Isla de estabilidad

Un diagrama del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear que muestra las medias vidas de los nuclidos superpesados medidos y predichos, ordenados por número de protones y neutrones. La ubicación prevista de la isla de estabilidad alrededor Z = 112 está rodeado.

En física nuclear, la isla de estabilidad es un conjunto predicho de isótopos de elementos superpesados que pueden tener vidas medias considerablemente más largas que los isótopos conocidos de estos elementos. Se predice que aparecerá como una "isla" en el gráfico de nucleidos, separados de los radionucleidos primordiales conocidos estables y de larga vida. Su existencia teórica se atribuye a los efectos estabilizadores de los "números mágicos" de protones y neutrones en la región de masa superpesada.

Se han hecho varias predicciones con respecto a la ubicación exacta de la isla de estabilidad, aunque generalmente se cree que se centra cerca de los isótopos de copernicio y flerovio en las cercanías de la capa de neutrones cerrada prevista en N = 184 Estos modelos sugieren fuertemente que la capa cerrada conferirá mayor estabilidad frente a la fisión y la descomposición alfa. Si bien se espera que estos efectos sean mayores cerca del número atómico Z = 114 y N = 184, se espera que la región de mayor estabilidad abarque varios elementos vecinos, y también puede haber ser islas adicionales de estabilidad alrededor de núcleos más pesados que son doblemente mágicos (que tienen números mágicos tanto de protones como de neutrones). Las estimaciones de la estabilidad de los nucleidos dentro de la isla suelen ser de una vida media de minutos o días; algunas estimaciones predicen vidas medias de millones de años.

Aunque el modelo de capa nuclear que predice números mágicos existe desde la década de 1940, la existencia de nucleidos superpesados de larga vida no ha sido definitivamente demostrada. Como el resto de elementos superpesados, los nucleidos dentro de la isla de estabilidad nunca se han encontrado en la naturaleza; por lo tanto, deben crearse artificialmente en una reacción nuclear para ser estudiados. Los científicos no han encontrado una forma de llevar a cabo tal reacción, ya que es probable que se necesiten nuevos tipos de reacciones para poblar los núcleos cerca del centro de la isla. Sin embargo, la síntesis exitosa de elementos superpesados hasta Z = 118 (oganesson) con hasta 177 neutrones demuestra un ligero efecto estabilizador alrededor de los elementos 110 a 114 que puede continuar en isótopos desconocidos, consistente con la existencia de la isla de la estabilidad.

Introducción

Estabilidad de nucleidos

Chart of half-lives of known nuclides

La composición de un nucleido (núcleo atómico) se define por el número de protones Z y el número de neutrones N, que suman el número de masa A . El número de protones Z, también llamado número atómico, determina la posición de un elemento en la tabla periódica. Los aproximadamente 3300 nucleidos conocidos se representan comúnmente en un gráfico con Z y N como ejes y la vida media de desintegración radiactiva indicada para cada nucleido inestable (ver figura). A partir de 2019, se observa que 251 nucleidos son estables (nunca se ha observado que se descompongan); en general, a medida que aumenta el número de protones, los núcleos estables tienen una mayor relación neutrón-protón (más neutrones por protón). El último elemento en la tabla periódica que tiene un isótopo estable es el plomo (Z = 82), con estabilidad (es decir, vidas medias de los isótopos de vida más larga) generalmente decreciendo en elementos más pesados, especialmente más allá curio (Z = 96). Las vidas medias de los núcleos también disminuyen cuando hay una relación neutrón-protón desequilibrada, de modo que los núcleos resultantes tienen muy pocos o demasiados neutrones para ser estables.

La estabilidad de un núcleo está determinada por su energía de enlace, una mayor energía de enlace confiere una mayor estabilidad. La energía de enlace por nucleón aumenta con el número atómico hasta una meseta amplia alrededor de A = 60, luego disminuye. Si un núcleo se puede dividir en dos partes que tienen una energía total menor (consecuencia del defecto de masa resultante de una mayor energía de enlace), es inestable. El núcleo puede mantenerse unido durante un tiempo finito porque existe una barrera potencial que se opone a la división, pero esta barrera puede cruzarse mediante un efecto túnel cuántico. Cuanto menor sea la barrera y las masas de los fragmentos, mayor será la probabilidad por unidad de tiempo de una división.

