Isótopos de copernicio

El copernicio (₁₁₂Cn) es un elemento sintético y, por lo tanto, no se puede dar un peso atómico estándar. Como todos los elementos sintéticos, no tiene isótopos estables. El primer isótopo que se sintetizó fue el ²⁷⁷Cn en 1996. Hay seis radioisótopos conocidos (uno más sin confirmar); el isótopo de vida más larga es el ²⁸⁵Cn con una vida media de 30 segundos.

Lista de isótopos

Isótopos y propiedades nucleares

Nucleosíntesis

Los elementos superpesados como el copernicio se producen bombardeando elementos más ligeros en aceleradores de partículas que inducen reacciones de fusión. Mientras que la mayoría de los isótopos del copernicio se pueden sintetizar directamente de esta manera, algunos de los más pesados sólo se han observado como productos de desintegración de elementos con números atómicos más altos.

Dependiendo de las energías involucradas, las primeras se separan en energías "calientes" y "frío". En las reacciones de fusión en caliente, se aceleran proyectiles muy ligeros y de alta energía hacia objetivos muy pesados, como los actínidos, dando lugar a núcleos compuestos con una alta energía de excitación (~40–50 MeV) que pueden fisionarse o evaporarse varios (3 a 5) neutrones. En las reacciones de fusión fría, los núcleos fusionados producidos tienen una energía de excitación relativamente baja (~10–20 MeV), lo que disminuye la probabilidad de que estos productos sufran reacciones de fisión. A medida que los núcleos fusionados se enfrían hasta el estado fundamental, requieren la emisión de sólo uno o dos neutrones y, por lo tanto, permiten la generación de más productos ricos en neutrones. Este último es un concepto distinto de aquel en el que se afirma que la fusión nuclear se logra en condiciones de temperatura ambiente (ver fusión fría).

La siguiente tabla contiene varias combinaciones de objetivos y proyectiles que podrían usarse para formar núcleos compuestos con Z = 112.

Fusión fría

La primera reacción de fusión fría para producir copernicio fue realizada por GSI en 1996, quien informó la detección de dos cadenas de desintegración de copernicio-277.

20882P b + 7030Zn → ²⁷⁷
₁₁₂Cn
+ n

En una revisión de los datos en 2000, se retrajo la primera cadena de desintegración. Al repetir la reacción del año 2000, pudieron sintetizar otro átomo. Intentaron medir la función de excitación 1n en 2002, pero sufrieron una falla en el haz de zinc-70. El descubrimiento no oficial del copernicio-277 se confirmó en 2004 en RIKEN, donde los investigadores detectaron otros dos átomos del isótopo y pudieron confirmar los datos de desintegración de toda la cadena. Esta reacción también se había probado anteriormente en 1971 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna, Rusia, en un esfuerzo por producir ²⁷⁶Cn en el canal 2n, pero sin éxito.

Después de la síntesis exitosa de copernicio-277, el equipo de GSI realizó una reacción usando un proyectil ⁶⁸Zn en 1997 en un esfuerzo por estudiar el efecto del isospin (riqueza de neutrones) en el rendimiento químico.

20882P b + 6830Zn → ^{276 - x}
₁₁₂Cn
+ n

El experimento se inició tras el descubrimiento de una mejora del rendimiento durante la síntesis de isótopos de darmstadtio utilizando iones de níquel-62 y níquel-64. No se detectaron cadenas de desintegración de copernicio-275, lo que llevó a un límite de sección transversal de 1,2 picobarn (pb). Sin embargo, la revisión del rendimiento de la reacción de zinc-70 a 0,5 pb no descarta un rendimiento similar para esta reacción.

En 1990, después de algunos primeros indicios de la formación de isótopos de copernicio en la irradiación de un objetivo de tungsteno con protones multi-GeV, una colaboración entre GSI y la Universidad Hebrea estudió la reacción anterior.

18474 W + 8838Sr → ^{272 - x}
₁₁₂Cn
+ n

Pudieron detectar cierta actividad de fisión espontánea (SF) y una desintegración alfa de 12,5 MeV, las cuales asignaron tentativamente al producto de captura radiativa copernicio-272 o al residuo de evaporación 1n copernicio-271. Tanto el TWG como el JWP han llegado a la conclusión de que se necesita mucha más investigación para confirmar estas conclusiones.

Fusión caliente

En 1998, el equipo del Laboratorio Flerov de Investigación Nuclear (FLNR) en Dubna, Rusia, inició un programa de investigación utilizando núcleos de calcio-48 en atmósferas "cálidas". reacciones de fusión que conducen a elementos superpesados. En marzo de 1998 afirmaron haber sintetizado dos átomos del elemento en la siguiente reacción.

23892U + 4820Ca → ^{286 - x}
₁₁₂Cn
+ n (x=3,4)

El producto, copernicio-283, tenía una vida media afirmada de 5 minutos y se descomponía por fisión espontánea.

