¿Cuál es el motivo de la elección de los elementos específicos utilizados para la síntesis de elementos más pesados?

Question

Lo siguiente se ha extraído de la página wiki " Tabla periódica ampliada " y es uno de los muchos ejemplos de elementos del bloque d o f que se utilizan en la síntesis de nuevos elementos más pesados (o al menos este es el patrón que descubrí al buscar muchos otros ejemplos de los reactores nucleares en la forma de sintetizar elementos pesados):

Intentos de sintetizar elementos aún no descubiertos:

\begin{align} \ce{^254_99Es + ^48_20Ca &-> ^302_119Uue^*} \\ \ce{^249_97Bk + ^50_22Ti &-> ^295_119Uue + 4 ^1_0n} \\ \ce{^{nat}_68Er + ^136_54Xe &-> ^{298,300,302,303,304,306}Ubb^* -> no atoms} \\ \ce{^238_92U + ^66_30Zn &-> ^304_122Ubb^* -> no atoms} \end{align}

La pregunta es: ¿por qué es así? ¿Cómo llegaron los científicos a un acuerdo sobre qué elementos colisionar? ¿Había algo especial en esos átomos?

P. S. Si está seguro de que hay una excepción (las excepciones omiten las reglas; al menos en este caso), su respuesta será aceptada.

Answer 1

Existen diferentes estrategias para sintetizar elementos superpesados.

Dos de las principales estrategias se denominan "fusión caliente" y "fusión fría".

Las dos primeras reacciones son buenos ejemplos de la estrategia de "fusión en caliente". Me centraré en estas dos reacciones, ya que las otras dos son mucho más antiguas y no creo que sean buenos ejemplos del pensamiento actual.

Experimentalmente, un elemento objetivo muy pesado (el Es o el Bk en las dos primeras reacciones) es bombardeado por un haz de iones del segundo elemento. El elemento objetivo se elige por ser muy pesado, estar disponible y no decaer rápidamente.

$^{48}_{20}\ce{Ca}$ se elige por una razón muy especial. No se trata de un calcio ordinario. ¡El isótopo más común del calcio sólo tiene 20 neutrones, pero este isótopo tiene 28! Es extremadamente rico en neutrones, especialmente en comparación con otros isótopos relativamente estables en este rango de masa de la tabla periódica. $^{50}_{22}\ce{Ti}$ también es muy rico en neutrones.

¿Por qué se eligen los núcleos ricos en neutrones? Hay dos razones para ello:

En primer lugar, el confinamiento de muchos protones en un espacio reducido provoca una repulsión electrostática. A medida que aumenta el número atómico, los núcleos estables se desvían cada vez más de una relación neutrón:protón de 1:1, porque el hecho de tener más neutrones mantiene los protones más separados y disminuye la energía de repulsión electrostática.

En segundo lugar, observará el asterisco (*) en las ecuaciones 1ª, 3ª y 4ª. Esto denota el núcleo compuesto que se forma inicialmente en la reacción de fusión. Es un producto extremadamente ( $<10^{-21}$ s) estado intermedio de corta duración, que no es el estado básico de un núcleo, sino más bien un estado altamente excitado. Su formación no se considera la creación de un nuevo elemento. Es fundamental para la estrategia de formación de un elemento que el estado intermedio pierda energía por "evaporación" de neutrones. Obsérvese que en la segunda ecuación se muestra el paso de los neutrones que se evaporan, mientras que el estado intermedio no se muestra. En general, en la estrategia de fusión en caliente, se evaporarán entre 3 y 5 neutrones para enfriar el estado intermedio.

Para más información, véase:

El futuro de la investigación de los elementos superpesados: ¿Qué núcleos podrían sintetizarse en los próximos años? y

El descubrimiento de los elementos más pesados Rev. Mod. Phys. 72, 733

Answer 2

La estabilidad de los núcleos pesados es una función tanto del número como de la masa atómica. Por lo tanto, se debe alcanzar un número adecuado de protones y neutrones en el núcleo objetivo, o de lo contrario se pueden esperar tiempos de vida muy cortos. (Véase el artículo de Wikipedia sobre, por ejemplo, el isla de estabilidad y sus enlaces). Los núcleos "fuente" se eligen para que proporcionen recuentos de protones y neutrones que se prevé que produzcan núcleos pesados con un tiempo de vida lo suficientemente largo como para ser medible.

Por supuesto, no es tan sencillo como elegir el número total correcto de protones y neutrones en los núcleos de partida, ya que no está garantizado que todos los neutrones y protones permanezcan en el núcleo sintetizado, ni que no se produzcan emisiones radiactivas rápidas que nos alejen de la composición deseada. Por ejemplo, en los distintos síntesis de dubnio reportadas en Wikipedia En el caso de la "reacción" de síntesis nuclear, se expulsaron varios neutrones.