Illa d'estabilitat

En física nuclear, l'illa d'estabilitat és un conjunt d'isòtops d'elements superpesants que, segons les prediccions, podrien tenir períodes de semidesintegració considerablement més llargs que els dels isòtops coneguts d'aquests mateixos elements. Això faria que determinats núclids d'alguns elements transurànics fossin molt més estables que els altres.

L'illa d'estabilitat és un conjunt hipotètic de transurànics núclids que tenen una vida mitjana radioactiva molt més gran que la dels veïns isòtops. Aquest concepte sorgeix del model en capes del nucli atòmic, en què els nucleons es veuen com a objectes quàntics que es distribueixen al nucli en nivells d'energia de manera similar als electrons dels àtoms: quan un nivell d'energia està saturat de nucleons, això confereix una estabilitat particular al nucli. Així hi hauria números màgics de protons i neutrons que assegurarien una gran estabilitat als nuclis que els componen; els nuclis que tenen un "nombre màgic" de protons i un "nombre màgic" de neutrons s'anomenen doblement màgics".

L'illa d'estabilitat estaria formada essencialment per núclids que tinguessin un nombre màgic de neutrons, fins i tot el que seria doblement màgic.

S'observa que ja hi ha una illa d'estabilitat constituïda per l'urani 238, l'urani 235 i el tori 232, la vida mitjana dels quals són molt superior a la de tots els núclids naturals o artificials que els envolten.

El concepte de l'illa d'estabilitat fou proposat per primera vegada per Glenn T. Seaborg segons una hipòtesi segons la qual el nucli atòmic està configurat en «capes», de manera similar a les capes d'electrons dels àtoms. En ambdós casos, les anomenades capes només són grups de nivells energètics quàntics que estan relativament a prop l'un de l'altre. Els nivells energètics dels estats quàntics en dues capes diferents estaran separats per un buit relativament gran d'energia. Així doncs, quan els neutrons i protons omplin completament els nivells energètics d'una determinada capa del nucli, l'energia d'enllaç nuclear per nucli assolirà un mínim local, fent que aquesta configuració particular sigui més longeva que núclids propers que no han omplert les capes.^[2]

Vida mitjana de núclids superpesants coneguts

Tots els transurànics són radioactius i els núclids més pesats que es coneixen actualment es presenten, més enllà de Z = 107 (bohri 270), un període radioactiu inferior a 10 segons:

Isòtops coneguts dels elements 100 a 118^[3]
Z	Element	Isòtop conegut més estable	Període radioactiu
100	Fermi	²⁵⁷Fm	101 dies
101	Mendelevi	²⁵⁸Md	55 dies
102	Nobeli	²⁵⁹No	58 minuts
103	Lawrenci	²⁶²Lr	3,6 hores
104	Rutherfordi	²⁶⁷Rf	1,3 hora
105	Dubni	²⁶⁸Db	16 hores
106	Seaborgi	²⁷¹Sg	1,9 minuts
107	Bohri	²⁷⁰Bh	61 segons
108	Hassi	²⁷⁷Hs	9,7 segons
109	Meitneri	²⁷⁸Mt	7,6 segons
110	Darmstadti	²⁸¹Ds	11 segons
111	Roentgeni	²⁸⁰Rg	3,6 segons
112	Copernici	²⁸⁵Cn	29 segons
113	Nihoni	²⁸⁴Nh	0,49 segons
114	Flerovi	²⁸⁹Fl	2,6 segons
115	Moscovi	²⁸⁸Mc	88 ms
116	Livermori	²⁹³Lv	61 ms
117	Tennes	²⁹⁴Ts	77,9 ms
118	Oganessó	²⁹⁴Og	0,89 ms

El descobriment de nuclis encara més pesats amb una vida mitjana més llarga seria, per tant, un pas important per entendre l'estructura del nucli atòmic.

Patró en capes i nombres màgics

El model en capes del nucli atòmic implica l'existència de "números màgics Per tipus de nucleons a causa d'una estratificació de neutrons i protons en nivells d'energia quàntica al nucli, similar al que passa amb els electrons a nivell atòmic. En aquest model, els nombres màgics corresponen a la saturació d'una capa nuclear per un tipus de nucleó, cosa que resulta en una major estabilitat de tot el nucli; aquests números són: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184.

Aquest model en capes permet en particular explicar les diferències d'energia d'enllaç nuclear observades en els àtoms en comparació amb els resultats basats en el model de la gota líquida del nucli atòmic obtinguts per la fórmula de Weizsäcker, o explicar per què el tecneci ⁴³Tc no té cap isòtop estable.