La larga vida media del producto inició los primeros experimentos químicos sobre la química atómica del copernicio en fase gaseosa. En 2000, Yuri Yukashev en Dubna repitió el experimento pero no pudo observar ningún evento de fisión espontánea con una vida media de 5 minutos. El experimento se repitió en 2001 y en la sección de baja temperatura se encontró una acumulación de ocho fragmentos resultantes de una fisión espontánea, lo que indica que el copernicio tenía propiedades similares a las del radón. Sin embargo, actualmente existen serias dudas sobre el origen de estos resultados. Para confirmar la síntesis, el mismo equipo repitió con éxito la reacción en enero de 2003, confirmando el modo de desintegración y la vida media. También pudieron calcular una estimación de la masa de la actividad de fisión espontánea en ~285, lo que respalda la tarea.

El equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) en Berkeley, Estados Unidos, entró en el debate y realizó la reacción en 2002. No pudieron detectar ninguna fisión espontánea y calcularon un límite de sección transversal de 1,6 pb para la detección de una Evento único.

La reacción fue repetida en 2003-2004 por el equipo de Dubna utilizando una configuración ligeramente diferente, el Separador de Retroceso Lleno de Gas de Dubna (DGFRS). Esta vez, se descubrió que el copernicio-283 se desintegraba mediante la emisión de una partícula alfa de 9,53 MeV con una vida media de 4 segundos. También se observó copernicio-282 en el canal 4n (que emite 4 neutrones).

En 2003, el equipo de GSI entró en el debate y realizó una búsqueda de la actividad SF de cinco minutos en experimentos químicos. Al igual que el equipo de Dubna, pudieron detectar siete fragmentos de SF en la sección de baja temperatura. Sin embargo, estos eventos de SF no estaban correlacionados, lo que sugiere que no eran de SF directo real de los núcleos de copernicio y plantearon dudas sobre las indicaciones originales de las propiedades similares al radón. Después del anuncio desde Dubna de diferentes propiedades de desintegración del copernicio-283, el equipo de GSI repitió el experimento en septiembre de 2004. No pudieron detectar ningún evento SF y calcularon un límite de sección transversal de ~1,6 pb para la detección de un evento, no en contradicción con el rendimiento de 2,5 pb informado por el equipo de Dubna.

En mayo de 2005, el GSI realizó un experimento físico e identificó un único átomo de ²⁸³Cn que se descompone por el SF con un tiempo medio corto, lo que sugiere una rama del SF previamente desconocida. Sin embargo, el trabajo inicial del equipo de Dubna detectó varios eventos SF directos, pero asumió que se había pasado por alto la desintegración alfa original. Estos resultados indicaron que este no era el caso.

Los nuevos datos sobre la desintegración del copernicio-283 fueron confirmados en 2006 mediante un experimento conjunto entre PSI y FLNR destinado a investigar las propiedades químicas del copernicio. Se observaron dos átomos de copernicio-283 en la desintegración de los núcleos originales de flerovio-287. El experimento indicó que, a diferencia de experimentos anteriores, el copernicio se comporta como un miembro típico del grupo 12, demostrando propiedades de un metal volátil.

Finalmente, el equipo de GSI repitió con éxito su experimento físico en enero de 2007 y detectó tres átomos de copernicio-283, confirmando los modos de desintegración alfa y SF.

Como tal, la actividad SF de 5 minutos aún no está confirmada ni identificada. Es posible que se refiera a un isómero, concretamente el copernicio-283b, cuyo rendimiento depende de los métodos exactos de producción. También es posible que sea el resultado de una rama de captura de electrones en ²⁸³Cn que conduce a ²⁸³Rg, lo que requeriría una reasignación de su padre a ²⁸⁷Nh (la hija de captura de electrones de ²⁸⁷Fl).

23392U + 4820Ca → ^{281 - x}
₁₁₂Cn
+ n

El equipo del FLNR estudió esta reacción en 2004. No pudieron detectar ningún átomo de copernicio y calcularon un límite de sección transversal de 0,6 pb. El equipo concluyó que esto indicaba que el número de masa de neutrones del núcleo compuesto tiene un efecto sobre el rendimiento de los residuos de evaporación.

Productos de descomposición

Se ha observado que el copernicio es producto de la descomposición del flerovium. Flerovium tiene actualmente siete isótopos conocidos, de los cuales se ha demostrado que todos menos uno (el más ligero, ²⁸⁴Fl) sufren desintegraciones alfa para convertirse en núcleos de copernicio, con números de masa entre 281 y 286. Isótopos de copernicio con masa Los números 281, 284, 285 y 286 hasta la fecha solo han sido producidos por la desintegración de los núcleos de flerovium. Los núcleos de flerovium parentales pueden ser en sí mismos productos de descomposición delivermorium u oganesson.

