Aunque faltan elementos por descubrir y nadie sabe
exactamente cual es el límite, cada vez es más díficil por lo que puede
llevar tiempo.
El 30 de diciembre de 2015, la ciencia química oficialmente adquirió cuatro temas nuevos.
La
Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas
en inglés) confirmó el descubrimiento de cuatro nuevos elementos
químicos, todos los cuales habían sido creados en el laboratorio.
Algunos medios dijeron que estos elementos "completaban" la tabla periódica. Pero estaban equivocados.
Podemos
esperar con toda confianza que haya nuevos elementos después de este
último lote. Pero puede tomar un tiempo, ya que cada vez es más difícil
producirlos.
Lo que sí completan los nuevos elementos es la
séptima fila de la tabla periódica. Si se encuentran o se crean los
elementos 119 y 120, se abrirá una nueva fila.
Nadie sabe cuánto más puede extenderse la tabla con la creación de nuevos elementos.
Algunos
sospechan que no hay límites. Otros creen que llegará un momento en el
que no podrán hacerse átomos más pesados: estos átomos tan enormes
podrían ser completamente inestables, desintegrándose en un frenesí de
radioactividad.
Pero una cosa es clara. Si logramos construir
elementos cada vez más pesados, nos encontraremos con que se comportarán
de manera muy peculiar.
De dónde salen los elementos
Los elementos son la base fundamental de la química.
Un
elemento es esencialmente una sustancia que sólo contiene un tipo de
átomo. Hacer nuevos elementos significa crear un nuevo tipo de átomo.
A cada elemento se asigna un número. Por ejemplo, el carbón es el número 6.
Esos
números no son etiquetas arbitrarias, sino que tienen una significación
fundamental: especifican cuántos protones (un tipo de partícula
elemental) contiene el átomo.
Los protones tienen una carga
eléctrica positiva y se agrupan en un amasijo en el centro del átomo.
Los electrones, mucho más ligeros, con cargas negativas que balancean a
los protones, "orbitan" el núcleo en una nube difusa.
Con la
excepción de los átomos de hidrógeno, los núcleos atómicos también
contienen otro tipo de partícula: el neutrón, con una masa casi
exactamente igual a la del protón, pero sin carga eléctrica.
Los átomos de un elemento pueden tener un número diferente de neutrones. Esas variantes se llaman "isótopos".
Mendeleev desarrolló la primera tabla periódica,
Los
neutrones sirven como una especie de pegamento que ayuda a mantener
juntos a los protones. Sin ellos, la carga positiva los apartaría los
unos de los otros.
Al mismo tiempo, el núcleo de átomos muy
pesados, como el uranio, están tan llenos de protones que se repelen que
ni siquiera una preponderancia de neutrones pueden mantenerlos juntos.
Estos átomos pasan por una "desintegración radioactiva": emiten partículas y energía.
Cuando
un átomo se desintegra, el número total de protones en el núcleo
cambia, de manera que el proceso deviene en la transformación de un
átomo en otro.
Esto puede sonar extraño, pero es lo que pasa todo el tiempo, incluso en algunos átomos de tu cuerpo.
Balance atómico
Cada
tipo de núcleo tiene un número óptimo de protones y neutrones. Algunos
átomos se desintegran si tienen muchos o muy pocos neutrones; incluso si
tienen un núcleo pequeño.
Los elementos ligeros como el carbón y
el oxígeno, la proporción que da la estabilidad es 1:1. Los elementos
más pesados necesitan un ligero exceso de neutrones.
La química todavía le reserva sorpresas a los estudiosos.
Los procesos naturales del universo sólo pueden producir elementos de hasta un cierto peso.
Los elementos más ligeros, del hidrógeno al boro, fueron creados mayormente en el Big Bang que dio origen al universo.
Cualquier
cosa más pesada que ellos tuvo que crearse dentro de las estrellas. Las
intensas temperaturas forzaron a los núcleos a fusionarse. Esto se
llama fusión nuclear.
