El descubrimiento del elemento 117, un elemento sintético que no se da en la naturaleza, requirió muchos años de investigación en colaboración por parte de docenas de científicos de varias instituciones internacionales.
El experimento que produjo la primera evidencia del elemento 117 no podría haber ocurrido sin múltiples instalaciones científicas de clase mundial, incluyendo un complejo acelerador único en Rusia y el reactor de investigación nuclear y las instalaciones de procesamiento en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía.
ORNL es el único lugar en el mundo que puede producir cantidades suficientes del elemento radiactivo berkelio, un elemento sintético que es esencial para la creación del elemento 117. El berkelio es un subproducto de la producción de californio en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR) del ORNL.
El profesor de la Universidad de Vanderbilt Joe Hamilton observó cuando se reanudó la producción de californio en el ORNL en 2008 y presentó a Jim Roberto del ORNL a Yuri Oganessian, que fue pionero en el enfoque de «fusión caliente» para sintetizar elementos superpesados bombardeando objetivos de actínidos con iones pesados acelerados en un ciclotrón en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna, Rusia. Esta reunión constituyó la base de la actual colaboración entre las tres instituciones. El trabajo anterior de Oganessian condujo al descubrimiento de los elementos 114, 116 y 118 en 2000-2004 en colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Los materiales objetivo de los actínidos para todos estos descubrimientos procedían del ORNL y de Dimitrovgrad, en Rusia. Pero la identificación del elemento 117 no fue posible sin el berkelio.
El ORNL y el JINR acordaron formalmente colaborar en la investigación de elementos superpesados en diciembre de 2008, incluyendo la producción de material objetivo de berkelio en el ORNL y la participación en los experimentos del acelerador en el JINR. El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, que había colaborado con el JINR en anteriores investigaciones sobre elementos superpesados, también se unió al equipo a finales de 2008, añadiendo capacidades de análisis de datos nucleares.
El berkelio se produjo mediante 250 días de irradiación en el HFIR del ORNL y 90 días de procesamiento en el contiguo Centro de Ingeniería y Desarrollo Radioquímico (REDC) para separar y purificar el material de berkelio.
El 15 de junio de 2009, el ORNL envió 22 miligramos de berkelio-249, con el reloj marcando su vida media de 327 días, al JINR. Este material se envió al Instituto de Investigación de Reactores Atómicos de Rusia en Dimitrovgrad, que fabricó un blanco aplicando el radioisótopo de berkelio a una fina película de titanio.
El blanco fue enviado desde el RIAR al JINR en Dubna, donde el experimento comenzó el 28 de julio de 2009.
El blanco 249Bk fue bombardeado durante 150 días con un intenso haz de 7 billones de iones de calcio-48 por segundo en uno de los aceleradores de iones pesados más potentes del mundo. En condiciones muy raras, los núcleos de calcio (que contienen 20 protones) interactuaron con los núcleos de berkelio (que contienen 97 protones) para crear unos pocos núcleos compuestos de número atómico 117. Estos núcleos compuestos se separaron del haz de calcio mediante un conjunto de potentes imanes en el separador de bobinas lleno de gas de Dubna. Los núcleos del elemento 117 se implantaron en detectores de silicio, donde se midieron las desintegraciones radiactivas distintivas.
Finalmente, los detectores descubrieron seis átomos del elemento 117, de corta duración pero que hicieron historia, que luego se desintegraron en los elementos 115, 113, 111, 109, 107 y 105.
El equipo internacional de investigación anunció su descubrimiento del elemento 117 en abril de 2010 en una publicación de Physical Review Letters. En el artículo sobre el descubrimiento participaron 33 autores de seis instituciones: JINR (15), ORNL (7), LLNL (6), Vanderbilt (2), RIAR (1) y Universidad de Nevada Las Vegas (2).
