Ordre de la Revolució d’Octubre (1973), l’Ordre de la Bandera Roja del Treball (en tres ocasions, 1959, 1963 i 1975) i l’Ordre de la Guerra Patriòtica (1985). El millor homenatge ha estat veure com, malgrat les transformacions desencadenades per la desaparició de la Unió Soviètica, Dubna ha pogut continuar com a ciutat de la ciència, i el Laboratori Flerov ha fet les contribucions decisives per completar el setè període de la taula dels elements.

La Residència dels Científics, en l’Institut Conjunt d’Investigacions Nuclears de Dubna.

Yuri Oganessian i la descoberta del flerovi

Yuri Oganessian

Yuri Tsolakòvitx Oganessian (Юрий Цолакович Оганесян; Յուրի Ցոլակի Հովհաննիսյան) va nàixer també a Rostov del Don, com G. N. Flerov. Però si Flerov ho va fer el 17 de febrer (data juliana) del 1913, Oganessian ho va fer el 14 d’abril (data gregoriana) del 1933.

Tota la carrera científica d’Oganessian s’ha desenvolupat a l’Institut Conjunt de Recerca Nuclear de Dubna, on ingressà en el 1956, després de graduar-se en l’Institut d’Enginyeria Física de Moscou. Hi treballà inicialment com a enginyer, i eventualment seria el cap del grup d’ajustament dels acceleradors de partícules. Sota la supervisió de Flerov va començar a treballar en la interacció de nuclis pesants, cosa que esdevindria la base de la seva tesi doctoral (defensada reeixidament en el 1970).

Després de la mort de Flerov, en el 1990, Oganessian assumí la direcció científica del Laboratori de Reaccions Nuclears. Malgrat les dificultats econòmiques, l’Institut de Dubna continuà endavant. Sota Oganessian es desenvoluparen acceleradors d’ions pesants cada vegada més potents (U200, U300, U400, U400M), alhora que s’optimitzaven els instrumentals de separació i detecció. Al final de la dècada dels 1990, hom podia dir ja que el ОИЯИ era el laboratori capdavanter en la recerca d’elements superpesants, alhora que l’Institut en general encapçalava també tota una altra sèrie de camps de la física nuclear.

En la síntesi i detecció dels elements superpesants, tots els centres eren conscients de la importància de la col•laboració internacional. Així doncs, en el projecte per a la síntesi i detecció de l’element 114 hi participaven investigadors de Dubna (Oganessian, Alexander Vladimirovich Yeremin, Andre Georgievich Popeko, Sergey L. Bogomolov, German Vladimirovich Buklanov, M. L. Chelnokov, Victor Ivanovich Chepigin, Boris N. Gikal, Vladimir A. Gorshkov, Georgy G. Gulbekian, Mikhail Grigorievich Itkis, Anatoly Petrovich Kabachenko, Anton Yurievich Lavrentiev, Oleg Nikolaevich Malyshev, Jozef Rohach i Roman Nikolaevich Sagaidak), però també del GSI de Darmstadt (Sigurd Hofmann), de Bratislava (S. Saro), del Departament de Física de la Universitat de Messina (G. Giardina) i del RIKEN japonès (K. Morita).

Per sintetitzar l’element 114, pensaven en bombardar dianes de plutoni-244 amb ions accelerats de calci-48. L’element 114 seria l’eka-plom, és a dir l’element del període 7 del grup 14, d’acord amb l’esquema ja anunciat per Glenn T. Seaborg a mitjan dels anys 1940. Inicialment, però, s’havia pensat que a partir de l’element 108, els àtoms serien massa inestables degut a la fissió espontània. El mateix Seaborg, ja en els anys 1960, contribuí a entendre les conseqüències del model d’escorces nuclears que havien desenvolupat, entre d’altres, Eugene Paul Wigner, Maria Goepert Mayer i J. Hans D. Jensen. Segons això, hom podia esperar l’existència de combinacions de protons i neutrons que farien especialment estables alguns isòtops d’elements superpesants. Un d’aquests isòtops seria el 298114, al voltant del qual hi hauria situada una “illa d’estabilitat”, com no hi havia cap de comparable més enllà del plom-108. En el 1966, hom havia estimat la semivida del 298114 en més de 100 milions d’anys. Ara bé, la síntesi d’aquest isòtop, resultava prohibitiva. El bombardament de plutoni-244 amb calci-48 generaria en canvi isòtops més lleugers (289-292) i, alhora, molt més inestables.