Las estrellas más grandes pueden generar elementos más pesados como el mercurio, que tiene 80 protones en su núcleo.
Pero muchos de los elementos en la tabla periódica fueron creados más bien en el ambiente intenso de una supernova en explosión.
Las
enormes energías liberadas pueden producir nuevos tipos de fusión,
cuando los átomos chocan entre sí, produciendo elementos tan pesados
como el uranio, con sus 92 protones.
El equilibrio dentro del átomo y su estabilidad depende de muchos elementos.
Para
este tipo de fusión nuclear se necesita de grandes cantidades de
energía, en virtud de que los núcleos atómicos cargados positivamente se
repelen entre sí. Un núcleo debe estarse movimiento realmente rápido
para romper la barrera y fusionarse con otro.
Como resultado, el uranio es el elemento más pesado que se encuentra en grandes cantidades en la naturaleza.
Así
que cuando los científicos quieren crear nuevos elementos tienen que
usar aceleradores de partículas para darle un impulso a los átomos en
colisión a velocidades enormes, quizás a una décima de la velocidad de
la luz.
Creación de elementos
Eso
se hizo por primera vez en 1939. Científicos de la Universidad de
California en Berkeley crearon el elemento 93, que ahora se llama
neptunio.
Dos años después, el equipo bombardeó el uranio con
núcleos de "hidrógeno pesado", cada uno de los cuales contenía un protón
y un neutrón. El resultado fue el elemento 94: plutonio.
Pronto
se dieron cuenta de que el plutonio, como el uranio, se desintegraría
espontáneamente en un proceso dramático llamado fisión nuclear. Su
enorme núcleo se partió casi por la mitad, liberando una cantidad de
energía tremenda.
Y
no tardaron en darle uso al hallazgo: el plutonio creado en
aceleradores de partículas se utilizó en la bomba que se dejó caer en
Nagasaki en 1945. El descubrimiento del plutonio se mantuvo como secreto
militar hasta después de la Segunda Guerra Mundial.
Una vez que terminó la Guerra, los físicos se dieron a la tarea de encontrar nuevos elementos en forma.
Por
décadas, el centro neurálgico de investigación en Estados Unidos fue
Berkeley, pero hoy en día la actividad se ha trasladado al Laboratorio
Nacional Lawrence Livermore, a unos 40km de distancia.
El trabajo
de los rusos tiene lugar en el Instituto Conjunto de Investigación
Nuclear (JINR, por sus siglas en inglés) en Dubna, Moscú, que fue
fundado en 1956.
Inicialmente los estadounidenses tomaron la
delantera. Como resultado, los elementos 95, 97 y 98 se llaman americio,
berkelio y californio.
Pero otros elementos fueron descubiertos
de forma completamente distinta, identificados en los escombros de las
pruebas de la bomba de hidrógeno en los años 50. Estos elementos habían
sido creados del uranio en los "fusiones" de las bombas durante los
intensos estallidos.
En consecuencia, en vez de nombrarlos por su
lugar de origen, los elementos 99 y 100 recibieron el nombre de dos
pioneros de la ciencia nuclear: einstenio por Albert Einstein y fermio
por Enrico Fermi.
Disputas
Con la profundización de la Guerra Fría, la rivalidad entre Estados Unidos y la Unión Soviética generó algunas amargas disputas.
Entre
finales de los 50 y comienzos de los 70, los equipos de Berkeley y JINR
pelearon por quién creó primero los elementos 102, 104, 105 y 106. La
IUPAC decide sobre estas disputas, pero no fue sino hasta 1997 que le
otorgó el 104 (rutherfordio) a Berkeley y el 105 (dubnio) a JINR.
El
elemento 117 (cuyo núcleo se ve en la foto) fue creado por la JINR, el
Oak Ridge National Laboratory en Tennessee y Livermore en experimentos
conducidos entre 2010 y 2012.