Los protones en un núcleo están unidos por la fuerza fuerte, que contrarresta la repulsión de Coulomb entre los protones cargados positivamente. En núcleos más pesados, se necesita un mayor número de neutrones sin carga para reducir la repulsión y conferir estabilidad adicional. Aun así, cuando los físicos comenzaron a sintetizar elementos que no se encuentran en la naturaleza, encontraron que la estabilidad disminuía a medida que los núcleos se volvían más pesados. Por lo tanto, especularon que la tabla periódica podría llegar a su fin. Los descubridores del plutonio (elemento 94) consideraron nombrarlo "ultimium", pensando que era el último. Tras los descubrimientos de elementos más pesados, algunos de los cuales se descomponían en microsegundos, parecía que la inestabilidad con respecto a la fisión espontánea limitaría la existencia de elementos más pesados. En 1939, se estimó un límite superior de síntesis de elementos potenciales alrededor del elemento 104 y, tras los primeros descubrimientos de elementos transactínidos a principios de la década de 1960, esta predicción de límite superior se amplió al elemento 108.

Números mágicos

Diagrama mostrando niveles energéticos de conchas de protones conocidas y predichas (izquierda y derecha muestran dos modelos diferentes). Las lagunas Z= 82, 114, 120 y 126 corresponden a cierres de conchas, que tienen configuraciones particularmente estables y por lo tanto resultan en núcleos más estables.

Ya en 1914, se sugirió la posible existencia de elementos superpesados con números atómicos muy por encima del uranio (entonces el elemento más pesado conocido), cuando el físico alemán Richard Swinne propuso que los elementos superpesados alrededor de Z = 108 eran una fuente de radiación en rayos cósmicos. Aunque no hizo ninguna observación definitiva, planteó la hipótesis en 1931 de que los elementos transuránicos alrededor de Z = 100 o Z = 108 pueden tener una vida relativamente larga y posiblemente existan en la naturaleza. En 1955, el físico estadounidense John Archibald Wheeler también propuso la existencia de estos elementos; se le atribuye el primer uso del término "elemento superpesado" en un artículo de 1958 publicado con Frederick Werner. Esta idea no atrajo gran interés hasta una década más tarde, después de las mejoras en el modelo de capa nuclear. En este modelo, el núcleo atómico se construye en "capas", de forma análoga a las capas de electrones en los átomos. Independientemente uno del otro, los neutrones y los protones tienen niveles de energía que normalmente están muy juntos, pero una vez que se llena una capa dada, se necesita mucha más energía para comenzar a llenar la siguiente. Por lo tanto, la energía de enlace por nucleón alcanza un máximo local y los núcleos con capas llenas son más estables que los que no las tienen. Esta teoría de un modelo de capa nuclear se origina en la década de 1930, pero no fue hasta 1949 que los físicos alemanes Maria Goeppert Mayer y Johannes Hans Daniel Jensen et al. ideó de forma independiente la formulación correcta.

El número de nucleones para los que se llenan las capas se llama números mágicos. Se han observado números mágicos de 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126 para los neutrones, y se prevé que el siguiente número sea 184. Los protones comparten los primeros seis de estos números mágicos, y se ha predicho que 126 es un número mágico. número de protones desde la década de 1940. Nucleidos con un número mágico de cada uno, como 16O (Z = 8, N = 8), ¹³²Sn (Z = 50, N = 82) y ²⁰⁸Pb (Z = 82, N = 126), se denominan "doblemente mágicos" y son más estables que los nucleidos cercanos como resultado de mayores energías de enlace.

A fines de la década de 1960, el físico estadounidense William Myers y el físico polaco Władysław Świątecki formularon modelos de caparazón más sofisticados, e independientemente el físico alemán Heiner Meldner (1939-2019). Con estos modelos, teniendo en cuenta la repulsión de Coulomb, Meldner predijo que el próximo número mágico de protones podría ser 114 en lugar de 126. Myers y Świątecki parecen haber acuñado el término "isla de estabilidad", y el químico estadounidense Glenn Seaborg, más tarde descubridor de muchos de los elementos superpesados, adoptó rápidamente el término y lo promovió. Myers y Świątecki también propusieron que algunos núcleos superpesados tendrían una vida más larga como consecuencia de barreras de fisión más altas. Otras mejoras en el modelo de capa nuclear del físico soviético Vilen Strutinsky condujeron a la aparición del método macroscópico-microscópico, un modelo de masa nuclear que tiene en cuenta tanto las tendencias suaves características del modelo de gota líquida como las fluctuaciones locales, como los efectos de capa. Este enfoque permitió al físico sueco Sven Nilsson et al., así como a otros grupos, realizar los primeros cálculos detallados de la estabilidad de los núcleos dentro de la isla. Con la aparición de este modelo, Strutinsky, Nilsson y otros grupos defendieron la existencia del nucleido doblemente mágico ²⁹⁸Fl (Z = 114, N = 184), en lugar de ³¹⁰Ubh (Z = 126, N = 184) que se predijo que sería doblemente mágico ya 1957. Posteriormente, las estimaciones del número mágico de protones han oscilado entre 114 y 126, y todavía no hay consenso.

