Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia Norte-Americano conseguiram detectar seis isótopos atômicos nunca antes observados: 104Rutherfordium, 106Seaborgium, 108Hassium, 110Darmstadium, 112Copernicium e 114(ainda sem nome). Os resultados observados permitirão entender melhor a teoria da estrutura da concha nuclear dos átomos, a qual prediz a existência de uma “ilha de estabilidade”: núcleos de átomos muito pesados, que existiriam após uma série de átomos muito instáveis, de tempo de vida muito curto.
Os pesquisadores fizeram uso de um cíclotron de 88 polegadas e um separador gasoso, instrumentos para isolar e identificar os novos isótopos. O trabalho foi desenvolvido por um estudante de doutorado, Paul Ellison, da Divisão de Ciência Nuclear (NSD, Nuclear Science Division), supervisionado por Ken Gregorich e Heino Nitsche.
A abordagem fez uso da aceleração de átomos de 48Ca (átomos de cálcio de massa 48 g/mol), bombardeando 242Pu (átomos de plutônio de massa 242 g/mol). O elemento de número atômico 114, ainda sem nome, já havia sido detectado em 1999, por pesquisadores do Instituto de Pesquisa Nuclear de Dubna, Rússia. Os mesmos pesquisadores norte-americanos do estudo atual confirmaram a existência deste átomo em setembro de 2009.
Considera-se que a estabilidade dos núcleos dos átomos (formados por prótons e nêutrons) seja conseqüência de uma estrutura em forma de concha. Este modelo explica que os prótons e os nêutrons encontram-se arranjados em níveis crescentes de energia no núcleo atômico. Um núcleo cuja concha “mais externa” de prótons ou nêutrons encontra-se completamente preenchida é dita “concha mágica” e, assim, é estável. A possibilidade de se encontrar isótopos “mágicos” ou “duplamente mágicos” de elementos superpesados (que teriam ambas conchas de prótons e nêutrons completamente preenchidas) levou à predições da existência de átomos muito pesados e estáveis.
Desta forma, basta conseguir se formar estes átomos superpesados e estáveis. Seria bom se fosse fácil. É necessário se bombardear “núcleos-alvo” ricos em nêutrons e prótons, de maneira a se conseguir os átomos com os núcleos desejados. Os alvos utilizados, átomos de 242Pu, foram colocados na periferia de uma roda de menos de 10 cm de diâmetro, que foi posta a girar para dispersar o calor quando atingida pelo feixe de átomos bombardeantes.
O átomo de 48Ca têm uma estrutura de concha “duplamente mágica” (20 prótons e 28 nêutrons), que pode se combinar com o 242Pu (que têm 94 prótons), em um processo de baixa energia, para formar novos núcleos. Tal método provou ser válido para a criação do átomo de número atômico 114, mesmo levando-se em conta que a probabilidade de os núcleos se combinarem da maneira desejada é muito pequena. Podem ocorrer outras combinações, que geram produtos que causam “ruído” durante o processo. Estes devem ser eliminados para não comprometer a detecção dos núcleos que se queria observar.
O elemento de número atômico = 114 pertence à classe dos que se situam na “ilha de estabilidade”. O modelo das conchas nucleares (nuclear shell model, proposto por Maria Goeppert-Mayer, ganhadora de prêmio Nobel de física) pressupõe que um isótopo com número de prótons = 114 e de massa = 298 g/mol (ou seja, com 184 nêutrons), será “duplamente mágico”, e deverá apresentar um maior tempo de vida, e seria mais fácil de ser detectado. Os isótopos com prótons = 114 preparados até agora foram feitos com muito menos nêutrons, e seus tempos de vida não ultrapassam alguns segundos. As abordagens mais atuais que descrevem o comportamento dos núcleos predizem que os “mágicos” devem ter 120 ou 126 prótons. Desta maneira, os pesquisadores não têm certeza se o elemento de massa 298 g/mol e 114 prótons (designado 298114, pois ainda não têm nome) faz parte deste grupo. Segundo os pesquisadores, talvez seja necessário construir novos aceleradores de partículas para preparar o 298114, utilizando-se feixes aceleradores de projéteis de isótopos raros, de maneira mais intensa.
