Desmontando el átomo más raro en la Tierra

Un equipo internacional de científicos ha llevado a cabo experimentos innovadores para investigar la estructura atómica del astato (Z = 85), el elemento natural más raro en la Tierra. El astato (At) es de gran interés porque sus propiedades de desintegración son una fuente de radiación de corto alcance ideal para la terapia alfa en el tratamiento del cáncer.

Los resultados del proyecto, que fue concebido por el profesor Andrei Andreyev, d el Departamento de Física de la Universidad de York, en Reino Unido, y el doctor Valentine Fedosseev, del CERN, el laboratorio europeo de investigación en física nuclear, en Ginebra, se publican en la revista 'Nature Communications'.

A través de experimentos llevados a cabo en las instalaciones de isótopo radiactivo ISOLDE en el CERN, los científicos han accedido, por primera vez, al potencial de ionización del átomo de astato, lo que supone la cantidad esencial para definir las propiedades físicas de este elemento exclusivamente químico y radiactivo. Este logro llena un vacío de muchos años en la tabla periódica de Mendeleiev, ya que el astato fue el último elemento presente en la naturaleza cuya propiedad fundamental se desconocía.

Como la energía de unión del electrón de valencia más externa, la energía de ionización atómica es altamente relevante para la reactividad química de un elemento e, indirectamente, la estabilidad de sus enlaces químicos en los compuestos. El profesor Andreyev, que se trasladó el año pasado a York desde la Universidad del Oeste de Escocia, dijo: "El astato es de particular interés debido a que sus isótopos son candidatos interesantes para la creación de radiofármacos para el tratamiento del cáncer mediante la terapia".

"El valor experimental del astato sirve también para la evaluación comparativa de las teorías utilizadas para predecir las propiedades atómicas y químicas de los elementos superpesados, en particular, el elemento 117 recientemente descubierto, que es un homólogo de astato", agrega este investigador.

El astato fue descubierto en 1940 bombardeando un blanco de bismuto con partículas alfa y el isótopo más estable de este elemento tiene un tiempo de vida media de sólo 8,1 horas. En 1964, McLaughlin estudió una muestra de 70 ng de isótopos radiactivos producidos artificialmente de astato y fue el primero en observar dos líneas espectrales en la región UV.

En ISOLDE, isótopos de corta duración fueron creados en las reacciones nucleares inducidas por un comunicado de haz de protones de alta energía a partir de material de blanco y pueden interactuar inmediatamente con haces de láser dentro de la cavidad caliente de la fuente de láser de iones.

Una vez que las longitudes de onda de los láseres están sintonizadas en resonancia con transiciones atómicas seleccionadas, los átomos son excitados por etapas e ionizados debido a la absorción de varios fotones con energía total superior al umbral de ionización. Este proceso llamado Resonancia de Ionización Láser de Fuente de Iones (Rilis), en combinación con el separador electromagnético, suministra vigas isotópicas puras de diferentes elementos para muchos experimentos realizados en ISOLDE.

Físicos de la Universidad Católica de Lovaina, en Bélgica, desarrollaron la configuración de uno de los estudios, en el que observaron los primeros iones láserionizados de astato y se identificaron por su característica desintegración alfa en estos experimentos, además de encontrar el umbral de ionización de astato mediante el escaneo de la longitud de onda del láser UV ionizante.

Una segunda fase del estudio del espectro atómico del astato se llevó a cabo en las instalaciones de isótopo radiactivo ISAC del laboratorio nacional canadiense de física de partículas y nuclear TRIUMF en Vancouver, donde se encontraron nuevas transiciones ópticas en la región infrarroja del espectro. Con las transiciones recién descubiertas, se definió un esquema de ionización de tres pasos muy eficiente de astato y se utilizó Rilis en el estudio ISOLDE del espectro astato.

Los investigadores probaron la región de interés en torno al umbral de ionización y encontraron una serie de resonancias conocidas como estados de Rydberg. A partir de este espectro, se extrajo con precisión la primera potencial ionización de astato.