Descubrimientos

El interés en una posible isla de estabilidad creció a lo largo de la década de 1960, ya que algunos cálculos sugirieron que podría contener nucleidos con vidas medias de miles de millones de años. También se predijo que serían especialmente estables frente a la fisión espontánea a pesar de su alta masa atómica. Se pensó que si tales elementos existen y tienen una vida suficientemente larga, puede haber varias aplicaciones novedosas como consecuencia de sus propiedades nucleares y químicas. Estos incluyen el uso en aceleradores de partículas como fuentes de neutrones, en armas nucleares como consecuencia de sus bajas masas críticas previstas y el alto número de neutrones emitidos por fisión, y como combustible nuclear para impulsar misiones espaciales. Estas especulaciones llevaron a muchos investigadores a realizar búsquedas de elementos superpesados en las décadas de 1960 y 1970, tanto en la naturaleza como a través de la nucleosíntesis en aceleradores de partículas.

Durante la década de 1970, se realizaron muchas búsquedas de núcleos superpesados de larga duración. En laboratorios de todo el mundo se llevaron a cabo experimentos destinados a sintetizar elementos con números atómicos que oscilaban entre 110 y 127. Estos elementos se buscaron en reacciones de fusión-evaporación, en las que un objetivo pesado hecho de un nucleido es irradiado por iones acelerados de otro en un ciclotrón, y se producen nuevos nucleidos después de que estos núcleos se fusionan y el sistema excitado resultante libera energía al evaporar varias partículas. (generalmente protones, neutrones o partículas alfa). Estas reacciones se dividen en "fría" y "caliente" fusión, que respectivamente crean sistemas con energías de excitación más bajas y más altas; esto afecta el rendimiento de la reacción. Por ejemplo, se esperaba que la reacción entre ²⁴⁸Cm y ⁴⁰Ar produjera isótopos del elemento 114, y que entre ²³²Th y ^{Se esperaba que 84}Kr produjera isótopos del elemento 126. Ninguno de estos intentos tuvo éxito, lo que indica que tales experimentos pueden haber sido insuficientemente sensibles si las secciones transversales de la reacción eran bajas, lo que da como resultado rendimientos más bajos, o que cualquier núcleo accesible a través de tales las reacciones de fusión-evaporación pueden ser demasiado breves para su detección. Los experimentos exitosos posteriores revelan que las vidas medias y las secciones transversales disminuyen con el aumento del número atómico, lo que da como resultado la síntesis de solo unos pocos átomos de vida corta de los elementos más pesados en cada experimento; a partir de 2022, la sección transversal más alta registrada para un nucleido superpesado cerca de la isla de estabilidad es de ²⁸⁸Mc en la reacción entre ²⁴³Am y ⁴⁸ Ca.

Búsquedas similares en la naturaleza tampoco tuvieron éxito, lo que sugiere que si existen elementos superpesados en la naturaleza, su abundancia es inferior a 10⁻¹⁴ moles de elementos superpesados por mol de mineral. A pesar de estos intentos fallidos de observar núcleos superpesados de larga duración, cada pocos años se sintetizaron nuevos elementos superpesados en los laboratorios a través del bombardeo de iones ligeros y reacciones de fusión fría; el rutherfordio, la primera transactínida, se descubrió en 1969, y el copernicio, ocho protones más cerca de la isla de estabilidad predicha en Z = 114, se alcanzó en 1996. Aunque las vidas medias de estos núcleos son muy breve (del orden de segundos), la existencia misma de elementos más pesados que el rutherfordio es indicativa de efectos estabilizadores que se cree que son causados por capas cerradas; un modelo que no considere tales efectos prohibiría la existencia de estos elementos debido a la rápida fisión espontánea.