El desembre del 1998 es realitzà a Dubna la reacció 244Pu(48Ca,xn)292-xFl. Hom detectà un àtom que es desintegrà a 285110 en 30,4 segons. A partir de l’alfa-emissió, de 9,71 MeV, hom calculà la semivida d’aquest isòtop en 2-23 s. D’acord amb la cadena d’alfa-desintegracions, l’àtom fou assignat a l’isòtop 289114. Aquesta detecció fou comunicada a Phys. Rev. Lett. el gener del 1999, i fou publicada el mes d’octubre.

La comunicació de Dubna ja circulava el mes de gener. Al Ghiorso era conscient que el 289114 era un dels isòtops més propers a l’illa de l’estabilitat. Així li ho comunicà en una visita a l’hospital a Glenn T. Seaborg, ja greument malalt, setmanes abans de morir-se.

El mes de març, a Dubna iniciaren una nova reacció, però amb una diana de plutoni-242. En aquesta ocasió, detectaren dos àtoms de 287114 (Oganessian et al., 1999). Calcularen la semivida d’aquest isòtop en 5,5 s.

El juny del 1999, a Dubna repetiren la reacció amb la diana de plutoni-244. Detectaren dos àtoms, que atribuïren a l’isòtop 288114, al qual calcularen una semivida de 2,6 s (Oganessian et al., 2000).

El desembre del 2002, nous estudis a Dubna feien veure que els àtoms sintetitzats el juny del 1999 eren 289114. Això introduïa una discrepància amb les dades de desembre del 1998 quant a aquest isòtop. També en resultaven afectades les dades de març del 1999 sobre el 287114. Una possible explicació era l’existència d’isomeria per a tots dos isòtops (Oganessian et al., 2004).

L’abril-maig del 2007, en el marc d’una col•laboració entre el Laboratori Flerov i l’Institut Paul Scherrer, hom determinà algunes característiques químiques de l’element 114, gràcies a la síntesi de dos àtoms de 288114 i un de 289114, que posaren de manifest una interacció, en fase gasosa, d’aquests àtoms amb una superfície d’or que recordava a la que haurien realitzat àtoms de gas noble.

El gener del 2009, experiments al laboratori de Berkeley confirmaven la descoberta a Dubna dels isòtops 286114 i 287114.

Barber et al., en report tècnic de la IUPAC de maig del 2009, reconeixien la descoberta de l’element 112 feta per Hofmann et al. en experiments de 1996 i 2002. Això, de retruc, afectava l’element 114, ja que la IUPAC reconeixia la validesa de l’obtenció de 283112 com a isòtop fill dels àtoms de 287114 o 291116 sintetitzats en el laboratori de Dubna.

El juliol del 2009, experiments al GSI de Darmstadt confirmaven la descoberta a Dubna dels isòtops 288114 i 289114.

El report tècnic de la IUPAC del juny del 2011 avaluava les dades al voltant de cinc elements (113-116, 118), dels quals quatre havien estat presumiblement descoberts a Dubna. El report reconeixia la descoberta de dos d’aquests elements, el 114 i el 116, per bé que encara remarcava algunes mancances. En qualsevol cas s’obria el període per designar aquests elements.

Oganessian et al. proposaren el nom de “flerovium” i el símbol Fl, en homenatge al Laboratori Flerov de Reaccions Nuclears i, indirectament, al seu fundador epònim, Georgi N. Flerov. Les diferents llengües adaptaren, amb les modificacions gràfiques i fonètiques corresponents aquest nom. En català, doncs, toca “flerovi”. El cognom rus Флёров es translitera habitualment en català com a Fliorov, per aproximar-se a la pronúncia de la lletra “ё”. De manera similar en anglès, es transcriu Flyorov. De totes formes, és transliteració més directa seria la de “Flërov”. En qualsevol cas, la forma “fliorovi” és pràcticament inexistent.

Nous experiments químics en fase gasosa, dugueren a Eichler et al. (2010) a qualificar el flerovi d’element volàtil. Experiments fets a Darmstadt en el 2012, dugueren Jens Volker Kratz i Christoph Düllmann a classificar el copernici i el flerovi en una nova categoria de “metalls volàtils”.

