Medida la masa de un elemento más pesado que el uranio

El uranio es el elemento químico más pesado que se puede encontrar en la naturaleza y, aunque se empezaron a sintetizar elementos todavía más pesados, aunque de muy corta vida, hace 40 años, hasta ahora no se había podido medir directamente su masa. Un equipo internacional de investigadores, liderado desde el instituto GSI de Darmstadt (Alemania), ha conseguido medir con precisión la masa del nobelio, uno de estos elementos superpesados, utilizando una trampa de iones magnética (penning trap), instalada en el único espectrómetro 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 núcleo 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 energía que mantiene unido al núcleo. Masa y energía están relacionadas a partir de la famosa ecuación de Einstein (E=mc2). «La energía de enlace es la que se libera en las reacciones nucleares y determina la estabilidad de los núcleos atómicos», explica Daniel Rodríguez, investigador Ramón y Cajal del Departamento de Física Atómica, 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 isótopos de nobelio (Z=102, N=150-152) se ha utilizado una trampa magnética, que es una especie de balanza de muy alta precisión donde un átomo que se mueve en una órbita de radio inferior a 1 centímetro se pesa utilizando campos eléctricos y magnéticos. «Es como pesar usando un reloj», cuenta Rodríguez. Estos isótopos se producen en reacciones de fusión-evaporación en una instalación llamada Ship situada al final de un acelerador lineal de unos 50 metros, a razón de menos de un átomo por segundo, y hay que reducir su energía en un factor de un millón para poder pesarlos.

En la tabla periódica donde se representan el número de protones (lo que define a cada elemento) frente al número de neutrones, -un elemento puede tener distinto número de neutrones, lo que da lugar a los distintos isótopos-, se ha predicho una zona en la que los núcleos sintetizados serían muy estables y a la que todavía no se ha accedido. Es la llamada isla de estabilidad entre Z=114 y Z=120. «Se llama isla porque no está unida todavía a la zona de núcleos sintetizados (el núcleo más pesado que se ha sintetizado es el Z=118)», continúa Rodríguez.

Pesar el elemento es muy importante porque se obtiene su energía de enlace. Si además se pesan otros isótopos del mismo elemento se obtienen energías de separación de neutrones. Estos datos se pueden utilizar para modelar como serían otros núcleos en esta zona.

Los resultados que se han presentado en la revista Nature constituyen las primeras medidas directas de masas de elementos más pesados que el uranio (Z=92), llamados transuránicos, 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 más de 200 isótopos los sintetizados en esta región. «La búsqueda y síntesis de estos elementos es uno de los grandes temas de la física nuclear moderna y tiene cómo motivación básica las preguntas ¿hasta qué elementos se pueden sintetizar? ¿cómo de pesados pueden ser los elementos? ¿serviría la estabilidad de estos elementos para posibles aplicaciones futuras?», explica Rodríguez.

La identificación de los transuránicos se lleva a cabo a partir de la energía de partículas alfa procedentes de decaimientos nucleares, explica el investigador español. «Dichos decaimientos van desde el núcleo padre (origen de la cadena) al núcleo hijo final (elemento estable). A partir de estas energías se suele determinar la masa si se conoce la masa del elemento final de la cadena. Este método induce errores en la determinación 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 electromagnéticas se han acoplado muy recientemente a aceleradores, y existen actualmente alrededor de una decena entre Europa, Canadá y Estados Unidos. Shiptrap es la única en el mundo acoplada a un mecanismo de producción de elementos de esta naturaleza. Precisamente, el físico español acaba de solicitar por primera vez un proyecto al Plan Nacional de I+D en el que una parte estaría dedicado al desarrollo de instrumentación para esta instalación única en su género.