Flerovium, con los esperados 114 protones mágicos, fue sintetizado por primera vez en 1998 en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna, Rusia, por un grupo de físicos dirigido por Yuri Oganessian. Se detectó un solo átomo del elemento 114, con una vida útil de 30,4 segundos, y sus productos de descomposición tenían vidas medias medibles en minutos. Debido a que los núcleos producidos sufrieron desintegración alfa en lugar de fisión, y las vidas medias fueron varios órdenes de magnitud más largas que las predichas u observadas previamente para los elementos superpesados, este evento se consideró un "ejemplo de libro de texto" de una cadena de descomposición característica de la isla de estabilidad, proporcionando una fuerte evidencia de la existencia de la isla de estabilidad en esta región. Aunque la cadena original de 1998 no se volvió a observar y su asignación sigue siendo incierta, otros experimentos exitosos en las próximas dos décadas llevaron al descubrimiento de todos los elementos hasta oganesson, cuyas vidas medias superaron los valores predichos inicialmente; estas propiedades de descomposición respaldan aún más la presencia de la isla de estabilidad. Sin embargo, un estudio de 2021 sobre las cadenas de desintegración de los isótopos de flerovio sugiere que no hay un fuerte efecto estabilizador de Z = 114 en la región de los núcleos conocidos (N = 174), y esa estabilidad adicional sería predominantemente una consecuencia del cierre de la capa de neutrones. Aunque los núcleos conocidos todavía tienen varios neutrones por debajo de N = 184, donde se espera la máxima estabilidad (los núcleos confirmados más ricos en neutrones, ²⁹³Lv y ²⁹⁴Ts, solo alcance N = 177), y la ubicación exacta del centro de la isla permanece desconocida, se ha demostrado la tendencia de estabilidad creciente más cerca de N = 184. Por ejemplo, el isótopo ²⁸⁵Cn, con ocho neutrones más que ²⁷⁷Cn, tiene una vida media casi cinco órdenes de magnitud mayor. Se espera que esta tendencia continúe hacia isótopos más pesados desconocidos en las cercanías del cierre de la cubierta.

Núcleos deformados

Un resumen de cadenas de decaimiento observadas en...Z elementos superheávidos, incluidas asignaciones provisionales en las cadenas 3, 5 y 8. Existe una tendencia general de aumentar la estabilidad de los isótopos con un mayor exceso de neutrones (N−Z, la diferencia en el número de protones y neutrones), especialmente en los elementos 110, 112 y 114, lo que sugiere fuertemente que el centro de la isla de estabilidad se encuentra entre isótopos aún más pesados.

Aunque se prevé que los núcleos dentro de la isla de estabilidad alrededor de N = 184 sean esféricos, los estudios de principios de la década de 1990, comenzando con los físicos polacos Zygmunt Patyk y Adam Sobiczewski en 1991, sugieren que algunos elementos superpesados no tienen núcleos perfectamente esféricos. Un cambio en la forma del núcleo cambia la posición de los neutrones y protones en la capa. Las investigaciones indican que los núcleos grandes más alejados de los números mágicos esféricos se deforman, lo que hace que los números mágicos se desplacen o que aparezcan nuevos números mágicos. La investigación teórica actual indica que en la región Z = 106–108 y N ≈ 160–164, los núcleos pueden ser más resistentes a la fisión como consecuencia de los efectos de capa para los núcleos deformados.; por lo tanto, tales núcleos superpesados solo sufrirían una desintegración alfa. Ahora se cree que el Hassium-270 es un núcleo deformado doblemente mágico, con números mágicos deformados Z = 108 y N = 162. Tiene una vida media de 9 segundos. Esto es coherente con los modelos que tienen en cuenta la naturaleza deformada de los núcleos intermedios entre los actínidos y la isla de estabilidad cerca de N = 184, en los que se establece una "península" emerge en números mágicos deformados Z = 108 y N = 162. La determinación de las propiedades de descomposición de los isótopos vecinos de hassio y seaborgio cerca de N = 162 proporciona más pruebas sólidas de esta región de estabilidad relativa en núcleos deformados. Esto también sugiere fuertemente que la isla de estabilidad (para núcleos esféricos) no está completamente aislada de la región de núcleos estables, sino que ambas regiones están unidas a través de un istmo de núcleos deformados relativamente estables.