Os pesquisadores conseguiram preparar dois isótopos do elemento 114: 286114 e 287114 (os índices superiores, à esquerda, indicam a massa destes isótopos, em g/mol). Porém, os tempos de meia-vida destes é de 0,1 segundo e 0,5 segundo, respectivamente. Já os isótopos 288114 e 289114, também preparados, apresentam tempos de meia-vida de 2/3 de segundo e dois segundos, respectivamente. Estes tempos de meia-vida são longos o suficiente para que estes isótopos sofram fissão (quebra) espontânea, emitindo partículas alfa (partículas de dois prótons e dois nêutrons – ou seja, núcleos de hélio – e formando elementos com 4 unidades de massa a menos, que eventualmente possam ser detectados. A fissão espontânea forma fragmentos de massa muito menor, sendo resultante da “quebra” de átomos praticamente “pela metade”.
O grupo de Berkeley tentou uma estratégia nova. Em vez de adicionar mais nêutrons ao átomo com 114 prótons, procuraram sintetizar isótopos com menos nêutrons. Desta maneira, procuraram observar fissões com emissão de partículas alfa. Desta maneira poderiam detectar os isótopos de massa muito alta, e os produtos da fissão, que poderiam originar espécies mais estáveis, e confirmar (ou não) as predições da teoria da estrutura de conchas dos núcleos dos elementos mais pesados.
Para isso, os pesquisadores levaram em conta que a soma de 48Ca e 242Pu é um átomo com 114 prótons e 176 nêutrons. Para que pudessem obter o átomo 285114 com apenas 171 nêutrons, os pesquisadores tiveram que ajustar a energia dos átomos de 48Ca, de maneira a que o processo eliminasse 5 nêutrons.
Depois de 3 semanas aplicando o feixe bombardeante os pesquisadores observaram uma série de decaimentos, a partir do núcleo do átomo 114. Os primeiros dois átomos formados, 285114 e o 281Copernicium são formados pela emissão de partículas alfa, e têm tempo de vida menor do que 1/5 de segundo antes de decair emitindo partículas alfa. O isótopo 277Darmstadtium apresentou tempo de vida de menos de 8/1000 de um Segundo. O 273Hassium apresentou tempo de vida menor do que 1/3 de segundo. O 260Seaborgium apresentou tempo de vida de 3 minutos e 5 segundos antes de emitir uma partícula alfa. Já o 265Rutherfordium apresentou tempo de vida de 2 minutos e meio Os dois últimos tiveram um tempo de vida de quase uma eternidade para átomos tão pesados.
No conjunto, os resultados obtidos confirmaram as predições da teoria das conchas nucleares. Os isótopos mais pesados formados apresentaram menor energia associada à emissão de partículas alfa do que esperado de acordo com a teoria. Desta forma, os resultados obtidos permitirão ajustar a teoria proposta por Maria Goeppert-Mayer. A preparação dos seis isótopos descortina outras possibilidades de caminhos para a preparação destes átomos muito pesados, que permitirão conhecer melhor a natureza da matéria que conhecemos.
Fonte da notícia: ScienceDaily.
Ellison, P., Gregorich, K., Berryman, J., Bleuel, D., Clark, R., Dragojević, I., Dvorak, J., Fallon, P., Fineman-Sotomayor, C., Gates, J., Gothe, O., Lee, I., Loveland, W., McLaughlin, J., Paschalis, S., Petri, M., Qian, J., Stavsetra, L., Wiedeking, M., & Nitsche, H. (2010). New Superheavy Element Isotopes: 242Pu(48Ca,5n)285114 Physical Review Letters, 105 (18) DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.182701
Categorias:química
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E vejam só! Foi publicado no Physical Review Letters!