Novos elementos superpesados: como são produzidos e identificados

Alinka Lépine-Szily é professora sênior do Instituto de Física (IF) da USP

Por - Editorias: Artigos
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Alinka Lépine-Szily – Foto: Arquivo pessoal

 

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 LettersPhysics Letters BPhysical Review CNuclear 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.

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+α(E=10.81MeV, τ=112ms) à 286113+α(E=9.95MeV,τ=0.23s) à282Rg +α(E=9.63MeV, τ=28.3s) à 278Mt + α(E=9.00MeV,τ=0.74s)à 274Bh + +α(E=9.55MeV, τ=11s) à 270Db +α(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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