Propiedades de descomposición previstas

Un diagrama que representa modos de desintegración predichos de núcleos superheávidos, con núcleos observados dados contornos negros. Los núcleos más deficientes de neutrones, así como aquellos inmediatamente más allá del cierre de la cáscara N= 184 se predicen a someterse predominantemente a fisión espontánea (SF), mientras que la decaimiento alfa (α) puede dominar en núcleos deficientes de neutrones más cerca de la isla, y las ramas significativas de decaimiento beta (β) o captura de electrones (EC) pueden aparecer más cerca del centro de la isla alrededor ²⁹¹Cn y ²⁹³Cn.

Se desconocen las vidas medias de los núcleos en la propia isla de estabilidad, ya que ninguno de los nucleidos que estarían "en la isla" han sido observados. Muchos físicos creen que la vida media de estos núcleos es relativamente corta, del orden de minutos o días. Algunos cálculos teóricos indican que sus vidas medias pueden ser largas, del orden de 100 años, o posiblemente hasta 10⁹ años.

Se predice que el cierre de la capa en N = 184 dará como resultado vidas medias parciales más prolongadas para la descomposición alfa y la fisión espontánea. Se cree que el cierre del caparazón dará como resultado barreras de fisión más altas para los núcleos alrededor de ²⁹⁸Fl, lo que obstaculizará fuertemente la fisión y quizás resulte en vidas medias de fisión 30 órdenes de magnitud mayores que las de los núcleos no afectados por el caparazón. cierre. Por ejemplo, el isótopo deficiente en neutrones ²⁸⁴Fl (con N = 170) sufre una fisión con una vida media de 2,5 milisegundos, y se cree que es uno de los más nucleidos deficientes en neutrones con mayor estabilidad en las proximidades del cierre de la capa N = 184. Más allá de este punto, se prevé que algunos isótopos no descubiertos sufran fisión con vidas medias aún más cortas, lo que limita la existencia y la posible observación de núcleos superpesados lejos de la isla de estabilidad (es decir, para N < 170 también como para Z > 120 y N > 184). Estos núcleos pueden experimentar desintegración alfa o fisión espontánea en microsegundos o menos, con algunas vidas medias de fisión estimadas en el orden de 10⁻²⁰ segundos en ausencia de barreras de fisión. Por el contrario, ²⁹⁸Fl (que se prevé que se encuentre dentro de la región de máximos efectos de capa) puede tener una vida media de fisión espontánea mucho más larga, posiblemente del orden de 10¹⁹ años..

En el centro de la isla, puede haber competencia entre la descomposición alfa y la fisión espontánea, aunque la proporción exacta depende del modelo. Las vidas medias de desintegración alfa de 1700 núcleos con 100 ≤ Z ≤ 130 se han calculado en un modelo de tunelización cuántica con valores Q experimentales y teóricos de desintegración alfa, y están de acuerdo con las vidas medias observadas para algunos de los isótopos más pesados.

También se prevé que los nucleidos de vida más larga se encuentren en la línea de estabilidad beta, ya que se prevé que la desintegración beta compita con los otros modos de desintegración cerca del centro previsto de la isla, especialmente para los isótopos de los elementos 111–115. A diferencia de otros modos de desintegración predichos para estos nucleidos, la desintegración beta no cambia el número de masa. En cambio, un neutrón se convierte en un protón o viceversa, produciendo una isobara adyacente más cercana al centro de estabilidad (la isobara con el exceso de masa más bajo). Por ejemplo, pueden existir ramificaciones de desintegración beta significativas en nucleidos como ²⁹¹Fl y ²⁹¹Nh; estos núclidos tienen solo unos pocos neutrones más que los núclidos conocidos, y podrían desintegrarse a través de una "vía estrecha" hacia el centro de la isla de estabilidad. El posible papel de la desintegración beta es muy incierto, ya que se predice que algunos isótopos de estos elementos (como ²⁹⁰Fl y ²⁹³Mc) tienen vidas medias parciales más cortas para alfa decadencia. La desintegración beta reduciría la competencia y daría como resultado que la desintegración alfa siguiera siendo el canal de desintegración dominante, a menos que exista una estabilidad adicional hacia la desintegración alfa en los isómeros superdeformados de estos nucleidos.

