La Razón Extraña El Plutonio No Actúa Como Otros Metales

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Los científicos han descubierto que el magnetismo faltante del plutonio revela que el comportamiento descabellado de sus electrones puede explicar por qué el metal no actúa como otros metales en la tabla periódica.

El plutonio es un metal, pero no se adhiere a un imán, desconcertando a los científicos durante décadas. Ahora los investigadores pueden haber encontrado este "magnetismo perdido".

El escondite? Los electrones que rodean cada átomo de plutonio, encuentra el grupo, liderado por Marc Janoschek, del Laboratorio Nacional de Los Álamos.

El hallazgo, dicen, podría llevar a la capacidad de predecir y ajustar las propiedades de los nuevos materiales con mayor precisión. [Primaria, querida: 8 elementos de los que nunca has oído hablar]

Fundamentos atómicos

Los electrones giran alrededor de los átomos en conchas, también conocidos como orbitales. Cada orbital tiene un cierto número máximo de electrones que puede contener. En metales comunes, el número de electrones en el orbital más externo es fijo: el cobre, por ejemplo, tiene un electrón y el hierro tiene dos en esa capa externa. A falta de cualquier otra energía agregada al átomo (calor o electricidad, por ejemplo), los electrones están en un estado de energía más baja, llamado estado fundamental.

Para averiguar cómo se veían los electrones del plutonio en este estado fundamental, el equipo de Janoschek disparó un haz de neutrones a una muestra de plutonio. Los neutrones y los electrones tienen campos magnéticos, y esos campos tienen momentos magnéticos. Un momento magnético se refiere a la cantidad y dirección de la fuerza necesaria para alinear un objeto en un campo magnético. Cuando los momentos de los neutrones y los electrones interactuaron, el equipo de Janoschek observó una especie de firma de los estados fundamentales de los electrones, que reveló el número de electrones en la capa externa.

Fue entonces cuando encontraron que el plutonio podía tener cuatro, cinco o seis electrones en la capa exterior en el estado fundamental. Los científicos que intentaban explicar las propiedades extrañas del elemento habían asumido previamente que el número era fijo.

Pero eso no es lo que mostró el nuevo estudio. "Fluctúa entre las tres configuraciones diferentes", dijo Janoschek. "Está en los tres al mismo tiempo".

Las bases teóricas para este extraño estado de cosas se establecieron en 2007, cuando los físicos de la Universidad de Rutgers desarrollaron una nueva herramienta matemática que suponía que los electrones del plutonio podrían fluctuar de esta manera. El experimento de Los Álamos es la primera prueba de la teoría, y ha resultado ser correcto.

Propiedades extrañas del plutonio

Esta fluctuación puede explicar por qué el plutonio no es magnético. Los imanes obtienen su poder de adherencia de los electrones no apareados. Cada electrón es como un pequeño imán con un polo norte y un polo sur. Cuando los electrones llenan las capas de un átomo, cada uno toma su lugar por separado, y los momentos magnéticos apuntan en la misma dirección. A medida que más electrones llenan la cáscara, se emparejan con los polos norte y sur, uno frente al otro, para que los campos magnéticos se cancelen. Pero a veces un electrón no puede encontrar un compañero. Por ejemplo, cuando el hierro se coloca en un campo magnético, los electrones no pareados se alinean de la misma manera, creando un campo magnético agregado y atrayendo a otros imanes. [9 datos interesantes sobre los imanes]

Debido a que la cantidad de electrones en la capa externa del plutonio sigue cambiando, los electrones no apareados nunca se alinearán en un campo magnético y, por lo tanto, el plutonio no puede volverse magnético.

Janoschek dijo que las propiedades del plutonio colocan el elemento entre dos conjuntos de elementos en la tabla periódica. "Mire el torio al uranio y al neptunio. Se comportan como metales de transición, se vuelven más metálicos", dijo. A medida que te mueves a elementos más pesados ​​(a la derecha en la tabla periódica), eso cambia. "Cuando llegas al americio y más allá se ven como tierras raras". Las tierras raras como el neodimio son muy buenos imanes, mientras que los metales de transición a menudo no lo hacen.

El experimento hizo más que solo morder otra propiedad extraña del plutonio. La técnica matemática en el experimento, junto con el descubrimiento de los extraños electrones del plutonio, podría ayudar a los científicos a predecir cómo podrían comportarse los nuevos materiales. Hasta ahora, la única forma de precisar este comportamiento era hacer experimentos como calentarlos o golpearlos con electricidad o campos magnéticos. Ahora hay una manera de saber de antemano.

"Una teoría predictiva de los materiales es importante porque eventualmente podremos simular y predecir las propiedades de los materiales en una computadora", dijo Gabriel Kotliar, profesor de física en Rutgers y uno de los científicos que primero elaboraron las matemáticas. "Para materiales radioactivos como el plutonio, eso es mucho más barato que hacer un experimento real".

También ayuda a explicar otra propiedad extraña del plutonio: el elemento se expande y se contrae mucho más que otros metales cuando se calienta o se inyecta con una corriente eléctrica. Eso es importante para fabricar bombas nucleares, ya que el plutonio debe ser formado con precisión. Los ingenieros, hace mucho tiempo, aprendieron a dar cuenta de ese cambio de forma, pero ahora saben por qué sucede.

El estudio se publica en la edición de hoy (10 de julio) de Science Advances.

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