Nuevos elementos químicos

Acaba de publicarse en Muy Interesante que se ha descubierto un nuevo elemento químico un 40% más pesado que el plomo. Se trata del elemento de número atómico Z=117 que, a falta de un nombre propio, de momento se llama Ununseptio, conforme a la nomenclatura propuesta por la IUPAC para los nuevos elementos pesados, según los dígitos de su número atómico. El número atómico Z de un elemento es el número de protones que los átomos tienen en el núcleo; coincide con la carga nuclear, y define la identidad de un elemento químico.

No es por faltar a los descubridores del nuevo elemento, pero si alguien se imagina que este hallazgo va a dar lugar a la aparición de nuevos materiales, fármacos o bienes de consumo que cambien nuestro modo de vida, se equivoca de lado a lado. Estos nuevos elementos químicos super pesados no se descubren casualmente en la corteza terrestre ni se dispone de una cantidad de ellos que permita utilizarlos industrialmente para ninguna aplicación que no sea la producción de energía en centrales eléctricas; y esto sólo si tienen una estabilidad mediana para su manipulación. La razón de que no puedan usarse en la vida diaria es que son altamente radiactivos, inestables, y se descomponen espontáneamente en muy poco tiempo tras su formación. De hecho, su descubrimiento siempre tiene lugar en un acelerador de partículas, y se ha detectado la existencia del nuevo elemento durante un tiempo muy corto, normalmente una fracción de segundo, porque resultan ser tan inestables que se descomponen radiactivamente, inmediatamente.

¿Por qué se descomponen los átomos de los elementos pesados?

Repulsión eléctrica entre protones

La repulsión eléctrica entre protones es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (según la Ley de Coulombe). Por tanto, debe existir una fuerza mayor que actúa a corto alcance en los núcleos, manteniendo unidos a los nucleones (protones y neutrones). Tal es la Interacción Nuclear Fuerte.

Para responder a esta pregunta habría que plantearse antes esta otra: ¿cómo pueden existir átomos de elementos de número atómico Z mayor que 1, si los protones del núcleo se repelen entre sí? Cuando hemos estudiado la electricidad en Física hemos aprendido que las partículas con carga eléctrica de igual signo se repelen con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Entonces, el núcleo de cualquier átomo de Z>1 debe ser muy poco estable, ya que está formado por varios protones obligados a permanecer en a una distancia muy pequeña, prácticamente en contacto, y sometidos a una fuerte repulsión eléctrica. La única explicación posible para la existencia de los elementos de Z>1 es que debe existir una fuerza atractiva en el núcleo mucho más grande que la fuerza eléctrica, que es la que mantiene unidas las partículas nucleares entre sí. Esta fuerza se llamó interacción nuclear fuerte, un nombre puesto sin mucha imaginación, pero que describe exactamente sus características fundamentales, ya que: 1) es obviamente una fuerza (por eso se llama interacción); 2) actúa sólo en los núcleos atómicos, por lo que debe tener un alcance muy corto, mucho más pequeño que el radio atómico y que las distancias de enlace (de ahí lo de nuclear), y 3) y es de intensidad muy superior a la fuerza eléctrica y a las otras interacciones fundamentales (gravitatoria, magnética) (de ahí lo de fuerte). Se sabe además que la interacción nuclear fuerte se da entre todos los nucleones, es decir, tanto entre protones como entre neutrones como entre unos y otros.

Así, la diferencia entre la estructura un átomo de un elemento y del elemento siguiente en la Tabla Periódica consiste en la presencia de un protón más en el núcleo y un electrón más en la corteza, ya que la materia es eléctricamente neutra, y conforme aumenta la carga nuclear (positiva) debe aumentar también la carga negativa de la corteza. Así, por ejemplo, un átomo de hidrógeno consta de 1 protón en el núcleo y 1 electrón en la corteza; un átomo de helio consta de 2 protones en el núcleo y 2 electrones en la corteza; uno de litio de 3 protones y 3 electrones, y así sucesivamente. Además de los protones, los núcleos de los átomos tienen también neutrones, que son otra partícula fundamental del núcleo, con masa parecida a la del protón (aproximadamente 1 unidad de masa atómica, o uma), pero sin carga eléctrica. El papel de los neutrones en el núcleo parece estar relacionado con la estabilidad, ya que ejercen fuerzas nucleares fuertes, atractivas, en el núcleo, sin introducir repulsiones eléctricas. Pero el número de neutrones no es fijo para cada elemento, sino que cada elemento presenta diferentes problaciones de átomos que difieren en su número de neutrones, y también en su masa, llamadas isótopos.

