Elementos por descubrir

Carbon Cronudo (sospecho que podría no ser su nombre real) me preguntó hace un tiempo cuántos elementos hay en la tabla periódica que aún no hemos descubierto y si potencialmente podría existir un número infinito de elementos sin descubrir.

Así que, sin más dilación, vamos a poner algo de contexto al asunto.

¿Os habéis preguntado por qué el hierro es hierro y el oro es oro? ¿O por qué el oxígeno es un gas y el mercurio es un líquido? O sea, en el fondo, ¿qué es lo que hace que un elemento químico presente un color, densidad o, yo que sé, una conductividad eléctrica concretas? ¿Que lo diferencia de los demás?

Pues, como ya sabréis, resulta que los átomos están compuestos por partículas más pequeñas llamadas protones, neutrones y electrones. Los protones tienen carga positiva y se encuentran en el núcleo del átomo y los electrones, con carga negativa, dan vueltas a su alrededor. Un átomo está en equilibrio eléctrico cuando tiene el mismo número de cargas positivas en su núcleo que negativas dando vueltas a su alrededor o, lo que es lo mismo, cuando contiene el mismo número de protones y electrones.

¿Y entonces para qué sirven los neutrones?

Los neutrones, como su nombre indica, no tienen carga eléctrica pero, como los protones del núcleo tienen todos carga positiva y tienden a repelerse entre ellos con más fuerza cuanto más cerca se encuentran unos de otros, el objetivo de los neutrones es mantener agarrados a los protones con ayuda de la fuerza nuclear fuerte para evitar que salgan disparados del núcleo del átomo.

¿Eh, espera, cómo sabemos que este modelo se ajusta a la realidad? ¿Y si los átomos no son para nada así?

Eso ya lo expliqué en esta otra entrada, voz cursiva. También es verdad que estos modelos atómicos, tal y como aparecen representados en los libros de texto, tampoco son del todo correctos: en realidad, como explicaba en esta entrada, los electrones no son exactamente bolitas que dan vueltas en círculos alrededor del núcleo de los átomos.

Pero, bueno, volviendo a la pregunta que nos ocupa: un elemento químico se distingue de  los demás por el número de protones que contiene su núcleo.

Por ejemplo,  el hidrógeno es el elemento más simple posible con un sólo protón en su núcleo. El helio tiene dos protones en su núcleo y el litio cuenta con tres. Si queréis seguir con la lista, podéis ir leyendo la tabla periódica de izquierda a derecha y de arriba abajo para ver cuántos protones tiene cada elemento en su núcleo.

¿Me quieres decir que en lo único que se distingue un montón de mercurio de un montón de oro es en un maldito protón en su núcleo? 

Si nos ponemos tiquismiquis, no: si metes más protones en el núcleo de un átomo, también tendrás que introducir más neutrones para mantenerlo estable. Pero, en esencia, lo que diferencia un elemento químico de otro es el número de protones que contienen sus átomos en el núcleo.

También hay que tener en cuenta que, en un núcleo atómico, una cantidad concreta de protones puede ir acompañado de varias cantidades distintas de neutrones y seguir siendo estable durante más o menos tiempo. A los átomos de un mismo elemento que contienen distintas cantidades de neutrones se les llama isótopos (y hablaba de ellos con más detalle en esta otra entrada).

¿Y qué quieres decir con eso de «seguir siendo estable durante más o menos tiempo»? ¿Es que hay átomos que no son estables?

Exacto, voz cursiva. Si la cantidad de partículas en un átomo no es la correcta, los neutrones no tendrán fuerza suficiente como para mantener a los protones confinados en el núcleo y  algunos neutrones y/o protones saldrán disparados del núcleo como proyectiles. Ese es el fenómeno al que llamamos radiactividad.

O sea, que cuando se dice que un lugar está contaminado por la radiactividad, significa que hay átomos inestables desperdigados por el entorno soltando proyectiles subatómicos por todos lados. Eso sí: la interacción de estas partículas con el medio no se puede ver a menos que se den unas condiciones muy específicas, como por ejemplo en la cámara de humo de la animación que podéis ver en este enlace.

En cualquier caso, como el número de protones que contiene un átomo determina de qué elemento se trata, cuando un elemento pierde algunos protones de su núcleo debido a la emisión de algunas de sus partículas, entonces el átomo se convierte en otro elemento. A este proceso se le llama desintegración radiactiva.

Esto significa que si tenemos una montón de un elemento inestable cualquiera, sólo será cuestión de tiempo hasta que este elemento se convierta en uno más ligero a base de emitir protones y neutrones. También tengo otra entrada donde hablaba más detalle de este proceso.

Crédito: Incnis Mrsi/wikimedia commons.

Por el contrario, durante la historia del planeta, los elementos que tienen más de 92 protones en su núcleo no son estables, sin importar la cantidad de neutrones que contengan, así que han estado soltando partículas durante todo este tiempo y convirtiéndose en elementos más ligeros hasta que no ha quedado ni rastro de ellos en nuestro planeta. Y, como no podemos encontrarlos, tenemos que fabricarlos nosotros mismos.

