Medida la masa de un elemento m¨¢s pesado que el uranio

El uranio es el elemento qu¨ªmico m¨¢s pesado que se puede encontrar en la naturaleza y, aunque se empezaron a sintetizar elementos todav¨ªa m¨¢s pesados, aunque de muy corta vida, hace 40 a?os, hasta ahora no se hab¨ªa podido medir directamente su masa. Un equipo internacional de investigadores, liderado desde el instituto GSI de Darmstadt (Alemania), ha conseguido medir con precisi¨®n la masa del nobelio, uno de estos elementos superpesados, utilizando una trampa de iones magn¨¦tica (penning trap), instalada en el ¨²nico espectr¨®metro de masas de su clase en el mundo, el Shiptrap del GSI. Los resultados se publican en la revista Nature.

La importancia de medir la masa de un n¨²cleo radica en que dicha masa difiere de la suma de los protones (Z) y neutrones(N) que lo forman en una cantidad equivalente a la fuerza de enlace nuclear, que es la energ¨ªa que mantiene unido al n¨²cleo. Masa y energ¨ªa est¨¢n relacionadas a partir de la famosa ecuaci¨®n de Einstein (E=mc2). "La energ¨ªa de enlace es la que se libera en las reacciones nucleares y determina la estabilidad de los n¨²cleos at¨®micos", explica Daniel Rodr¨ªguez, investigador Ram¨®n y Cajal del Departamento de F¨ªsica At¨®mica, Molecular y Nuclear de la Universidad de Granada, que ha participado en el estudio y en todos los experimentos con haces radioactivos en Shiptrap.

Para pesar los tres is¨®topos de nobelio (Z=102, N=150-152) se ha utilizado una trampa magn¨¦tica, que es una especie de balanza de muy alta precisi¨®n donde un ¨¢tomo que se mueve en una ¨®rbita de radio inferior a 1 cent¨ªmetro se pesa utilizando campos el¨¦ctricos y magn¨¦ticos. "Es como pesar usando un reloj", cuenta Rodr¨ªguez. Estos is¨®topos se producen en reacciones de fusi¨®n-evaporaci¨®n en una instalaci¨®n llamada Ship situada al final de un acelerador lineal de unos 50 metros, a raz¨®n de menos de un ¨¢tomo por segundo, y hay que reducir su energ¨ªa en un factor de un mill¨®n para poder pesarlos.

En la tabla peri¨®dica donde se representan el n¨²mero de protones (lo que define a cada elemento) frente al n¨²mero de neutrones, -un elemento puede tener distinto n¨²mero de neutrones, lo que da lugar a los distintos is¨®topos-, se ha predicho una zona en la que los n¨²cleos sintetizados ser¨ªan muy estables y a la que todav¨ªa no se ha accedido. Es la llamada isla de estabilidad entre Z=114 y Z=120. "Se llama isla porque no est¨¢ unida todav¨ªa a la zona de n¨²cleos sintetizados (el n¨²cleo m¨¢s pesado que se ha sintetizado es el Z=118)", contin¨²a Rodr¨ªguez.

Pesar el elemento es muy importante porque se obtiene su energ¨ªa de enlace. Si adem¨¢s se pesan otros is¨®topos del mismo elemento se obtienen energ¨ªas de separaci¨®n de neutrones. Estos datos se pueden utilizar para modelar como ser¨ªan otros n¨²cleos en esta zona.

Los resultados que se han presentado en la revista Nature constituyen las primeras medidas directas de masas de elementos m¨¢s pesados que el uranio (Z=92), llamados transur¨¢nicos, que no existen en la naturaleza. La lista de estos elementos incluye desde el neptunio (Z=93) y plutonio (Z=94)... hasta el elemento -llamado hasta el momento-118 (Z=118). En total son m¨¢s de 200 is¨®topos los sintetizados en esta regi¨®n. "La b¨²squeda y s¨ªntesis de estos elementos es uno de los grandes temas de la f¨ªsica nuclear moderna y tiene c¨®mo motivaci¨®n b¨¢sica las preguntas ?hasta qu¨¦ elementos se pueden sintetizar? ?c¨®mo de pesados pueden ser los elementos? ?servir¨ªa la estabilidad de estos elementos para posibles aplicaciones futuras?", explica Rodr¨ªguez.

La identificaci¨®n de los transur¨¢nicos se lleva a cabo a partir de la energ¨ªa de part¨ªculas alfa procedentes de decaimientos nucleares, explica el investigador espa?ol. "Dichos decaimientos van desde el n¨²cleo padre (origen de la cadena) al n¨²cleo hijo final (elemento estable). A partir de estas energ¨ªas se suele determinar la masa si se conoce la masa del elemento final de la cadena. Este m¨¦todo induce errores en la determinaci¨®n que pueden provenir hasta de cada uno de los decaimientos. En el caso concreto del 253No el valor anterior a esta medida (a partir de decaimientos nucleares) difiere considerablemente del obtenido ahora por nosotros".

En el contexto internacional, las trampas electromagn¨¦ticas se han acoplado muy recientemente a aceleradores, y existen actualmente alrededor de una decena entre Europa, Canad¨¢ y Estados Unidos. Shiptrap es la ¨²nica en el mundo acoplada a un mecanismo de producci¨®n de elementos de esta naturaleza. Precisamente, el f¨ªsico espa?ol acaba de solicitar por primera vez un proyecto al Plan Nacional de I+D en el que una parte estar¨ªa dedicado al desarrollo de instrumentaci¨®n para esta instalaci¨®n ¨²nica en su g¨¦nero.