Los Elementos Pesados Podrían Mostrar el Vínculo entre la Mecánica Cuántica y la Relatividad

Al estudiar los elementos exóticos de la tabla periódica, los investigadores de la Universidad Estatal de Florida descubrieron un fenómeno muy sorprendente. Parece que los elementos más pesados y raros no siguen las reglas de la mecánica cuántica, sino la teoría de la relatividad de Einstein. Esta primera observación se realizó en el elemento Berkelio, Bk en la Tabla Periódica.

El berkelio es uno de los elementos más pesados que existen en nuestro universo. No existe en la naturaleza y fue producido por primera vez por un equipo que trabajaba en la Universidad de California, Berkeley, en diciembre de 1949. El isótopo más estable del berkelio, el berkelio-247, tiene una vida media de unos 1.380 años. Dado que sólo se han producido pequeñas cantidades de berkelio, no se conocen usos para el berkelio y sus compuestos fuera de la investigación científica básica.

La mecánica cuántica se utiliza para describir las reglas que rigen el comportamiento de los átomos y explican plenamente el comportamiento químico de la mayoría de los elementos de la tabla. Pero los resultados recientes demuestran que estas reglas quedan un poco anuladas por la Teoría de la Relatividad de Einstein cuando se trata de los elementos más pesados y menos conocidos de la Tabla Periódica. Un estudio de compuestos de berkelio llevó a los investigadores a observar una química inusual.

En el cuarto nivel y en los niveles superiores, hay siete orbitales f. Contando los orbitales 5s, 5p y 5d, esto hace un total de 16 orbitales en el quinto nivel. Estas formas orbitales complicadas se muestran en este dibujo.

El equipo dirigido por el Dr. Albrecht-Schmitt estudió los procesos oxidativos y reductivos del compuesto de berkelio. Estos procesos suelen regirse en parte por la capacidad de un elemento de alcanzar configuraciones electrónicas inherentemente estables en vacío, a medias y completamente llenas. Este principio básico ofrece una capacidad de predicción fiable que se ve aumentada por factores adicionales como la estabilización del campo cristalino y del campo ligando, los efectos relativistas y el acoplamiento de espín-órbita. Sin embargo, en el caso de los átomos de berkelio los electrones no seguían las reglas normales de la mecánica cuántica. En lugar de alinearse para mirar todos en la misma dirección, se alinean en sentido contrario siguiendo un movimiento relativista. Según la teoría de la relatividad, cuanto más rápido se mueve cualquier cosa con masa, más pesada se vuelve. Como el núcleo de estos átomos pesados está muy cargado, los electrones comienzan a moverse muy rápidamente, hasta alcanzar fracciones significativas de la velocidad de la luz. Esto hace que se vuelvan más pesados de lo normal, y las reglas que suelen aplicarse al comportamiento de los electrones empiezan a romperse.

"Cuando ves este interesante fenómeno, empiezas a hacerte todas estas preguntas, como por ejemplo, cómo puedes hacerlo más fuerte o cerrarlo", dijo Albrecht-Schmitt. "Hace unos años, nadie pensaba que se pudiera hacer un compuesto de berkelio".

Thomas E. Albrecht-Schmitt del Departamento de Química y Bioquímica, Tallahassee, Florida

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