Estructura Nuclear: A la búsqueda de los Límites II

Ayer la primera parte de este artículo finalizó así:

Desde un punto de vista experimental se han seguido dos vías de aproximación para intentar alcanzar la isla de estabilidad (SHE). La primera utiliza la llamada reacciones de “fusión fría” en ellas se utilizan haces estables sobre blancos estables. La energía del haz incidente se elige para que el núcleo compuesto formado esté “frío” y no evapore apenas partículas, formándose un nuevo núcleo de carga igual a la suma del proyectil y el blanco, Z – Zp + ZB. El núcleo formado sale del blanco delgado y atraviesa un filtro de velocidad de Wien que mediante campos eléctricos y magnéticos permite separar el nuevo núcleo del haz incidente . Una vez separado se implanta en un detector de Si de bandas  y se correlaciona temporalmente el ión implantado con las sucesivas partículas alfa (α) emitidas en el mismo pixel del detector. Mediendo las energías de las nuevas partículas alfa detectadas y la cadena que las conecta con desintegraciones alfa conocidas se ha podido identificar nuevas especies. Mediante este procedimiento se han identificado en el GSI (Alemania) nuevos elementos hasta Z = 112.

Continuemos con la segunda parte que es como sigue:

El segundo método utilizado llamado “fusión caliente” consiste en la utilización de haces ligeros tipo Ca y blancos radiactivos transuránicos. En este caso el núcleo compuesto tiene energías del orden de 30-36 MeV y se desexcita evaporando neutrones y radiación gamma. Estos experimentos se han realizado en Dubna (Rusia), con un sistema de detección equivalente al usado en GSI. De esta manera se han producido isótopos ricos en neutrones con Z = 112-116 y Z = 118. Los isótopos de los elementos 112 y 114 más ricos en neutrones tienen semividas de segundos. Estas semividas razonablemente largas qabren nuevas posibilidades de medida muy precisa de su masa mediante el uso de trampas. Se tienen diagramas (no los puedo mostrar aquí, que muestran la desintegración del Z = 118) del último elemento identificado. El experimento duró 1000 horas.

Los elementos superpesados además de su interés intrínseco son importantes porque permiten determinar la capacidad de los modelos nucleares para predecir su estructura y estabilidad, los efectos relativistas en átomos y su repercusión en química cuántica. Actualmente ya se han caracterizado la química de los elementos hasta Z = 112. La baja producción de estos elementos constituye un gran desafio para los métodos de la Química, que siendo fundamentalmente de naturaleza estadística, se aplican, en estos trabajos, a unos pocos átomos. El estudio de la estructura de bandas de los elementos transuránicos permite obtener información importante sobre la deformación nuclear, las propiedades de partículas independiente y la resistencia a la fisión mediante la deformación.

IIa. Núcleos Exóticos Ricos en Neutrones: Halos

El tamaño del núcleo y por ende su radio es una de sus propiedades más básicas. Nuestro conocimiento sobre el tamaño del núcleo se remonta a los albores del campo, a los experimentos de Rutherford en los que las partículas alfa emitidas por sales de Uranio se usaban para bombardear láminas de Oro. Las partículas alfa transmitidas se detectaban al impactar en una placa fluorescente. La observación ocasional de partículas alfa retrodispersadas indicaba que la carga se concentraba en un volumen muy reducido.

Inherente a esta interpretación es el método de medida. Siempre que los núcleos que colisionan no entran en contacto, no sienten la interacción fuerte y el proceso está dominado por la interacción electrostática. La energía cinética de la partícula α se convierte en energía electrostática en el punto de máxima aproximación. Si se aumenta la velocidad de la partícula α aparecen nuevos procesos. La distancia de máxima aproximación sin ruptura corresponde a la suma de los radios de las dos partículas. lo que permite obtener el radio nuclear.

El método actual de medida de radios es esencialmente el mismo. Ahora se usan haces de electrones de alta energía que tienen una longitud de onda muy pequeña y muestran un patrón de difracción que depende del radio nuclear. Como los electrones no experimentan la interacción fuerte, lo que se mide es el radio medio de carga. El uso de otros proyectiles como protones o neutrones permite obtener el radio de masa. Así para los núcleos estables conocidos se observa que cumplen R=R0A¹⁄³ (donde R0 ~ 1.2 x 10  ̄¹⁵ m = 1.2 fm).

El advenimiento de los haces radiactivos, hace una veintena de años, ha permitido estudiar el radio de los núcleos inestables. Los resultados obtenidos al medir los radios de los isótopos más ricos en neutrones de los elementos ligeros, He, Li, Be, y B, fueron sorprendentes. El radio de masa de los isótopos ricos en neutrones se hacía anormalmente grande, mientras su radio de carga se mantenía equivalente al del resto de los isótopos. en el caso del ¹¹Li, el último isótopo ligado del Litio, su radio es equivalente al del ⁴⁸Ca. Así, los radios del ¹¹Li, ¹⁴Be y ¹⁷B se alejan del comportamiento R0A¹⁄³.

