El átomo en el que la relatividad le gana a la cuántica

Que alguien se dedique a estudiar por primera vez con seriedad los iodatos de berkelio no debería ser en principio nada llamativo. Sin embargo, en los tres años que un numeroso equipo internacional de investigadores ha empleado en ellos, se ha puesto de manifiesto que en estos compuestos el berkelio se comporta de manera muy extraña, como si reglas muy establecidas de la mecánica cuántica no terminasen de aplicar. Y es que en la química del berkelio los efectos relativistas son más importantes que los cuánticos.

La mecánica cuántica es el conjunto de reglas que regulan la estructura y el comportamiento químico de la gran mayoría de los elementos de la tabla periódica. Pero conforme el número de protones en el núcleo supera un determinado nivel, que podemos establecer arbitrariamente en los 92 que tiene el uranio, hay que empezar a tener muy en cuenta los efectos que describe la teoría especial de la relatividad de Einstein.

El berkelio es un elemento transuránico sintetizado por primera vez en 1949. Tiene 97 protones en su núcleo y, por tanto, 97 electrones alrededor de él. Aquí se supone que deben aplicar las normas cuánticas estándar, como la regla de Hund, que viene a decir que cuantos más espines paralelos haya en un átomo multielectrónico, menor será su energía. En otras palabras, esta regla empírica dice que si la mitad de los asientos de un tren están en el sentido de la marcha, la gente irá ocupando los que están en el sentido de la marcha, hasta que las interacciones con los ocupantes de otros asientos sean tales que prefieran sentarse en el sentido contrario. Los electrones igual, ocuparán todos los orbitales de tal manera que sus espines sean paralelos. Esto explica la sensibilidad magnética del hierro, por ejemplo. Pero resulta que en el berkelio no se cumple la regla de Hund, ni otras.

El efecto de la relatividad era conocido, pero en el berkelio alcanza proporciones nunca observadas

Los investigadores, tras varias simulaciones con varios modelos de las moléculas sintetizadas, llegaron a una explicación de este fenómeno. Era una cuestión de relatividad, algo ya conocido (por ejemplo, el color del oro se debe a efectos relativistas) pero que en el berkelio alcanza proporciones hasta ahora no observadas.

Según la teoría de la relatividad, cuanto más rápido algo con masa (como un electrón) se mueve, más pesado se vuelve. Debido a que el núcleo de estos átomos transuránicos tiene una carga eléctrica tan grande, los electrones se mueven a fracciones significativas de la velocidad de la luz. Esto hace que se vuelvan más pesados de lo normal, y las reglas empíricas, desarrolladas para elementos mucho más ligeros, que normalmente se aplican al comportamiento de los electrones comiencen a romperse.

Referencia: Mark A. Silver et al. (2017) Electronic Structure and Properties of Berkelium Iodates, Journal of the American Chemical Society doi: 10.1021/jacs.7b05569