Un equipo internacional de físicos en la instalación de haces radioactivos ISOLDE del CERN ha medido por primera vez el potencial de ionización de un raro elemento químico, el astato (At), que no tiene isótopo estable. Este elemento, uno de los más escasos de la Naturaleza, fue descubierto en los años 40 del siglo XX bombardeando un blanco de bismuto con partículas alfa. El isótopo de astato más estable que se conoce tiene una vida media de unas 8 horas.
El valor del potencial de ionización del astato, publicado hoy en la revista Nature Communications, podría ayudar a desarrollar aplicaciones de este elemento en radioterapia, y servirá como referencia de las teorías que predicen la estructura de los elementos superpesados.
El potencial de ionización de un elemento es la energía requerida para quitar un electrón del átomo, convirtiéndolo así en un ion. Esta medida está relacionada con la reactividad química de un elemento, e, indirectamente, con la estabilidad de sus enlaces químicos en compuestos.
El astato se encuentra de forma natural solo en pequeñas cantidades en la Tierra (Isaac Asimov lo estimó en 0,07 gramos), pero los físicos de ISOLDE pueden producir isótopos artificiales mediante reacciones inducidas por protones. Para ello utilizan láseres de longitud de onda modificables para estudiar su estructura atómica mediante una técnica conocida como 'ionización resonante por fuente de láser'.
Los científicos disparan haces de protones de alta energía procedentes del Acelerador Sincrotrón Protón (PSB) del CERN contra blancos de uranio. Las colisiones producen una 'lluvia' de elementos químicos en una cavidad de metal a 2.000°C. Haces láser en longitudes de onda preseleccionadas provocan la ionización selectiva de átomos neutros difícilmente ionizables dentro de la cavidad.
Una vez ionizados, sienten la presencia de una diferencia de potencial que permite extraerlos. Estos iones se separan en función de su masa mediante imanes permanentes, resultando un haz puro de iones de un isótopo determinado que se envía a un dispositivo experimental para su estudio. Aplicando esta técnica y escaneando las longitudes de onda del láser, los físicos de ISOLDE midieron el potencial de ionización del astato en 9,31751 electronvoltios (unidad de energía que representa la energía cinética que adquiere un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de un voltio).
Técnica desarrollada en el CERN
Para María José García Borge, investigadora del Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) y directora científica de ISOLDE, "Los resultados que se publican en Nature communication son un gran logo del grupo de ISOLDE dedicado a la desarrollar esquemas de ionización por laser, técnica que se implantó en el experimento en los años noventa y que ha abierto la puerta al estudio de numerosos elementos químicos difíciles de ionizar o cuyas propiedades químicas no permitían su exclusiva selección".
Según la investigadora española, este desarrollo de gran interés para los físicos nucleares supone un gran avance en la física atómica y en el estudio de las propiedades químicas de elementos pesados y su extrapolación para los elementos superpesados. "La técnica de ionización por laser de núcleos radiactivos se desarrolló y puso en marcha por primera vez en ISOLDE, y hoy en día se ha extendido a otras instalaciones europeas e internacionales. Este es un ejemplo mas del desarrollo de técnicas pioneras en el CERN que transfiere a otros laboratorios".
Completar la tabla periódica
La medida completa un vacío presente durante mucho tiempo en la tabla periódica. El astato es el último elemento de la Naturaleza del cual se desconocía esta propiedad fundamental. Este elemento es de particular interés porque sus isótopos son candidatos para la creación de productos radiofarmacéuticos para el tratamiento del cáncer mediante terapia con partículas alfa.
"Ninguno de los isótopos de vida corta usados en medicina existen en la Naturaleza, se producen artificialmente por reacciones nucleares", explica Bruce Marsh, de ISOLDE. "Los posibles isótopos con aplicaciones médicas del astato no son muy diferentes en este sentido. Lo que los hace distintos es que su escasez hace difícil estudiarlos experimentalmente, por lo cual esta medida de una de sus propiedades fundamentales es un logro importante".
El valor experimental del astato sirve también a las teorías que predicen las propiedades atómicas y químicas de los elementos superpesados, en particular del recientemente descubierto elemento 117, un homólogo del astato del que se espera tenga propiedades químicas similares.
"La espectroscopía inducida por fuente láser es el método más preciso hoy día para estudiar las propiedades atómicas de isótopos exóticos de vida corta", dijo Valentin Fedosseev, responsable de esta técnica en ISOLDE. "Es idónea para explorar el espectro de elementos generados artificialmente, como los elementos súper-pesados. El éxito en el estudio del astato añade confianza en proyectos similares que se han iniciado recientemente en GANIL, Francia, y JINR, Rusia".