Por ejemplo, en mayo de 2006, el equipo de Dubna (JINR) identificó el copernicio-282 como un producto final en la desintegración del oganesson mediante la secuencia de desintegración alfa. Se descubrió que el núcleo final sufre una fisión espontánea.

²⁹⁴
₁₁₈Og
→ ²⁹⁰
₁₁₆Lv
+ ⁴
₂Él

²⁹⁰
₁₁₆Lv
→ ²⁸⁶
₁₁₄Fl
+ ⁴
₂Él

²⁸⁶
₁₁₄Fl
→ ²⁸²
₁₁₂Cn
+ ⁴
₂Él

En la síntesis reivindicada de oganesson-293 en 1999, se identificó que el copernicio-281 se desintegraba mediante la emisión de una partícula alfa de 10,68 MeV con una vida media de 0,90 ms. La afirmación fue retractada en 2001. Este isótopo finalmente se creó en 2010 y sus propiedades de desintegración contradecían los datos anteriores.

Isomería nuclear

Los primeros experimentos sobre la síntesis de ²⁸³Cn produjeron una actividad SF con una vida media de ~5 min. Esta actividad también se observó en la desintegración alfa del flerovio-287. El modo de desintegración y la vida media también se confirmaron al repetir el primer experimento. Posteriormente, se observó que el copernicio-283 experimentaba una desintegración alfa de 9,52 MeV y un SF con una vida media de 3,9 s. También se ha descubierto que la desintegración alfa del copernicio-283 conduce a diferentes estados excitados del darmstadtio-279. Estos resultados sugieren la asignación de las dos actividades a dos niveles isoméricos diferentes en copernicio-283, creando copernicio-283a y copernicio-283b. Este resultado también puede deberse a una ramificación por captura de electrones del ²⁸⁷Fl principal a ²⁸⁷Nh, de modo que la actividad de mayor duración se asignaría a ²⁸³ Rg.

El copernicio-285 solo se ha observado como producto de la descomposición de flerovium-289 ylivermorium-293; Durante la primera síntesis registrada de flerovium, se creó un flerovium-289, que desintegró alfa a copernicio-285, que a su vez emitió una partícula alfa en 29 segundos, liberando 9,15 o 9,03 MeV. Sin embargo, en el primer experimento para sintetizar con éxito ellivermorium, cuando se creó ellivermorium-293, se demostró que el nucleido alfa creado se descompuso en flerovium-289, cuyos datos de desintegración diferían significativamente de los valores conocidos. Aunque no está confirmado, es muy posible que esto esté asociado con un isómero. El nucleido resultante se descompuso en copernicio-285, que emitió una partícula alfa con una vida media de alrededor de 10 minutos, liberando 8,586 MeV. Al igual que su padre, se cree que es un isómero nuclear, el copernicio-285b. Debido a las energías de haz bajo asociadas con el experimento inicial de ²⁴⁴Pu+⁴⁸Ca, es posible que se haya alcanzado el canal 2n, produciendo ²⁹⁰Fl en lugar de ²⁸⁹Fl; esto luego sufriría una captura de electrones no detectada a ²⁹⁰Nh, lo que resultaría en una reasignación de esta actividad a su hija alfa ²⁸⁶Rg.

Rendimiento químico de isótopos

Fusión fría

La siguiente tabla proporciona secciones transversales y energías de excitación para reacciones de fusión fría que producen isótopos de copernicio directamente. Los datos en negrita representan máximos derivados de mediciones de la función de excitación. + representa un canal de salida observado.

Fusión caliente

La siguiente tabla proporciona secciones transversales y energías de excitación para reacciones de fusión en caliente que producen isótopos de copernicio directamente. Los datos en negrita representan máximos derivados de mediciones de la función de excitación. + representa un canal de salida observado.

Fisión de núcleos compuestos con número atómico 112

Se han realizado varios experimentos entre 2001 y 2004 en el Laboratorio de Reacciones Nucleares de Flerov en Dubna estudiando las características de fisión del núcleo compuesto ²⁸⁶Cn. La reacción nuclear utilizada es ²³⁸U+⁴⁸Ca. Los resultados han revelado cómo núcleos tales como esta fisión predominantemente al expulsar núcleos de cáscara cerrados tales como ¹³²SnZ = 50, N = 82). También se encontró que el rendimiento para la vía de fusión-fisión era similar entre ⁴⁸Ca y ⁵⁸Fe proyectiles, indicando un posible uso futuro de ⁵⁸Fe proyectiles en formación de elementos superheavidos.

Cálculos teóricos

Secciones transversales de residuos de evaporación

La siguiente tabla contiene varias combinaciones de objetivos y proyectiles para los cuales los cálculos han proporcionado estimaciones de los rendimientos de la sección transversal de varios canales de evaporación de neutrones. Se da el canal con el mayor rendimiento esperado.

DNS = Sistema dinuclear; σ = sección transversal