El flerovi: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del flerovi és de 289 uma, corresponent a la de l’isòtop conegut de semivida més llarga (289Fl; 2,6 s). El llistat d’isòtops coneguts fa:
– flerovi-284 (284Fl). Nucli format per 114 protons i 170 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0025 s. Decau per fissió espontània, amb emissió de diversos productes. Fou sintetitzat per primera vegada en el 2015, pel bombardament de dianes de plutoni-239 i -240 amb ions de calci-48.
– flerovi-285 (285Fl; 285,18364 uma). Nucli format per 114 protons i 171 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,15 s. Decau a copernici-281, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetitzat per primera vegada en el 2010, pel bombardament de dianes de plutoni-242 amb calci-48.
– flerovi-286 (286Fl; 286,18424 uma). Nucli format per 114 protons i 172 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,13 s. Decau bé per fissió espontània (60%; amb emissió de diversos productes) o a copernici-282 (40%; amb emissió d’un nucli d’heli-4). És l’isòtop conegut més pesant que pot patir fissió espontània. No ha estat sintetitzat directament, sinó detectat originàriament en el 2002 en la cadena de desintegració del ununocti-294.
– flerovi-287 (287Fl; 287,18678 uma). Nucli format per 114 protons i 173 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,51 s. Decau a copernici-283, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Posseiria un estat metastable (287mFl), que tindria una semivida de 5,5 s, i que decauria a copernici-283. Fou sintetitzat originàriament en el 1999.
– flerovi-288 (288Fl; 288,18757 uma). Nucli format per 114 protons i 174 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,8 s. Decau a copernici-284, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetitzat originàriament en el 2002, pel bombardament de plutoni-244 amb ions de calci-48.
– flerovi-289 (289Fl; 289,19042 uma). Nucli format per 114 protons i 175 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,6 s. Decau a copernici-285, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Posseiria un estat metastable (289Fl), que tindria una semivida de 66 s, i que decauria a copernici-285. Fou sintetitzat originàriament en el 1998.

L’àtom neutre de flerovi conté 114 electrons, amb una configuració basal d’escorça teòrica de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p66d107s27p2. El flerovi és un transactínid, concretament l’eka-plom, és a dir l’element per al període 7 del grup 14 (el grup del carboni), situat dins del bloc p i, teòricament, hauria de ser comptat entre els metalls de post-transició. Alguns situen el copernici i el flerovi entre els “metalls volàtils”, atenent a l’entalpia d’adsorció a l’or. Com a element radioactiu purament artificial, de síntesi tan difícil, el coneixement empíric del flerovi és força limitat, i de fet és l’element més pesant del qual hom té dades químiques empíriques. L’estat d’oxidació més habitual seria +2, encara que també podria presentar +6, +4, +1 i 0. El radi atòmic seria de 1,80•10-10 m.

En condicions estàndards de pressió i temperatura, el flerovi elemental es presentaria en forma de sòlid metàl•lic, amb una densitat de 14000 kg•m-3.

En condicions estàndards de pressió, el flerovi elemental fondria a 340 K i bulliria a 420 K.

Teòricament, el potencial de primera ionització del flerovi seria de 823,9 KJ•mol-1 força més elevada que la dels elements més lleugers del grup 14.

Entre els compostos que podria formar el flerovi podem esmentar:
– òxids: el FlO2 seria altament inestable.
– hidrurs: el flerovà (FlH4) seria menys estable que el FlH2.
– halurs: l’únic compost estable seria el FlF4.

El únics àtoms coneguts de flerovi són els que s’han sintetitzat a Dubna, Berkeley, Darmstadt i altres pocs centres en experiments deliberats.

La síntesi de flerovi i la recerca de l’illa d’estabilitat

Les primeres reaccions de fusió utilitzades en la síntesi del flerovi foren reaccions en calent (30-50 MeV):
244Pu(48Ca,xn)292-xFl. Aquesta reacció fou assajada originàriament a Dubna el novembre del 1998, amb detecció d’un àtom de 289Fl. Fou repetida en el 1999, amb detecció de dos àtoms addicionals. En el 2002, la repetiren amb consecució de tres àtoms de 289Fl, dotze de 288Fl i un de 287Fl. L’abril del 2007 la reacció fou utilitzada satisfactòriament per fer estudis químics del flerovi i del copernici. El juny del 2008 s’aconseguí la detecció d’un àtom de 289Fl, del qual s’obtingueren dades d’adsorció. El maig-juliol del 2009, la reacció fou practicada a Darmstadt, amb detecció de nou àtoms de 288Fl i quatre de 289Fl.
242Pu(48Ca,xn)290-xFl. Aquesta reacció fou estudiada originàriament a Dubna el març-abril del 1999, amb detecció de dos àtoms de 287Fl. Fou repetida el setembre del 2003, amb detecció d’àtoms de 288Fl, 287Fl i 286Fl. L’abril del 2006 fou utilitzada per l’obtenció de 287Fl i, a través d’aquest, d’àtoms de 283Cn per fer-ne el primer estudi de propietats químiques d’aquest element. L’abril del 2007 fou repetida. El gener del 2009 fou aplicada a Berkeley, amb el nou separador BGS, i el setembre reportaren la detecció de dos àtoms, un de 287Fl i un altre de 286Fl. L’abril del 2009, a Dubna, la col•laboració FLNR-PSI la va repetir en un nou estudi sobre la química del flerovi i del copernici. El desembre del 2010, a Berkeley es va utilitzar de nou, amb detecció del rpimer àtom conegut de 285Fl.
239Pu(48Ca,xn)287-xFl. Aquesta reacció ha estat considerada a Dubna, però encara no practicada.

