Un Blog azul pálido

El mercurio presenta una sorpresa nuclear

El descubrimiento de un nuevo tipo de fisión, da un vuelco a un principio de la teoría nuclear.

La observación de una inesperada reacción nuclear por parte de 

un isótopo inestable de mercurio ha generado un extraño misterio. 

El enigma está ayudando a los teóricos a abordar uno de 

los problemas más complejos de la física: el desarrollo de un 

modelo más completo del núcleo atómico.

La fisión nuclear, el proceso a través del cual un núcleo más 

pesado que el del hierro se rompe en pedazos, normalmente 

 se observa que es simétrico, con los fragmentos resultantes siendo de un tamaño aproximadamente igual. Aunque se conocen ejemplos de fisión asimétrica, normalmente se atribuyen a la formación preferente de “núcleos mágicos”, en los que las capas de la estructura nuclear están al completo.

Por lo que cuando los investigadores del experimento ISOLDE en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas en Ginebra, Suiza, se propusieron investigar el decaimiento del mercurio-180 — que contiene 80 protones y 100 neutrones — esperaban que se rompiese en dos núcleos de zirconio-90, cada uno conteniendo 40 protones y 50 neutrones. Supusieron que la salida se vería particularmente favorecida debido a que 40 y 50 son números mágicos, para los que las capas se llenarían exactamente.

Pero el mercurio trajo una sorpresa, en lugar de esto, se dividió en rutenio-100 y kriptón-80. “Una división simétria debería ahber sido la dominante, y demostramos que no es lo que sucedió”, dice el miembro de ISOLDE Andrei Andreyev, actualmente en la Universidad del Oeste de Escocia en Paisley. Los resultados se presentan en la revista Physical Review Letters.

Un haz puro

ISOLDE es único en ser capaz de crear haces puros de elementos pesados inestables, los productos de reacción de los cuales pueden ser recopilados y estudiados. Andreyev y sus colegas empezaron con un haz de talio-180. Éste decayó mayormente capturando un electrón, convirtiendo uno de sus 81 protones en un neutrón para formar mercurio-180, el cual entonces realizó la inesperada hazaña de dividirse en dos trozos de tamaño desigual.

El teórico Peter Möller del Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México, cree que tiene una explicación. Ha usado un modelo que él y sus colegas desarrollaron en 2001¹, y dice que la clave es considerar no sólo la estabilidad de los fragmentos finales, sino también la estabilidad de los núcleos de distintas formas que tienen lugar en la división del mercurio-180.

Möller había explorado anteriormente en detalle sólo la fisión de núcleos más pesados que el mercurio, los cuales tienden a dividirse simétricamente. Pero después del resultado de ISOLDE, aplicó su modelo a isótopos más ligeros y quedó sorprendido al encontrar que predice una división asimétrica para el mercurio-180, así como para un rango de otros núcleos inestables.

Comparando las masas de los núcleos de talio y mercurio, se predice que al capturar un electrón el núcleo de mercurio quedaría con un exceso de energía de 9,5 mega-electronvoltios. Los cálculos de Möller demuestran que para dividirse simétricamente, endría que superar la barrera de energía de los 10,5 mega-electronvoltios.

Una división asimétrica, por contra, requiere mucha menos energía. “Exactamente por qué es asimétrica, no podemos decirlo, pero hay un delicado equilibrio entre la tensión superficial, la carga electrostática y las fuerzas nucleares”, dice Möller. Ahora está mejorando y automatizando su modelo para ser capaz de predecir la división de núcleos más ligeros que el mercurio.

Reafirmando la fisión

El teórico nuclear Witold Nazarewicz de la Universidad de Tennessee en Knoxville dice que el estudio demuestra hasta qué punto, más de 70 años después del descubrimiento de la fisión nuclear, aún seguimos aprendiendo cosas del proceso. “Es una información muy importante para cualquier modelo del núcleo”, comenta.

Nazarewicz dice que aunque el conocimiento práctico de los ingenieros ha progresado lo suficiente para permitirnos construir bombas nucleares y reactores, “no creo que tengamos una comprensión firme de la fisión enraizada en las interacciones de los protones y neutrones”. Los núcleos que se forman en el núcleo de un reactor típico se comprenden en general, pero los modelos no están en el punto de poder extrapolarse a isótopos inestables más exóticos, comenta. Una mejor comprensión fundamental de la teoría puede ayudar al diseño de futuras generaciones de reactores.

Las instalaciones experimentales que tienen previsto entrar en funcionamiento a lo largo de la próxima década, debería permitir un mayor estudio de los núcleos inestables. Esas instalaciones incluyen la Instalación de Investigación de Antiprotones e Iones en el Centro GSI Helmholtz para Investigación de Iones Pesados en Darmstadt, Alemania, y la Instalación de Haces de Isótopos Raros en la Universidad Estatal de Michigan en East Lansing.