Els resultats d'aquest model porten a considerar una illa d'estabilitat al voltant del nucli ³¹⁰ 126, doblement màgic amb 126 protons i 184 neutrons. Així són els primers termes de la família dels superactínids, i en particular la primera meitat dels elements del bloc g (fins a Z ≈ 130), es diu que són isòtops significativament més estables que altres nucleids superpesants, amb una vida mitjana superior a un segon; segons la teoria relativista de camps mitjans, l'estabilitat particular d'aquests nucleids es deu a un efecte d'acoblament quàntic dels mesons ω,^[4] un dels nou anomenats "mesons" insípids.

Ubicació de l'illa d'estabilitat

Els contorns exactes d'aquesta illa d'estabilitat, però, no estan clarament establerts, ja que el nombre màgic de protons sembla més difícil de precisar en els nuclis rics en neutrons que en els nuclis més lleugers,^[5] de manera que, segons els models, la màgia s'ha de buscar el número següent a 82 (el plom) per a Z entre 114 i 126.

La teoria MM (per microscòpic-macroscòpic) suggereix buscar una illa d'estabilitat concentrada al voltant del flerovi 298, el nucli del qual amb 114 protons i 184 neutrons seria "doblement esfèric", seguint el plom 208 (82 protons, 126 neutrons), a la qual la teoria relativista del camp mitjà (RMF) suggereix una illa difusa d'estabilitat al voltant dels nuclis ³⁰⁴ Ubn, ³⁰⁶ Ubb o ³¹⁰ Ubh en funció dels paràmetres seleccionats.

La següent taula de nucleids il·lustra fins a quin punt aquests ²⁹⁸ Fl, ³⁰⁴ Ubn, ³⁰⁶ Ubb i ³¹⁰ Ubh, que es mostren emmarcats sobre un fons vermell i que se suposa que són doblement esfèrics o doblement màgics segons les teories considerades, estan lluny dels isòtops fins ara sintetitzats, que ocupen una banda bastant estreta que acaba a Oganessó 294:

Z → ↓ N	112	113	114	115	116	117	118	119	120	121	122	123	124	125	126	127
170	²⁸² Cn	²⁸³ Nh
171	²⁸³ Cn	²⁸⁴ Nh	²⁸⁵ Fl
172	²⁸⁴ Cn	²⁸⁵ Nh	²⁸⁶ Fl	²⁸⁷ Mc
173	²⁸⁵ Cn	²⁸⁶ Nh	²⁸⁷ Fl	²⁸⁸ Mc	²⁸⁹ Niv
174	²⁸⁶ Cn	²⁸⁷ Nh	²⁸⁸ Fl	²⁸⁹ Mc	²⁹⁰ Lv
175			²⁸⁹ Fl	²⁹⁰ Mc	²⁹¹ Niv
176			²⁹⁰ Fl	²⁹¹ Mc	²⁹² Niv	²⁹³ Ts	²⁹⁴ Og
177					²⁹³ Niv	²⁹⁴ Ts
178			²⁹² Fl
179
180
181
182
183
184			²⁹⁸ Fl						³⁰⁴ Ubn		³⁰⁶ Ubb				³¹⁰ Ubh
185

A més de les sensibilitats extremes que caldria assolir (de l'ordre del femtobarn, mentre que avui estem més al nivell del picobarn), tota la dificultat per produir nuclis situats a l'illot de l'estabilitat desitjada rau precisament en el fet que seria necessari tenir grans quantitats d'àtoms més lleugers molt rics en neutrons, en tot cas més rics que els que probablement es fan servir al laboratori en experiments de fusió nuclear tan avançats com els que serien necessaris per realitzeu aquest tipus d'experiment. Aquesta observació és, per descomptat, cada vegada menys certa, ja que ens dirigim a àtoms amb nombres atòmics cada vegada més alts: des del punt de vista de la relació neutró / protó, el nucli ²⁹⁸ 114 hauria de ser més difícil de produir que el nucli ³¹⁰ 126, que per altra banda hauria de requerir una sensibilitat molt més gran per ser detectat.

Aquests enfocaments basats en el nombre màgic són, no obstant això, una mica obsolets, ja que els càlculs basats en túnels mostren que, si bé aquests nuclis doblement màgics probablement serien estables a la fissió espontània, haurien de patir desintegracions α amb una vida mitjana d'uns quants microsegons.^[6]^[7]^[8] D'altra banda, el Darmstadti 293 al contrari podria estar a prop del centre d'una illa d'estabilitat relativa definida per Z entre 104 i 116 i N entre 176 i 186.

Vida útil d'aquests elements

Els articles de consum sovint mencionen períodes d'anys per a aquesta illa d'estabilitat, però l'ordre de magnitud dels nuclis amb més de cent protons no supera actualment les 16 hores per al dubnium 268, que té 105 protons i 163 neutrons; l'isòtop més estable de flerovi produït fins ara, el flerovi 289, tindria una vida mitjana de només 2,6 segons, amb 114 protons i 175 neutrons, mentre que el livermori 293 tindria una vida mitjana de només 61 mil·lisegons.

Per tant, no s'espera trobar nous núcleids amb una vida mitjana superior als pocs minuts.