Experimentos posteriores mostraron que el ¹¹Li se rompe en ⁹Li + 2π en presencia de un campo nuclear o Coulombiano. Los resultados observados en el Li se pueden interpretar de la manera siguiente: Los isótopos ligeros de Litio presentan radios que se ajustan al comportamiento de R∞ A¹⁄³, pero el isótopo ¹¹Li (Z=3, N=8) es distinto. Consta de un corede ⁹Li rodeado de dos neutrones bastante alejados lo que incrementa anormalmente el radio másico. Experimentos de interferometría  realizados por M. Márquez, han permitido determinar la distancia entre los dos neutrones, que es consistente con el radio de sus órbitas sea tan grande como el del núcleo de ²⁰⁸ Pb. La estructura deducida de los tres experimentos de reacciones requería una parte importante de  de onda s en la función de onda del ¹¹Li ya que al no tener barrera centrífuga, permite que los neutrones estén muy alejados del core. Pero esto es contradictorio con el carácter semimágico del ¹¹Li cuyos 8 neutrones, de acuerdo con el modelo nuclear de partículas independientes, debería tener una configuración de capas cerradas, con los neutrones más externos situados en órbitas p, p3/2 (subíndice) y p 1/2 (subíndice).

La primera evidencia de una fuerte contribución de onda s vino de la mano de los estudios de desintegración beta del ¹¹Li. En experimentos realizados en ISOLDE, se hizo una determinación precisa de la alimentación beta al único estado ligado en el núcleo hijo. ¹¹B. Esta medida, junto con la semivida anormalmente larga del ¹¹Li, permitió determinar con gran precisión la velocidad reducida de la transición, logft. El estudio en el modelo de capas realizado por el grupo de la UAM incorporaba un 50% de onda s para poder reproducir el valor de logft. Estos resultados se han confirmado en un experimento realizado en cinemática completa (en el que se mide la dirección y energía del núcleo incidente y de todos los fragmentos de la reacción) en el GSI (Alemania). Se obtuvo que la componente (Is 1/2 (subíndice)² en la función de onda del ¹¹Li era de 45 ± 10%.

En sucesivos experimentos se han identificado otros núcleos que presentan esta estructura de halo formado por uno o dos neutrones. La estructura con halo se explica como un efecto umbral debido a la pequeña energía de enlace de los últimos nucleones y del acoplamiento al continuo. También se ha detectado la presencia de halos de protones en ⁸B y en algunos estados excitados del ¹⁷F.

La existencia del halo neutrónico puede dar lugar a una desintegración beta periférica en la que uno de los neutrones del halo decae en un protón dando lugar a la emisión de un deuterón tras la desintegración beta. Este modo de desintegración ßd ha sido observado en los núcleos con halo ⁶He y ¹¹Li. El espectro observado de deuterones en ambas desintegraciones parece indicar que la emisión no ocurre a través de una resonancia intermedia del núcleo hijo sino que sucede directamente al continuo.

Los modelos teóricos capaces de reproducir en todo o en parte las características de estos sistemas tan exóticos tenían problemas para obtener el núcleo con halo ligado y su isótopo adyacente como una resonancia,  en particuklar el que ¹¹Li fuera ligado y el ¹⁹Li no. Uno de los primeros cálculos capaces de reproducir la energía de ligadura de todos los núcleos con dos neutrones en el halo fue realizado por una colaboración entre grupos de la Universidad de Salamanca y de la UAM.

Mencionemos finalmente que el sistema conocido más rico en neutrones es el núcleo resonante ⁷H identificado por el Grupo de la Universidad de Santiago de Compostela a partir de una serie de experimentos realizados en GANIL (Francia).

IIb. Núcleos Exóticos Ricos en Neutrones: El Declive de los Números Mágicos.

El modelo de partículas independientes fue introducido en física nuclear por María Goeppert-Mayer y Hans Jensen hace más de cincuenta años. Su idea básica fue suponer que, a orden cero, el resultado de las complicadas interacciones entre los protones y los neutrones era la creación de un potencial promedio autoligante, la “caja esférica” que los mantiene juntos. El principal promedio que propusieron consistía en un oscilador armómico isótropo complementado con un término de interacción espín órbita muy atractivo. Su mayor éxito fue la explicación de los números mágicos del valle de la estabilidad, 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, que se habían observado experimentalmente en las energías de separación de un neutrón o de un protón, como máximos seguidos de una disminución brusca, algo que es reminiscente del comportamiento de las energías de ionización atómicas en torno a los Gases Nobles. Los núcleos doblemente mágicos; ⁴He, ¹⁶O, ⁴⁰Ca, ⁵⁶Ni, ¹³²Sn y ²⁰⁸Pb, son desde entonces hitos en el paisaje nuclear.

Existen números mágficos porque las órbitas del campo medio nuclear se agrupan en “capas” bien separadas entre ellas. La energía de separación entre dos capas recibe el nombre de brecha (gap en inglés). La estructura de capas y los gaps asociados evolucionan cuando la relación entre el número de neutrones y protones es muy diferente a la del valle de la estabilidad. Este hecho se ha manifestado de modo extremo en los núcleos exóticos muy ricos en neutrones.

Dejaremos aquí el final de la Segunda parte  de este buen artículo de Doña María José García Borge y D. Alfredo Poves, publicado en la Revista Española de Física, Volumen 22/2008, con el título “Estructura Nuclear: A la búsqueda de los límites”.

PD. Como no se podía copiar y pegar, lo estoy transcribiendo directamente de la Revista de Física y, el motivo, es que, un compañero de la Real Sociedad de Física, carece de éste artículo que comentamos por teléfono, y, me lo pidio, así que aprovecho para que también lo puedan leer todos ustedes, aunque, seguramente, pueda resultar algo farragoso para algunos. Lo siento si es así pero, el interés es mucho y, a través de estos trabajos se puede uno acercar, un poco más, a la verdadera esencia de los núcleos de la materia en sus elementos más altos de la lista.

Seguiremos en una tercera parte para finalizar.

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