Elementul cu numărul atomic 117 a fost descoperit şi sintetizat la laboratorul Dubna din Federaţia Rusă la începutul anului 2010. Este încă o escală în cursa spre insulele de stabilitate din lumea nucleelor atomice. Despre ce este vorba? Aflaţi mai jos.
Elementul chimic 117
Ştirea
Sintetizarea elementului cu numărul 117 a fost raportată într-un articol publicat în aprilie 2010. Sinteza s-a realizat la Dubna şi a fost rezultatul unei cooperări internaţionale implicând cercetători de la Institutul de Cercetări Nucleare de la Dubna (Rusia) şi câteva grupuri din Statele Unite. Liderul proiectului a fost Iuri Oganessian, cel care a fost liderul eforturilor depuse spre sinteza tuturor elementelor de la 113 încolo. În experimentul care a durat 150 de zile au fost observaţi 6 atomi ai elementului 117, având un timp de viata de ordinul milisecundelor.
De menţionat că elementul 118 a fost deja sintetizat de mai multe ori, intre anii 2002 şi 2005, deci înainte de obţinerea elementului 117.
Metoda
Metoda de obţinere a elementelor supergrele este simplă, în principiu: fuziunea a două nuclee ale unor elemente mai uşoare. O ţintă conţinând unul din cele două elemente care vor fuziona este bombardată cu un fascicol de ioni (atomi cu sarcină electrică) ai celui de-al doilea element.
În practică lucrurile nu sunt asa de simple. Perechile de elemente care se pot folosi cu succes în sinteza elementelor grele sunt supuse unor anumite cerinţe destul de drastice.
În practică, nucleele iniţiale trebuie alese astfel încât nucleul obţinut prin fuziune să fie cat mai stabil, adică cu un timp de viaţă cât mai lung. Aşa se explică faptul că sinteza ultimelor elemente artificiale a fost rezultatul colaborării internaţionale: grupul de la Dubna posedă un accelerator de ioni grei care constituie proiectilele ideale (Calciu cu masa atomică 48). Ţintele din elemente exotice cum ar fi Berkeliu sau Californiu au fost produse prin colaborarea mai multor grupuri din Statele Unite (Oak Ridge, Livermore, Universităţile Vanderbild şi Nevada).
Pentru obţinerea elementului 117 s-a folosit o ţintă conţinând 22 mg de Berkeliu cu masa atomică 249 şi timp de înjumătăţire de numai 330 zile. Pentru elementul 118 s-a folosit o ţintă din Californiu, care este comparativ mai uşor de obţinut şi de stocat, având un timp de înjumătăţire de 350 ani, aceasta fiind de altfel cauza obţinerii acestui element înaintea celui cu numărul 117.
Insule de stabilitate nucleară
Un nucleu atomic este format din protoni (sarcina pozitivă) şi neutroni (fără sarcină electrică). Stabilitatea nucleului la dezintegrare nucleară depinde de numărul de protoni (Z) şi numărul de neutroni (N). Neutronii au rolul de a stabiliza nucleul împotriva respingerii electrostatice a sarcinilor pozitive de pe protoni. Nucleele cu neutroni prea puţini sunt în general instabile şi au timp de viaţă foarte scurt.
Teoria structurii nucleare prezice că pentru anumite valori speciale (numere magice) ale numerelor Z şi N se obţin nuclee deosebit de stabile. Valorile numerelor magice sunt 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Dacă atât numărul de protoni cat şi cel de neutroni au valori în şirul de mai sus, elementul este “dublu magic” şi este deosebit de stabil. Exemple de astfel de elemente sunt 4He (Z=2, N=2) , 48Ca (Z=20, N=28) , 208Pb (Z=82, N=126). Calciul cu masa atomică 48 este “proiectilul” folosit de grupul de la Dubna.
Se aşteaptă ca elemente supergrele dublu magice să fie relativ stabile, constituind “insule de stabilitate” în tabelul periodic. Teoria nucleară nu poate prezice numerele magice cu exactitate. Ele au fost determinate empiric, pe baza comparării teoriei cu rezultatele experimentale. În prezent se aşteaptă să se observe o insulă de stabilitate pentru un element cu N=184 şi Z=114, 120 sau 126 (părerile sunt împărţite în privinţa valorii Z).
Ce se poate afla din studiul elementelor supergrele?
Sinteza elementelor artificiale este interesantă din mai multe puncte de vedere. Unul ar fi testarea teoriei structurii nucleare şi existenţa insulelor de stabilitate. Până la obţinerea elementelor cu numere atomice magice mai este ceva cale de străbătut. Până atunci însă, elementul 117 a produs prin descompunere o serie de izotopi care nu au mai fost observaţi până acum. Aceştia aparţin unor elemente deja cunoscute. Asta înseamnă că au acelaşi număr de protoni ca izotopii deja cunoscuţi. Noutatea constă în faptul că aceşti izotopi noi au un număr mai mare de neutroni decât ai izotopilor observaţi anterior. Efectul numărului sporit de neutroni este un timp de viaţă mult mai mare (de ordinul milisecundelor, dar foarte lung pentru aceste elemente exotice), aşa cum prezice teoria structurii nucleare.
Un al doilea punct de interes este legat tot de aceşti izotopi cu timp de viaţă “lung”. Relativa lor stabilitate ar permite studierea proprietăţilor lor, şi mai ales a proprietăţilor chimice. În cazul elementelor supergrele este de aşteptat ca efectele relativiste să influenţeze energia orbitalilor electronici. Chiar ordinea în care orbitalii (straturile) electronice sunt ocupate se poate inversa. Efectul ar putea fi ca un element ca cel cu numărul 112 (Copernicium), care este în aceeaşi grupă cu mercurul, sa aibă proprietăţi de gaz inert în loc de proprietăţi metalice.
Istoria recentă a obţinerii elementelor supergrele
Număr atomic/Anul primei sinteze confirmate
117 - 2010
118 - 2002
116 - 2000
115 - 2003
114 - 1999
113 - 2003-2004
112 - 1996
Bibliografie:
Miller J. - Physics Today, June 2010, pag.11-13
Y.T. Oganessian - Phys. Rev. Letters 104, 2010
• Mircea Pantea este cercetător în fizică la Universitatea din Windsor, Canada.