Altres reaccions possibles, però que encara no han estat practicades són: 232Th(54Cr, xn)286-xFl, 238U(50Ti,xn)288-xFl, 239Pu(48Ca,xn)287-xFl, 248Cm(40Ar,xn)288-xFl, 249Cf(36S,xn)285-xFl.

Pel que fa a les reaccions en fred (10-20 MeV), el GANIL de Caen va intentar en el 2003 la reacció 208Pb(76Ge,xn)284-xFl, sense aconseguir cap detecció.

Les reaccions de síntesi de flerovi han estat també importants per a l’estudi d’alguns elements menys pesants, particularment del copernici.

Àtoms de flerovi poden ser obtinguts a través de la síntesi de livermori o d’ununocti. Així tenim:
– flerovi-286, com a producte de livermori-290 o ununoci-294.
– flerovi-287, com a producte de livermori-291.
– flerovi-288, com a producte de livermori-292.
– flerovi-289, com a producte de livermori-293.

Esquema dels nivells del nucli atòmic i la seva relació amb la morfologia del nucli. Els diferents nivells nuclears queden determinats pels anomenats “nombres màgics”. Per als protons, es coneixen els nombres màgics 2, 8, 20, 28, 50 i 82. Per als neutrons, els citats i, a més, el 126. El següent nombre màgic de protons seria, segons algunes prediccions, el 114, mentre que per als neutrons la sèrie continuaria amb el 184. Els nuclis amb un nombre màgic de protons i un nombre màgic de neutrons són relativament estables, com exemplifiquen els casos del 4He, 16O, 48Ca, 208Pb. El següent d’aquesta sèrie seria, doncs, el 298Fl

La qüestió d’una illa d’estabilitat al voltant de l’element 114 ha estat seguida teòricament des de 1966. Inicialment, hom pensà que l’illa d’estabilitat se centraria fortament en el 298Fl. No obstant, actualment s’estima la seva semivida, determinada per l’alfa-desintegració en 17 dies. Les reaccions nuclears de fusió per a la síntesi de 298Fl no són actualment a l’abast tècnic, ja que els fluxos d’ions radioactius necessaris no es poden obtindre amb la quantitat i intensitat requerides.

Una reacció proposades per a la síntesi de flerovi-298 és aquesta: 204Hg(136Xe,40Ca,2n)298Fl. També s’ha pensat en reaccions similars de transferència, però fetes amb dianes d’urani o de curi.

L’accés a l’illa d’estabilitat, però, es podria aconseguir amb l’ús d’ions de calci-48 si hom empra dianes més pesants (curi-250, berqueli-249, californi-251, einsteini-254). Aquestes reaccions podrien conduir a la formació d’isòtops com 295Lv, 295Uus o 299Uue, com a productes secundaris dels quals hom obtindria, entre d’altres, 291Fl. L’ús d’explosions nuclears controlades podria fornir un flux de neutrons suficients en aquestes reaccions per pujar encara més en el nombre neutrònic dels isòtops i acostar-s’hi al centre de l’illa.

Un altre horitzó seria assolir l’illa d’estabilitat a través de la síntesi d’elements més allunyats de la taula periòdica, com l’untriquadi: 244(96Zr,2n)338Utq, que a través d’una sèrie de deu alfa-desintegracions generaria 298Fl.

A mesura que tenim més detalls d’elements superpesants com el flerovi, més augmenta també el nostre coneixement sobre l’estructura del nucli atòmic, més es refinen els conceptes de “nombre màgic” o de morfologia (esfèrica, prolada, oblada). L’illa d’estabilitat serà menys estable que no pas com la visualitzava Seaborg, però tot i així recercar-la paga la pena per aprofundir en les intimitats de la matèria.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: