Novos elementos superpesados: como são produzidos e identificados
Em 2016, a União Internacional de
Química Pura e Aplicada (IUPAC) anunciou a descoberta de quatro novos
elementos superpesados (SHE , de super heavy element) e
divulgou seus respectivos nomes. A palavra “descoberta” não descreve bem
o processo, pois trata-se na realidade de produzi-los e identificá-los,
já que não existem na natureza. Esses novos elementos superpesados
(SHE) vivem apenas frações de segundos e se desintegram emitindo
partículas alfa em cadeia.
Foram eles: o elemento Z=113 (com 113 prótons) recebeu o nome de
Nihonium (Nh), sugerido pela equipe responsável pela descoberta, do
RIKEN, Nishina Center for Accelerator Based Sciences, Japão. Os
elementos Z=115 e 117 que receberam os nomes de Moscovium (Mc) e
Tennessine (Ts), respectivamente, tendo em vista a região em que
trabalham os pesquisadores que contribuiram para sua produção. O
elemento Z=118, também produzido no laboratório do Joint Institute for
Nuclear Research, Dubna (Rússia), pela equipe local de pesquisadores
russos e também do Laboratório Nacional de Livermore (EUA), recebeu o
nome de Oganesson (Og), em reconhecimento aos méritos do físico nuclear
russo de origem armênia, professor Yuri Oganessian, por sua contribuição
pioneira na produção de elementos transactinídeos e superpesados e pela
observação da “ilha de estabilidade”, prevista por cálculos de
estrutura nuclear.
Vamos recordar que o átomo neutro é feito de um núcleo, constituído
por Z prótons e N nêutrons, e também de Z elétrons distribuídos em uma
vasta região em torno do núcleo, sendo que o “raio do átomo” é várias
ordens de grandeza maior que o “raio do núcleo”. Os elementos são
caracterizados pelo número Z, mas será que suas propriedades são
determinadas pelos Z elétrons ou pelos Z prótons? Depende!
Neste artigo gostaríamos de esclarecer como são produzidos e
identificados os SHE. Quando se diz “são sintetizados”, algumas pessoas
poderiam pensar que provêm da mistura feita por químicos em um tubo de
ensaio. Explicaremos que por métodos químicos não se pode produzir novos
elementos, apenas compostos de elementos já existentes. Foi aí que os
alquimistas se enganaram, pensando que conseguiriam produzir ouro a
partir de metais não nobres como chumbo ou outros.
As ligações moleculares dos compostos de qualquer tipo envolvem
trocas de pequenas quantidades de energia entre os elétrons dos
componentes. A energia de ligação dos núcleos é da ordem de milhões de
eletronvolts e quando se trata de acrescentar mais um próton ao núcleo,
para passar do elemento Z para Z+1, energias muito maiores são
necessárias e o processo se chama reação nuclear.
Todos os elementos são produzidos por reações nucleares, começando no
Big Bang com a nucleossíntese primordial, onde foram formados os
elementos mais leves, deutério, hélio (3He e 4He), e os isótopos do lítio (6Li e 7Li),
a partir do hidrogênio por reações de transferência e de captura de
núcleons. Os elementos mais pesados do que o lítio foram e continuam
sendo formados no interior das estrelas por reações de fusão. Até o
elemento ferro (56Fe) as reações de fusão liberam energia;
porém para núcleos mais pesados a reação de fusão consome energia e não
pode ocorrer espontaneamente nas estrelas. Os elementos mais pesados que
o ferro são produzidos em eventos explosivos, como explosões de
supernovas ou colisão de estrelas de nêutrons, estas últimas sendo
observadas pela primeira vez, recentemente, com detecção de linhas
espectrais de elementos pesados em telescópios do mundo inteiro.
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Vamos recordar que o átomo neutro é feito de um núcleo, constituído por Z prótons e N nêutrons, e também de Z elétrons distribuídos em uma vasta região em torno do núcleo, sendo que o “raio do átomo” é várias ordens de grandeza maior que o “raio do núcleo”.