Un grupo de 72 científicos de 16 instituciones de Alemania, Australia, Estados Unidos, Finlandia, India, Japón, Noruega, Polonia, Reino Unido, Suecia y Suiza realizaron experimentos de confirmación para verificar de forma independiente el descubrimiento del elemento 117. Esta investigación incluyó la producción de berkelio en el ORNL y el bombardeo con haces de iones de calcio de alta potencia en un acelerador del Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados del GSI en Darmstadt (Alemania). Esta observación independiente del elemento 117 se presentó en un estudio de Physical Review Letters publicado en mayo de 2014.
Estudios adicionales de confirmación fueron realizados por el JINR, el ORNL, el LLNL, Vanderbilt y la Universidad de Tennessee, Knoxville (UTK) en el JINR en 2012 utilizando berkelio del ORNL (Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012)). Krzysztof Rykaczewski, del ORNL, y Robert Grzywacz, de la UTK, dirigieron el desarrollo de un nuevo detector y un sistema de adquisición de datos digital que se utilizó en los experimentos de seguimiento de los núcleos superpesados en el JINR.
Un comité conjunto de la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada y de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada evaluó las pruebas y anunció el 30 de diciembre de 2015 que se habían cumplido los criterios para el descubrimiento del elemento 117. La IUPAC también confirmó el descubrimiento del elemento 115, un producto de desintegración del elemento 117, en este anuncio. El comité invitó entonces al equipo descubridor de JINR, LLNL, ORNL y Vanderbilt a proponer nombres y símbolos permanentes para los elementos 117 y 115.
El 8 de junio de 2015, la División de Química Inorgánica de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) publicó una Recomendación Provisional para el nombre tennessina y el símbolo Ts para el elemento 117, en reconocimiento a las contribuciones del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, la Universidad de Vanderbilt y la Universidad de Tennessee en Knoxville a la investigación de elementos superpesados, incluyendo la producción y separación química de materiales objetivo de actínidos únicos para la síntesis de elementos superpesados en las instalaciones HFIR-REDC de ORNL. Reconocer a Tennessee en la denominación del elemento 117 había sido un tema de discusión desde que Hamilton lo sugirió originalmente. El nombre tennessina fue propuesto formalmente por el equipo de descubrimiento durante una videoconferencia el 23 de marzo de 2016, con la terminación «ine» elegida para ser coherente con la convención requerida para los elementos del grupo 17 de la tabla periódica. Se propuso el nombre provisional de moscovio para el elemento 115, en honor a la región rusa que alberga el JINR.
Significado del elemento 117
En la tabla periódica actual, los elementos más allá del uranio (número atómico de 92) son cada vez más inestables y se descomponen rápidamente en otros elementos.
Los físicos nucleares teorizan que existe una «isla de estabilidad» más allá de la tabla periódica actual, donde los nuevos elementos superpesados exhibirían vidas más largas. Dicha isla ampliaría la tabla periódica a elementos aún más pesados, y el aumento de los tiempos de vida permitiría realizar experimentos químicos y aplicaciones potenciales para estos elementos.
El elemento 117 era el único que faltaba en la fila siete de la tabla periódica. En su camino hacia la isla de la estabilidad, los investigadores omitieron inicialmente el elemento 117 debido a la dificultad de obtener el material objetivo del berkelio. El elemento 117 y los nuevos isótopos resultantes de la desintegración radiactiva del elemento 117 acercan a los científicos a la isla de estabilidad y apoyan una tendencia general de aumento de la estabilidad de los elementos superpesados con un número creciente de neutrones en el núcleo. El descubrimiento de dos isótopos del elemento 117 y de sus 11 productos de desintegración proporciona una fuerte evidencia de la existencia de la isla de estabilidad.
Documentación de apoyo
- 9 de abril de 2010 – Se anuncia el descubrimiento del elemento 117 en Physical Review Letters http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.142502
- 19 de octubre de 2012 – Un segundo experimento en el JINR confirma el elemento 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.162501
- 1 de mayo, 2014 – Un experimento en el GSI confirma de forma independiente el elemento 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501
- 30 de diciembre de 2015 – La IUPAC anuncia la verificación de cuatro nuevos elementos – http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
- 8 de junio de 2016 – La IUPAC emite una recomendación provisional sobre los nombres propuestos – http://iupac.org/recommendation/names-and-symbols-of-the-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/