Para sintentizar elementos que ya no existen en la Tierra, contamos con los aceleradores de partículas, donde se estrellan núcleos ligeros a velocidades tremendas contra núcleos más pesados, con la esperanza de que los dos núcleos queden incrustados, convirtiéndose en un elemento núcleo con más protones en su núcleo que los originales y, por tanto, en un elemento más pesado.

Y de esta manera se intentan crear elementos «nuevos» o lo que es lo mismo, núcleos atómicos que contienen más protones que el resto de los elementos de la tabla periódica. Por ejemplo, el ununseptio, con 117 protones en su núcleo, fue creado estrellando átomos de calcio (con 20 protones en su núcleo) con berkelio (97 protones). 20 + 97 = 117, así de fácil es la teoría.

Pero hay un problema: normalmente, cuantas más partículas hay contenidas en un núcleo atómico, más inestable se vuelve y menos tiempo dura antes de desintegrarse.

En este enlace tenéis una tabla donde aparece cuánto tiempo sobreviven los átomos de los elementos que contienen entre 100 y 118 protones en su núcleo. Como podréis ver, el fermio (100 protones) tiene una vida media de 100.5 días, lo que significa que la mitad de un montón cualquiera de fermio se habrá desintegrado durante ese tiempo y se habrá convertido en elementos más ligeros. Con el tiempo, esta sucesión continúa hasta que no queda ningún átomo de fermio más.

Pero, si os parece que los átomos de fermio duran poco tiempo, los elementos más pesados sintetizados hasta el momento, el unumpentio, el livermorio, el ununseptio y el ununoctio (115, 116, 117 y 118 protones) tienen vidas medias de tan sólo 220, 61, 78 y 0.89 milésimas de segundo.

Y ese es el gran problema a la hora de extender la tabla periódica: si añades cada vez más protones a un núcleo y, por tanto, también más neutrones, llegará un momento en que la combinación será tan inestable que ni siquiera podrán formar un núcleo atómico en un primer momento. Como los elementos de la tabla periódica que aún no se han descubierto tienen aún más protones que el ununoctio (que ya de por sí es muy inestable), el panorama para sintetizar elementos nuevos no pinta muy bien.

O sea, ¿que no podemos crear elementos más pesados de los que ya se conocen porque se desintegrarían al instante? ¿Entonces no me voy a poder comprar un coche hecho de unumpentio? Menudo truño.

Calma, calma, voz cursiva. Un coche de unumpentio sería tan radiactivo que seguramente morirías antes de subirte a él. Y no creo que te lo vendieran con una garantía de más de unas pocas milésimas de segundo.

De todos modos, aún hay esperanza, porque no todos los elementos súperpesados (así se les llama a los que contienen muchísimos protones en el núcleo) tienen por qué tener vidas tan cortas: como se conocen bastante bien las propiedades de las partículas subatómicas, se puede predecir cuánto tiempo tardará en desintegrarse un átomo a juzgar por el número de protones y neutrones que contiene su núcleo. Por tanto, se pueden representar en un gráfico los hipotéticos elementos súperpesados que están más allá de la tabla periódica actual según su estabilidad… Y el resultado es algo así:

En este caso, se puede ver que la mayoría de las configuraciones de protones y neutrones no son estables pero, entre toda esta inestabilidad, aparecen combinaciones que potencialmente podrían producir elementos estables muy pesados con periodos de semidesintegración de minutos o hasta días, con algunos optimistas afirmando incluso que millones de años. A estos cúmulos de configuraciones de protones y neutrones relativamente estables se les llama islas de estabilidad.

Vale, entonces, ¿podrían existir un número infinito de elementos químicos si existen más de estas islas de estabilidad? 

En teoría, habría una isla de estabilidad alrededor del elemento 120, el ubninilio, y se especula que podría existir una segunda isla de estabilidad alrededor del elemento número 164, ambas con elementos suficientemente longevos como para permitir su estudio químico. Por otro lado, se han calculado las propiedades que podrían presentar elementos con hasta 184 protones en su núcleo.

Pero la respuesta definitiva a nuestra incógnita viene de la mano de un artículo de 2012 de la revista Nature, en el que un grupo de investigadores llegó a la conclusión de que sólo existen 7.000 núcleos atómicos posibles para los átomos que contienen hasta 120 protones en su núcleo. Y esto es precisamente porque, si añadimos demasiadas partículas en un núcleo, se vuelve demasiado inestable como para llegar a formar un átomo.

Así que ya tenemos nuestra respuesta: el número de elementos químicos posibles tiene que ser finito. Tiene todo el sentido del mundo porque, en realidad, infinitos elementos químicos requerirían de átomos con un número de protones en su núcleo que tendiera al infinito. Esto significaría que podrían existir átomos tan grandes como pelotas de fútbol, planetas o galaxias… Lo que no cuadra con ningún modelo teórico ni con ninguna observación (ni con el sentido común).

Y, no, para los más listillos, las estrellas de neutrones no son átomos gigantes.