Entretanto, el elemento 107
era disputado entre el JINR y un nuevo chico en el vecindario: el
Laboratorio para Iones Pesados de Alemania, conocidos por sus siglas en
alemán como GSI, en Darmstadt. El crédito por el descubrimiento se
dividió eventualmente entre los dos grupos.
Mientras que los
primeros elementos artificiales se lograban bombardeando átomos pesados
con otros más ligeros, los investigadores del GSI encontraron maneras de
unir dos átomos de núcleo mediano: por ejemplo, disparándole iones de
zinc, níquel y cromo a plomo y bismuto.
Hoy en día la creación de elementos es un asunto de colaboración, en que estadounidenses, rusos y alemanes unen fuerzas.
La
IUPAC dice que la primera síntesis convincente del elemento 117 y 115
se debió a un esfuerzo conjunto entre la JINR, el Oak Ridge National
Laboratory en Tennessee y Livermore en experimentos conducidos entre
2010 y 2012. Una colaboración separada entre JINR y Livermore que
comenzó en 2006 ha recibido crédito por el elemento 118.
¿Octava línea?
Los
nuevos elementos se detectan, generalmente un átomo por vez, por la
forma característica en que se descomponen radioactivamente.
Cada
isótopo tiene un proceso diferente. Cada uno se desintegra a su propia
tasa, que se mide como la media-vida: el tiempo que le toma a la mitad
de la muestra en descomponerse.
Estas
señales sutiles tienen que identificarse en medio de un conjunto de
otros procesos nucleares, así que no es fácil decidir cuándo una
afirmación tiene base.
Dadas estas dificultades, puede parecer que
estamos llegando al límite superior del tamaño atómico. Pero hay buenas
razones para intentar crear la octava línea de la tabla periódica.
Esta perspectiva es tentadora, porque significaría crear átomos como ninguno que hayamos visto antes.
¿Pero puede llegar el momento en que los átomos se vuelvan tan pesados que simplemente no puedan existir?
El
físico estadounidense Richard Feynman creía que sí. Feynman hizo un
cálculo que sugería que era imposible crear un átomo como 137 protones
en su núcleo.
La razón era que los electrones más internos,
aquellos en la primera capa, no tienen una órbita estable. En otras
palabras, el núcleo del elemento 137 no podría sujetarse a ellos.
Sin
embargo, el cálculo de Feynman se hizo bajo el supuesto de una
aproximación, según la cual el núcleo tiene un tamaño cero, lo que, por
supuesto, no existe.
Cuando las cuentas se sacan con más
precisión, parece que nada inapropiado le ocurre a la energía de los
electrones más internos hasta el número atómico 173.
Incluso entonces los átomos pueden mantenerse estables; pero, al mismo tiempo, algo extraño pasa.
Como todo lo que ocurre a estas escalas tan minúsculas, todo se reduce a la mecánica cuántica.
Esto nos dice, entre otras cosas extrañas, que las parejas de partículas a veces pueden aarecer de la nada.
Una
de las partículas se hará de materia y la otra de antimateria: por
ejemplo, una puede ser un electrón y la otra su contraparte en
antimateria, un positrón.
Normalmente, los dos coliden inmediatamente y se eliminan el uno al otro.
Resulta
que los electrones más internos del elemento 173 pueden ser del tipo
inusual e inestable que puede evocar estas partículas "virtuales".
Si uno de los electrones es expulsado de su cascarón –por ejemplo, con el uso de rayos X-, dejará un agujero.
Este
agujero puede llenarse con un electrón que aparece de la nada. Pero
para que se forme este electrón, también debe formarse un positrón. Y
este será emitido por el átomo.
En otras palabras, las nubes de
electrones de estos elementos verdaderamente enormes pueden
ocasionalmente eructar partículas de antimateria.
Así que aun si no la tabla periódica no tiene fin, puede haber cosas extrañas esperándonos en sus fronteras.
Que terminemos explorando estos elementos extremos o no es otro asunto.
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