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Os elementos mais pesados que encontramos em nosso planeta Terra são: o tório (Z=90, 232Th), com meia-vida de 1,4×1010 anos ( 3 vezes a idade da Terra) e os isótopos do Urânio (Z=92, 235U e 238U) com meias-vidas respectivamente de 7×108 e 4,5×109 anos. Os elementos entre Z=89 e Z=103 são chamados actinídeos e correspondem ao período 7 e grupo 3 da Tabela Periódica. Os primeiros da série foram descobertos em minerais contendo óxido de urânio ou tório. A partir de Z > 92 nenhum elemento existe na natureza, sendo que todos os conhecidos foram produzidos artificalmente. Os de Z=99 e 100, em explosão de bomba nuclear. Os outros em laboratórios de física nuclear, usando aceleradores para fornecer a energia necessária para a fusão e usando métodos de física nuclear para detectar e identificar os elementos produzidos. A maioria desses elementos possui isótopos. Após a descoberta, os resultados são publicados em revistas de física, como, por exemplo, Physical Review Letters, Physics Letters B, Physical Review C, Nuclear Physics e outras.
Os elementos mais pesados que encontramos em nosso planeta Terra são: o tório (Z=90, 232Th), com meia-vida de 1,4×1010 anos ( 3 vezes a idade da Terra) e os isótopos do Urânio (Z=92, 235U e 238U) com meias-vidas respectivamente de 7×108 e 4,5×109 anos. Os elementos entre Z=89 e Z=103 são chamados actinídeos e correspondem ao período 7 e grupo 3 da Tabela Periódica. Os primeiros da série foram descobertos em minerais contendo óxido de urânio ou tório. A partir de Z > 92 nenhum elemento existe na natureza, sendo que todos os conhecidos foram produzidos artificalmente. Os de Z=99 e 100, em explosão de bomba nuclear. Os outros em laboratórios de física nuclear, usando aceleradores para fornecer a energia necessária para a fusão e usando métodos de física nuclear para detectar e identificar os elementos produzidos. A maioria desses elementos possui isótopos. Após a descoberta, os resultados são publicados em revistas de física, como, por exemplo, Physical Review Letters, Physics Letters B, Physical Review C, Nuclear Physics e outras.
Enquanto os elementos actinídeos puderam ser produzidos com
irradiações de algumas horas, ou dias, no caso dos novos SHE, os físicos
levam anos para coletar alguns núcleos. Nas experiências de produção de
SHE aceleram-se feixes intensos de núcleos de um certo elemento de
número atômico Zprojétil , que incidem sobre um alvo de elemento de número atômico Zalvo .
Nessas colisões, os dois núcleos se fundem produzindo um núcleo
composto. Se nenhuma partícula for emitida na fusão, o núcleo composto
terá Z=Zprojétil +Zalvo e N= Nprojetil +Nalvo.
Em seguida, um equipamento eletromagnético separa o feixe incidente dos
produtos de fusão, que juntamente com as partículas alfa de seu
decaimento são detectados em uma sequência de detectores (detectores a
gás proporcionais multifilares e/ou semicondutores de silício), onde é
medida sua posição e energia.
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Os elementos mais pesados que encontramos em nosso planeta Terra são: o tório (Z=90, 232Th), com meia-vida de 1,4×1010 anos ( 3 vezes a idade da Terra) e os isótopos do Urânio (Z=92, 235U e 238U) com meias-vidas respectivamente de 7×108 e 4,5×109 anos.
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Quanto mais pesado o núcleo final, menor é a probabilidade de formá-lo. Durante muitos anos foram usados ions pesados estáveis como 208Pb ou 209Bi como alvo e feixes como Fe, Ni, Zn com energia incidente próxima à altura da barreira coulombiana. Essas reações chamadas de “fusão fria” ocorriam ao longo da drip-line de prótons e formavam isótopos pesados muito deficientes em nêutrons e com probabilidades muito baixas, conseguindo chegar até Z=113. A equipe de Oganessian de Dubna propôs usar como feixe o 48Ca, rico em nêutrons e alvos radioativos da cadeia de actinídeos, também ricos em nêutrons, como curium (248Cm), plutonium (244Pu), berkelium (249Bk) e californium (249-251Cf). Este processo foi chamado de “fusão quente” e apresentou probabilidades de fusão bem mais altas, chegando a elementos Z=114 – 118 e com isótopos com mais nêutrons.