Este gráfico de modos de desintegración predicho, derivado de la investigación teórica del Organismo de Energía Atómica de Japón, predice el centro de la isla de estabilidad alrededor ²⁹⁴Ds; sería la más larga vida de varios nuclidos relativamente largos, principalmente sometidos a decaimiento alfa (circled). Esta es la región donde la línea beta-estabilidad cruza la región estabilizada por el cierre de la cáscara N= 184. A la izquierda y a la derecha, las semividas disminuyen a medida que la fisión se convierte en el modo de decadencia dominante, consistente con otros modelos.

Teniendo en cuenta todos los modos de desintegración, varios modelos indican un desplazamiento del centro de la isla (es decir, el nucleido de mayor vida) de ²⁹⁸Fl a un número atómico más bajo, y competencia entre la desintegración alfa y fisión espontánea en estos nucleidos; estos incluyen vidas medias de 100 años para ²⁹¹Cn y ²⁹³Cn, una vida media de 1000 años para ²⁹⁶Cn, una vida media de 300- vida media de un año para ²⁹⁴Ds, y una vida media de 3500 años para ²⁹³Ds, con ²⁹⁴Ds y ²⁹⁶Cn exactamente en el cierre de la carcasa N = 184. También se ha postulado que esta región de estabilidad mejorada para elementos con 112 ≤ Z ≤ 118 puede ser una consecuencia de la deformación nuclear, y que el verdadero centro de la isla de estabilidad para núcleos superpesados esféricos se encuentra alrededor de ³⁰⁶Ubb (Z = 122, N = 184). Este modelo define la isla de estabilidad como la región con la mayor resistencia a la fisión en lugar de la vida media total más larga; todavía se predice que el nucleido ³⁰⁶Ubb tiene una vida media corta con respecto a la desintegración alfa. La isla de estabilidad de los núcleos esféricos también puede ser un "arrecife de coral" (es decir, una amplia región de mayor estabilidad sin un 'pico' claro) alrededor de N = 184 y 114 ≤ Z ≤ 120, con vidas medias disminuyendo rápidamente a un número atómico más alto, debido a los efectos combinados de los cierres de capa de protones y neutrones.

Los físicos rumanos Dorin N. Poenaru y Radu A. Gherghescu y el físico alemán Walter Greiner propusieron que otro modo de decaimiento potencialmente significativo para los elementos superpesados más pesados era el decaimiento de cúmulos. Se espera que su proporción de ramificación en relación con la desintegración alfa aumente con el número atómico, de modo que pueda competir con la desintegración alfa alrededor de Z = 120, y quizás se convierta en el modo de desintegración dominante para los nucleidos más pesados alrededor de Z = 124. Como tal, se espera que desempeñe un papel más importante más allá del centro de la isla de estabilidad (aunque todavía está influenciado por los efectos de capa), a menos que el centro de la isla se encuentre en un número atómico más alto que el previsto.

Posible ocurrencia natural

Aunque las vidas medias de cientos o miles de años serían relativamente largas para los elementos superpesados, son demasiado cortas para que tales nucleidos existan primordialmente en la Tierra. Además, la inestabilidad de los núcleos intermedios entre los actínidos primordiales (232Th, 235U y 238U) y la isla de estabilidad pueden inhibir la producción de núcleos dentro de la isla en la nucleosíntesis del proceso r. Varios modelos sugieren que la fisión espontánea será el modo de descomposición dominante de los núcleos con A > 280, y que la fisión inducida por neutrones o beta retardada (respectivamente, la captura de neutrones y la desintegración beta seguida inmediatamente por la fisión) se convertirán en los principales canales de reacción. Como resultado, la desintegración beta hacia la isla de estabilidad solo puede ocurrir dentro de un camino muy estrecho o puede estar completamente bloqueada por la fisión, lo que impide la síntesis de nucleidos dentro de la isla. Se cree que la no observación de nucleidos superpesados como ²⁹²Hs y ²⁹⁸Fl en la naturaleza es consecuencia de un bajo rendimiento en el r -proceso resultante de este mecanismo, así como vidas medias demasiado cortas para permitir que cantidades medibles persistan en la naturaleza. Varios estudios que utilizan espectroscopía de masas con acelerador y centelleadores de cristal han informado límites superiores de la abundancia natural de tales núcleos superpesados de larga vida en el orden de 10⁻¹⁴ en relación con sus homólogos estables.

