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Elemento superpesado e estabilidade de átomos grandes

Um dos maiores núcleos atômicos conhecidos sugere elementos com tempo de decaimento longo

G. Otto, Centro GSI Helmholtz para a Pesquisa de Íons Pesados
O acelerador linear no laboratório GSI, na Alemanha, acelerou íons cálcio a velocidade equivalente a 10% da velocidade da luz para sintetizar o elemento 117. 

 
Por Clara Moskowitz

Físicos criaram um dos elementos mais pesados já vistos: um átomo com 117 prótons em seu núcleo. Esse gigante fica nos limites da tabela periódica, onde núcleos inflados tendem a se tornar cada vez menos estáveis. Mas a existência do elemento 117 dá esperança a cientistas: eles podem estar se aproximando da lendária “ilha de estabilidade” onde núcleos com os chamados ‘números mágicos’ de prótons e nêutrons passam a ter vida longa.

Elementos mais pesados que o urânio (que tem 92 prótons) não são comumente encontrados na natureza, mas podem ser criados em laboratórios. O problema é: quanto maior um núcleo atômico se torna, mais seus prótons repelem uns aos outros com suas cargas positivas. Isso, em geral, os torna menos estáveis, ou mais radioativos. O elemento 117, por exemplo, tem uma meia-vida de 50 milésimos de segundo, o que significa que dentro desse tempo, metade dele decairá em um elemento mais leve.

Uma equipe de russos e americanos criou o elemento 117 pela primeira vez em 2010, no Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear em Dubna, na Rússia. O elemento ainda é não é considerado oficial, e precisa ser formalmente aceito e adicionado à tabela periódica pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). A nova aparição do 117, em experimentos do Centro GSI Helmholtz de Pesquisa com Íons Pesados em Darmstadt, na Alemanha, deve ajudar o elemento a receber reconhecimento oficial. “Em contraste com a primeira descoberta, nós somos uma equipe diferente, em um local diferente, usando um dispositivo diferente”, observa Christoph Düllmann, que conduziu a colaboração do GSI. “Eu acho que isso vai mudar a visão que a comunidade científica tem sobre elemento 117. Ele deve passar de um elemento que se alegava ter sido observado, para um elemento confirmado”.

Para criar o 117, que tem o nome temporáriode ‘ununséptio’, os pesquisadores fizeram núcleos de cálcio (com 20 prótons cada um) se chocarem contra núcleos de berquélio (97 prótons).

O experimento demorou a ser realizado, em parte, porque é difícil conseguir berquélio. “Nós tivemos que fazer uma parceria com o único local do planeta onde o berquélio pode ser produzido e isolado em quantidade significativa”, explica Düllmann. Esse local é o Laboratório Nacional Oak Ridge, no Tennessee, que tem um reator nuclear capaz de criar esse raro elemento com uma meia-vida de 330 dias.

A instalação precisou de aproximadamente dois anos para estocar a quantidade de berquélio necessária para o experimento; quando cerca de 13 miligramasforam acumulados, cientistas de Oak Ridge enviaram o elemento para a Alemanha, para começar a próxima fase do projeto.

No GSI, pesquisadores aceleraram íons de cálcio a 10% da velocidade da luz, e fizeram com que colidissem com o berquélio. Quando um núcleo de cálcio colidia diretamente com um de berquélio, ocasionalmente os dois se fundiam, dando origem a um novo elemento com um total de 117 prótons. “Nós produzimos cerca de um átomo por semana”, conta Düllmann.

O elemento 117 não foi observado diretamente. O que os cientistas fizeram foi procurar seus subprodutos após ele ter decaído radioativamente emitindo partículas alfa – núcleos de hélio com dois prótons e dois nêutrons. “Os núcleos pesados realizam o decaimento alfa para produzir o elemento 115, e ele também decai por meio de partículas alfa”, explica Jadambaa Khuyagbaatar do GSI, principal autor de um artigo relatando os resultados, publicado em 1º de maio em Physical Review Letters.

Após alguns passos nessa cadeia de decaimento, um dos núcleos produzidos é o isótopo laurêncio-266 – um núcleo com 103 prótons e 163 nêutrons que nunca fora visto antes. Isótopos anteriormente conhecidos de laurêncio têm menos nêutrons, e são menos estáveis. Essa nova espécie, porém, têm uma meia-vida incrivelmente longa de 11 horas, o que o torna um dos isótopos superpesados mais longevos conhecidos. “Talvez nós estejamos na praia da ilha de estabilidade”, brinca Düllmann.

Ninguém sabe com certeza onde fica essa ilha, ou sequer se ela existe. A teoria sugere que os próximos números mágicos além dos conhecidos ficam por volta de 108, 110 ou 114 prótons, e 184 nêutrons. Essas configurações, de acordo com cálculos, poderiam levar a propriedades especiais que permitem que átomos sobrevivem muito mais tempo que espécies semelhantes. “Todos os dados existentes para os elementos 116, 117 e 118 confirmam que o tempo de vida aumenta conforme nos aproximamos de 184 nêutrons”, declara o teórico Witold Nazarewicz de Oak Ridge, que não se envolveu no estudo. “Isso é encorajador”.

Núcleos mágicos superpesados podem acabar tendo formas interessantes que conferem estabilidade, como a chamada “configuração bolha” com um buraco no meio. “Esses núcleos ainda não foram descobertos, mas a região que está sendo explorada no momento realmente fica na fronteira do território das bolhas”, aponta Nazarewicz.

Se uma ilha de estabilidade realmente existir, não há limite para a duração de seus núcleos. Eles podem acabar sendo estáveis o bastante para serem encontrados na natureza, mesmo que em quantidades tão pequenas que ainda não os encontramos. Vários pesquisadores estão procurando evidências dessas espécies superpesadas já existentes, que talvez tenham se formado por meio de poderosos eventos cósmicos como a fusão de duas estrelas de nêutrons. Ainda que nenhum deles tenha sido encontrado até agora, cientistas têm esperanças de que evidências da ilha de estabilidade estejam logo adiante, existindo ou não.