Quanto mais pesado o núcleo final, menor é a probabilidade de formá-lo. Durante muitos anos foram usados ions pesados estáveis como 208Pb ou 209Bi como alvo e feixes como Fe, Ni, Zn com energia incidente próxima à altura da barreira coulombiana. Essas reações chamadas de “fusão fria” ocorriam ao longo da drip-line de prótons e formavam isótopos pesados muito deficientes em nêutrons e com probabilidades muito baixas, conseguindo chegar até Z=113. A equipe de Oganessian de Dubna propôs usar como feixe o 48Ca, rico em nêutrons e alvos radioativos da cadeia de actinídeos, também ricos em nêutrons, como curium (248Cm), plutonium (244Pu), berkelium (249Bk) e californium (249-251Cf). Este processo foi chamado de “fusão quente” e apresentou probabilidades de fusão bem mais altas, chegando a elementos Z=114 – 118 e com isótopos com mais nêutrons.
A identificação se faz detectando todas as partículas alfa na cadeia
de decaimento, até chegar em partículas alfa de energia e vida média
conhecidas, de algum núcleo também já conhecido. Como exemplo mostramos
uma das cadeias na descoberta do Z=117 por Oganessian et al [1] (o
símbolo à significa se transforma em )249Bk(Z=97) + 48Ca(Z=20) à 294117+3n à 290115+α1 (E=10.81MeV, τ=112ms) à 286113+α2 (E=9.95MeV,τ=0.23s) à282Rg +α3 (E=9.63MeV, τ=28.3s) à 278Mt + α4 (E=9.00MeV,τ=0.74s)à 274Bh + +α5 (E=9.55MeV, τ=11s) à 270Db +α6 (E=8.8MeV,τ=1.3 min)àFissão espontânea de 270Db
(E=291MeV,τ=33.4h). Neste caso é fácil retraçar o Z do núcleo inicial. O
elemento Z=117 (Ts) com as vidas médias mais longas que seus vizinhos
mais leves é a indicação forte da aproximação da ilha de estabilidade.
Obviamente, essa descrição é bastante superficial e simplificada, cada
elemento tem suas particularidades e não vamos detalhar tudo neste curto
artigo. Em geral, bastam algumas poucas cadeias de decaimento alfa
detectadas para poder declarar que um novo elemento foi produzido e
identificado. Muitas vezes estas medidas são confirmados por novas
medidas, pelo mesmo grupo ou outro grupo, até podendo usar outra reação
nuclear.
As experiências para produzir os novos elementos são de física
nuclear, realizadas por equipes de físicos nucleares. Depois de
publicados os resultados e a comunidade internacional estar avisada da
descoberta, a União Internacional de Física Pura e Aplicada (IUPAP) e a
União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) constituem uma
comissão, chamada Joint Working Party. Cada União indica
membros, não ligados à experiência em questão, cujo papel é estudar
criticamente o trabalho e avaliar se os resultados são corretos, para
validar a descoberta. Em geral quase todos os membros deste grupo são
físicos nucleares, pois eles são capazes de avaliar os detalhes da
experiência. Infelizmente, esses detalhes não chegam ao grande público e
quando da ultima vez, em 30 de dezembro de 2015, a IUPAC sozinha
anunciou a descoberta dos quatro novos elementos superpesados, pouca
gente sabia que o mérito era de físicos nucleares.
Por enquanto estes elementos não têm aplicação prática, mas servem
para confirmar modelos teóricos. Se pudermos medir suas propriedades
químicas, como reatividade ou o fato de ser inerte, saberemos se sua
posição na tabela periódica está correta e se a tabela ainda funciona
para átomos tão pesados. A provável descoberta da ilha de estabilidade
na região superpesada, com átomos vivendo anos, ou até milhares de anos,
poderá ter aplicações práticas.
Referências: [1] Yu. Ts. Oganessian, J.H. Hamilton and V.K.Utyonkov et al EPJ Web of Conferences17, 02001 (2011) DOI: 10.105/epjconf20111702001
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