A pesar de estos obstáculos para su síntesis, un estudio de 2013 publicado por un grupo de físicos rusos dirigido por Valeriy Zagrebaev propone que los isótopos de copernicio de vida más larga pueden ocurrir en una abundancia de 10⁻¹² en relación con plomo, por lo que pueden ser detectables en los rayos cósmicos. De manera similar, en un experimento de 2013, un grupo de físicos rusos dirigido por Aleksandr Bagulya informó la posible observación de tres núcleos superpesados cosmogénicos en cristales de olivino en meteoritos. Se estimó que el número atómico de estos núcleos estaba entre 105 y 130, con un núcleo probablemente limitado entre 113 y 129, y se estimó que su vida útil era de al menos 3000 años. Aunque esta observación aún debe confirmarse en estudios independientes, sugiere fuertemente la existencia de la isla de estabilidad y es consistente con los cálculos teóricos de las vidas medias de estos nucleidos.

Posibles síntesis y dificultades

Representación tridimensional de la isla de estabilidad alrededor de N = 178 y Z = 112

La fabricación de núcleos en la isla de estabilidad resulta muy difícil porque los núcleos disponibles como materiales de partida no entregan la suma necesaria de neutrones. Los haces de iones radiactivos (como ⁴⁴S) en combinación con objetivos de actínidos (como ²⁴⁸Cm) pueden permitir la producción de más núcleos ricos en neutrones más cerca del centro de la isla. de estabilidad, aunque tales haces no están actualmente disponibles en las intensidades requeridas para realizar tales experimentos. Varios isótopos más pesados, como ²⁵⁰Cm y ²⁵⁴Es, aún pueden usarse como objetivos, lo que permite la producción de isótopos con uno o dos neutrones más que los isótopos conocidos, aunque la producción de varios miligramos de estos raros isótopos para crear un objetivo es difícil. También puede ser posible probar canales de reacción alternativos en las mismas reacciones de fusión-evaporación inducidas por 48Ca que pueblan los isótopos conocidos más ricos en neutrones, a saber, pxn y αxn (emisión de un protón o partícula alfa, respectivamente, seguida de varios canales de neutrones). Esto puede permitir la síntesis de isótopos de los elementos 111–117 enriquecidos con neutrones. Aunque las secciones transversales previstas son del orden de 1 a 900 fb, más pequeñas que las de los canales xn (solo emisión de neutrones), todavía es posible generar isótopos de elementos superpesados que de otro modo serían inalcanzables en estas reacciones. Algunos de estos isótopos más pesados (como ²⁹¹Mc, ²⁹¹Fl y ²⁹¹Nh) también pueden sufrir captura de electrones (convertir un protón en un neutrón), además de la desintegración alfa con vidas medias relativamente largas, que se descomponen en núcleos como ²⁹¹Cn que se predice que se encuentran cerca del centro de la isla de estabilidad. Sin embargo, esto sigue siendo en gran medida hipotético, ya que aún no se han sintetizado núcleos superpesados cerca de la línea de estabilidad beta y las predicciones de sus propiedades varían considerablemente entre los diferentes modelos.

El proceso de captura de neutrones lentos que se usa para producir nucleidos tan pesados como ²⁵⁷Fm está bloqueado por isótopos de fermio de vida corta que experimentan una fisión espontánea (por ejemplo, ²⁵⁸ Fm tiene una vida media de 370 µs); esto se conoce como la "brecha de fermio" e impide la síntesis de elementos más pesados en tal reacción. Podría ser posible eludir esta brecha, así como otra región predicha de inestabilidad alrededor de A = 275 y Z = 104–108, en una serie de explosiones nucleares controladas con un flujo de neutrones más alto (unas mil veces mayor que los flujos en los reactores existentes) que imita el proceso r astrofísico. Propuesta por primera vez en 1972 por Meldner, tal reacción podría permitir la producción de cantidades macroscópicas de elementos superpesados dentro de la isla de estabilidad; el papel de la fisión en nucleidos superpesados intermedios es muy incierto y puede influir fuertemente en el rendimiento de tal reacción.

Este gráfico de nuclidos utilizados por el Organismo de Energía Atómica de Japón muestra modos de desintegración conocidos (recuadro) y predichos de núcleos hasta Z= 149 y N= 256. Las regiones de mayor estabilidad son visibles en torno a los cierres previstos de los proyectiles N= 184²⁹⁴D-²⁹⁸Fl) and N= 228³⁵⁴126), separado por una brecha de núcleos de fisión de corta duración (t_1/21 ns; no coloreado en el gráfico).

