El més pesat (i el més lleuger) entre els lleugers

Dins la taula periòdica l’àtom més lleuger és l’àtom d’hidrogen. Aquest està format per un electró i un protó i té un pes atòmic aproximat d’1 unitat de massa atòmica (u.m.a.). El següent és l’heli que, amb un pes aproximat de 4 u.m.a., té dos electrons i un nucli format per dos protons i dos neutrons. Més lleugers que l’heli però més pesats que l’àtom d’hidrogen tenim dos isòtops de l’hidrogen: el deuteri i el triti. El deuteri és un àtom d’hidrogen que té en el nucli un protó i un neutró i que pesa aproximadament el doble que l’àtom d’hidrogen més freqüent. Es un isòtop de l’àtom d’hidrogen perquè només es diferencia de l’àtom d’hidrogen en el número de neutrons que hi ha al nucli. En general, la substitució d’un àtom d’hidrogen per un de deuteri en un determinat compost no té un efecte gaire important. Tot i així, les reaccions en les que hi ha ruptura d’un enllaç X-H (X=C, O, N, …) poden ser entre 7 i 11 vegades més ràpides que aquelles en les que l’àtom d’hidrogen de l’enllaç X-H ha estat substituït per un deuteri (X-D). Aquest efecte es coneix amb el nom d’efecte cinètic d’isòtop. L’efecte cinètic d’isòtop permet als investigadors obtenir pistes sobre el mecanisme de les reaccions químiques. El triti és l’isòtop de l’àtom d’hidrogen menys abundant. Té en el nucli un protó i dos neutrons i que pesa aproximadament el triple que l’àtom d’hidrogen estàndard.

Recentment, el grup del Prof. Fleming, ha sintetitzat el que es pot considerar un isòtop de l’hidrogen molt particular i ho ha publicat en dos articles al Science i al Journal of Chemical Physics. Per això ha llençat muons negatius produïts en un sincrotó sobre àtoms d’He. Els muons negatius tenen les mateixes propietats de càrrega i espín que els electrons, només que són unes 200 vegades més pesats (pesen unes deu vegades menys que un protó). En les seves trajectòries alguns muons han substituït un electró de l’àtom d’He i han generat un àtom neutre amb un nucli d’heli i un electró i un muó que s’anomena heli muònic (veure Figura 1). Com que el muó és molt més pesat que l’electró, es mou a distàncies molt properes al nucli.  En aquestes condicions, l’electró que es mou allunyat del nucli en comptes de veure un nucli amb les dues càrregues positives dels dos protons, veu un nucli amb una sola càrrega positiva que és el resultat net de tenir dues càrregues positives més una de negativa. Es diu que el muó apantalla el nucli. Aquest electró es comporta des d’un punt de vista químic de la mateix manera que l’electró de l’àtom d’hidrogen i el nou àtom format es pot arribar a considerar un isòtop de l’hidrogen de pes 4.1 u.m.a. (^4.1H). Es tracta doncs de l’isòtop més pesat entre els isòtops de l’àtom més lleuger.

Per un altre costat els mateixos investigadors ja havien aconseguit fabricar un àtom d’hidrogen amb un muó positiu en comptes del protó que químicament també es comporta com un àtom d’hidrogen (^0.1H) molt lleuger (0.11 u.m.a.). En aquest cas es tracta doncs de l’isòtop més lleuger entre els isòtops de l’àtom més lleuger. La relació de masses entre l’isòtop mes pesat (^4.1H) i el més lleuger (^0.1H) és de 36.4 el que representa un nou rècord en el camp dels isòtops.

El muó és un partícula de 2.2 μs de vida mitja i encara que sembli poc és suficient per permetre realitzar reaccions químiques amb aquest isòtop d’hidrogen superpesat i superlleuger. Concretament Fleming i col·laboradors estudien la reacció química més senzilla possible entre l’hidogen atòmic i el molecular (Ha + Hb-Hc → Ha-Hb + Hc) utilitzant com a àtom d’hidrogen (Ha) els isòtops ^0.1H i ^4.1H i fent mesures experimentals dels efectes cinètics d’isòtop. Es tracta d’experiments espectaculars en la frontera entre la física de partícules i la química. La química es comporta, un cop més, com a ciència central interaccionant aquest cop amb la física.