(La masa del electrón es unas 2000 veces menor que la del protón o el neutrón, por lo que no se comete un error muy grande al aproximar la masa del átomo por la del núcleo; la corteza pesa entre 2000 y 5000 veces menos que el núcleo)

Casi todos los elementos ligeros presentan en el núcleo un número de neutrones aproximadamente igual al de protones. Por ejemplo, los núcleos de helio (Z=2) tienen 2 protones y 2 neutrones, por eso la masa atómica del helio es 4; los núcleos de carbono (Z=6) tienen casi todos 6 protones y 6 neutrones, y masa 12 unidades (isótopo carbono-12), aunque una pequeña proporción de los átomos de carbono de la naturaleza (1 átomo de C de cada billón, o sea 10¹² átomos) tienen 8 neutrones y masa 14 unidades (isótopo carbono-14); los átomos de cloro (Z=17) tienen todos 17 protones en el núcleo, pero aproximadamente el 75% de ellos tienen 18 neutrones y masa 35 uma (isótopo cloro-35, y aproximadamente un 25% de ellos tienen 20 neutrones y pesan 37 uma (isótopo cloro-37). La masa atómica que aparece en la Tabla Periódica es la masa media de los átomos de un elemento, y se calcula haciendo la media ponderada de las masas de todos los isótopos, teniendo en cuenta sus abundancias relativas naturales. Pero conforme aumenta el número Z, el número de neutrones se hace mayor que el de protones, e incluso mucho mayor.

¿Qué tiene todo esto qué ver con la estabilidad de los átomos? Mucho, ¡todo! Conforme aumenta el número atómico (el número de protones del núcleo), aumenta la carga eléctrica del núcleo, y también la intensidad de las fuerzas repulsivas de tipo eléctico; para mantener la estabilidad del átomo hace falta que aumente también el número de neutrones, que actúan para dar cohesión al núcleo (ya que, como hemos visto, ejercen fuerzas atractivas nucleares y no ejercen repulsiones eléctricas). Pero como la interacción nuclear fuerte tiene tan corto alcance, cuando se supera cierto tamaño nuclear, las partículas dejan de estar dentro del corto radio de alcance de la interacción nuclear fuerte, y las repulsiones eléctricas siguen actuando. Esto hace que los núcleos muy grandes tengan tendencia a romperse en núcleos más pequeños y más estables. La fragmentación de un núcleo grande en otros más ligeros se llama fisión nuclear, y viene acompañada de la emisión de algunas partículas y de radiación electromagnética de alta energía. Ello es debido a que los núcleos más ligeros que resultan son mucho más estables que el núcleo pesado original (por tanto en la trasformación nuclear sobra energía que se emite en forma de radiación), no necesitan tantos neutrones para ser estables, por eso algunos neutrones salen despedidos con alta velocidad; también se emiten otras partículas, como partículas alfa (que son núcleos de helio-4, es decir, partículas formadas por dos protones y dos neutrones, y sin ningún electrón, que tienen 4 uma y dos cargas positivas), y partículas beta (electrones de origen nuclear, resultantes de la transformación de un neutrón en un protón). Este fenómeno por el que los núcleos muy pesados (y también algunos isótopos de algunos elementos no tan pesados) se vuelven inestables y tienden a descomponerse dando lugar a otros núcleos más ligeros, y emitiendo partículas y radiación electromagnética de alta frecuencia, es lo que se conoce como radiactividad. La radiactividad es tan peligrosa para los seres vivos porque el impacto de las partículas emitidas contra los átomos que integran nuestras moléculas biológicas portadoras de información (DNA, RNA, proteínas) puede transformarlos en átomos de otros elementos, o en isótopos inestables, cambiando la identidad química de estos elementos, y su capacidad para formar enlaces químicos, y provocando alteraciones de la información genética cuando llegue el momento de replicar el DNA para la división celular, es decir, provocando mutaciones, que generalmente desencadenan un cáncer. También la radiación electromagnética de alta frecuencia puede provocar graves daños, como quemaduras y mutaciones.

No existe ninguna demostración experimental de que un diámetro nuclear mayor que el radio de acción de la interacción nuclear fuerte sea la causa de la radiactividad, entre otras razones porque ni se conoce el radio exacto de los núcleos atómicos, ni el alcance exacto de la interacción nuclear fuerte. Pero sí sabemos que la radiactividad va ligada a los núcleos pesados. Los elementos muy pesados no son estables, son todos radiactivos; por tanto, estos elementos que de vez en cuando se descubren, o mejor dicho, se detectan en un acelerador de partículas de manera transitoria y en cantidades muy pequeñas y poco o nada manejables, permiten cierto avance del conocimiento teórico sobre la estructura atómica y la radiactividad, pero en la práctica sólo sirven, al menos potencialmente, como combustible nuclear, pero no pueden manipularse ni utilizarse para la producción de ningún otro servicio para la sociedad. Probablemente, ningún descubrimiento de un nuevo elemento químico va a cambiar significativamente ningún aspecto de nuestra vida diaria.

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Ciencia y Docencia
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