También es posible generar isótopos en la isla de estabilidad como ²⁹⁸Fl en reacciones de transferencia de múltiples nucleones en colisiones de baja energía de núcleos de actínidos (como ²³⁸U y ²⁴⁸Cm). Este mecanismo de cuasifisión inversa (fusión parcial seguida de fisión, con un alejamiento del equilibrio de masas que da como resultado productos más asimétricos) puede proporcionar un camino hacia la isla de estabilidad si los efectos de capa alrededor de Z = 114 son suficientemente Se prevé que los elementos fuertes, aunque más ligeros, como el nobelio y el seaborgio (Z = 102–106) tengan mayores rendimientos. Los estudios preliminares de las reacciones de transferencia de ²³⁸U + ²³⁸U y ²³⁸U + ²⁴⁸Cm no han logrado producir elementos más pesado que el mendelevio (Z = 101), aunque el mayor rendimiento en la última reacción sugiere que el uso de objetivos aún más pesados como ²⁵⁴Es (si están disponibles) puede permitir la producción de elementos superpesados. Este resultado está respaldado por un cálculo posterior que sugiere que el rendimiento de nucleidos superpesados (con Z ≤ 109) probablemente será mayor en las reacciones de transferencia que utilizan objetivos más pesados. Un estudio de 2018 de la reacción ²³⁸U + ²³²Th en el Texas A&M Cyclotron Institute realizado por Sara Wuenschel et al. encontró varias desintegraciones alfa desconocidas que posiblemente se pueden atribuir a nuevos isótopos ricos en neutrones de elementos superpesados con 104 < Z < 116, aunque se requiere más investigación para determinar sin ambigüedades el número atómico de los productos. Este resultado sugiere fuertemente que los efectos de capa tienen una influencia significativa en las secciones transversales y que la isla de estabilidad posiblemente podría alcanzarse en futuros experimentos con reacciones de transferencia.

Otras islas de estabilidad

Más cierres de conchas más allá de la isla principal de estabilidad en la vecindad de Z = 112–114 pueden dar lugar a islas de estabilidad adicionales. Aunque las predicciones sobre la ubicación de los próximos números mágicos varían considerablemente, se cree que existen dos islas importantes alrededor de núcleos doblemente mágicos más pesados; el primero cerca de ³⁵⁴126 (con 228 neutrones) y el segundo cerca de ⁴⁷²164 o ⁴⁸²164 (con 308 o 318 neutrones). Los nucleidos dentro de estas dos islas de estabilidad podrían ser especialmente resistentes a la fisión espontánea y tener vidas medias de desintegración alfa medibles en años, por lo que tienen una estabilidad comparable a los elementos en la vecindad del flerovium. También pueden aparecer otras regiones de estabilidad relativa con cierres de capa de protones más débiles en nucleidos estables beta; tales posibilidades incluyen regiones cercanas a ³⁴²126 y ⁴⁶²154. Una repulsión electromagnética sustancialmente mayor entre protones en núcleos tan pesados puede reducir en gran medida su estabilidad y posiblemente restringir su existencia a islas localizadas en las proximidades de los efectos de capa. Esto puede tener la consecuencia de aislar estas islas del cuadro principal de nucleidos, como nucleidos intermedios y quizás elementos en un "mar de inestabilidad" rápidamente se fisionaría y esencialmente sería inexistente. También es posible que más allá de una región de estabilidad relativa alrededor del elemento 126, los núcleos más pesados se encuentren más allá de un umbral de fisión dado por el modelo de gota de líquido y, por lo tanto, sufran fisión con vidas muy cortas, haciéndolos esencialmente inexistentes incluso en la vecindad de números mágicos más grandes..

También se ha postulado que en la región más allá de A > 300, todo un "continente de estabilidad" que consiste en una fase hipotética de materia estable de quarks, que comprende quarks que fluyen libremente hacia arriba y hacia abajo en lugar de quarks unidos a protones y neutrones. Se teoriza que tal forma de materia es un estado fundamental de materia bariónica con una mayor energía de enlace por barión que la materia nuclear, lo que favorece la descomposición de la materia nuclear más allá de este umbral de masa en materia de quarks. Si este estado de la materia existe, posiblemente podría sintetizarse en las mismas reacciones de fusión que conducen a núcleos superpesados normales, y se estabilizaría contra la fisión como consecuencia de su unión más fuerte que es suficiente para superar la repulsión de Coulomb.