Detecção inédita do isótopo oxigênio-28 desafia o nosso entendimento do núcleo atômico

Figura 1. O Laboratório de Feixes Riken RI, em Wako, Japão, cria jatos de isótopos radioativos com a ajuda de um anel cíclotron supercondutor.

Em um acelerador de partículas no Japão (Fig.1), físicos conseguiram pela primeira vez criar e detectar um isótopo de oxigênio (O) com 20 nêutrons no núcleo, combinando uma massa atômica de 28 (oxigênio-28 ou O-28). O elemento oxigênio possui normalmente 8 prótons e 8 nêutrons no núcleo, resultando em uma massa atômica de 16. Teoricamente, cientistas esperavam que esse isótopo fosse relativamente estável, porém o O-28 observado nos experimentos mostrou ser altamente instável, desintegrando rapidamente após sua criação. O achado foi reportado esta semana na Nature (Ref.1) e, caso seja replicado por outros grupos de pesquisa, isso aponta que uma atualização é necessária nos modelos teóricos associados à estrutura atômica.

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Atuais teorias atômicas predizem que o núcleo de átomos com certos números de prótons e de nêutrons são intrinsecamente estáveis. Isso porque prótons (Z) e nêutrons (N) preenchem 'camadas' no núcleo (modelo de camadas ou Shell Model) com base em uma extensão do Princípio de Exclusão de Pauli (1). Quando uma camada é preenchida com o número certo de prótons ou nêutrons, torna-se muito difícil adicionar ou arrancar partículas no sistema. Experimentos e cálculos teóricos nas últimas décadas têm estabelecido os números 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126 como mágicos. Se um núcleo possui um número mágico para prótons e também para nêutrons, esse se torna "duplamente mágico" - e, portanto, ainda mais estável. Caracterização dos núcleos duplamente mágicos é crucial para o nosso entendimento da força forte que une prótons e nêutrons no núcleo atômico, e, consequentemente, é crítica para modelos de nucleossíntese e de processos estelares associados (2).

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(1) Esse Modelo de Camadas é similar ao modelo de preenchimento da eletrosfera dos átomos com elétrons. Para mais informações, fica a sugestão de leitura: O que é Shell Model?

(2) Leitura recomendada: Como são formados os elementos químicos da tabela periódica?

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O mais abundante isótopo de oxigênio - elemento que famosamente compõem a molécula de água (H2O) e a molécula de oxigênio (O2) que usamos para respirar - é o oxigênio-16, com Z = 8 e N = 8. E esses números são duplamente mágicos, a princípio explicando a alta estabilidade do isótopo O-16. Outra combinação teoricamente prevista de ser duplamente mágica é o isótopo O-28, com Z = 8 e N = 20. Porém, até o momento, os cientistas não haviam sido capazes de detectar o O-18 para avaliar sua estabilidade.

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No novo estudo, uma colaboração internacional de pesquisadores liderada pelo Dr. Yosuke Kondo, um professor no Departamento de Física do Instituto Tóquio de Tecnologia, Japão, conseguiu efetivamente observar dois isótopos do oxigênio (O-28 e O-27), através do decaimento de ambos para o isótopo O-24 e liberação associada de quatro (O-28 → O-24) e três (O-27 → O-24) nêutrons. Para isso, os cientistas usaram um cíclotron para atirar um feixe de isótopos cálcio-48 contra um alvo de berílio, criando no processo o isótopo flúor-29. Esse isótopo do elemento flúor (F) possui 1 próton a mais do que o O-28, mas o mesmo número de nêutrons. Então, no próximo passo experimental, os cientistas arremessaram os átomos de F-29 contra uma espessa barreia de hidrogênio molecular (H2) líquido, arrancando um próton do núcleo e gerando O-28.

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> Isótopos são átomos de um mesmo elemento químico [mesmo número de prótons] mas com diferentes números de nêutrons. Por exemplo, o carbono (C) é um elemento químico com 6 prótons no núcleo e que pode existir sob diferentes isótopos, como o carbono-12 (Z = 6 e N = 6; forma mais abundante) e o carbono-14 (Z = 6 e N = 8; forma menos estável e radioativa).

> Para mais informações sobre o fenômeno quântico de decaimento radioativo, fica a sugestão de leitura: Como calcular a idade dos fósseis e da Terra?

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Como o O-28 mostrou ter uma existência muito curta, a observação desse isótopo foi indireta. Os quatro nêutrons liberados no decaimento do O-28 é que foram diretamente detectados, através de uma avançada instrumentação desenvolvida recentemente na Alemanha capaz de detectar nêutrons individuais. O detector especializado consegue visualizar nêutrons quando essas partículas sem carga arrancam prótons no sistema após a expulsão dos núcleos de oxigênio.

Embora os pesquisadores não tenham conseguido medir o tempo exato de existência do O-28, a desintegração foi muito curta para um isótopo que era previsto de ser relativamente estável. O O-28 decaiu quase no exato momento que foi criado. Isso significa que uma combinação de Z = 8 e N = 20 não é duplamente mágica. Aliás, comparando a energia de decaimento tanto para o O-27 quanto para o O-28 com os resultados de modelos teóricos modernos de cromodinâmica quântica, os pesquisadores encontraram uma energia menor do que o esperado para ambos os isótopos, ou seja, eram mais instáveis do que teoricamente previsto. Os resultados sugerem que o O-28 não exibe uma camada N = 20 fechada.

Não é a primeira vez que evidência experimental desafia a universalidade dos números mágicos. Em 2009, cientistas haviam mostrado que o O-24 - ao contrário da previsão do modelo de camadas - parece se comportar como um núcleo duplamente mágico, mesmo possuindo apenas um número mágico de prótons (Ref.2). O O-24 mostrou exibir cerca de 61 milissegundos de meia-vida, ou seja, tempo necessário para metade dos átomos desse isótopo desaparecerem de um sistema através de decaimento radioativo. Esse tempo de existência é significativamente maior do que o previsto. Em um núcleo de oxigênio, 16 parece ser um número mágico, o mesmo não sendo válido para o número 20.

Experimentos futuros serão necessários para melhor esclarecer a questão.

FORÇA FORTE

A força forte - ou força nuclear forte - atua no nível subatômico e é uma das forças fundamentais do universo, que incluem as forças fraca, gravitacional e eletromagnética. Ela é responsável pela coesão do núcleo atômico. Em última análise proporciona a atração entre prótons e nêutrons dentro do núcleo atômico. Assim, a força forte é responsável pela estabilidade da matéria e a forma que a conhecemos.

A detecção do O-28 se junta a outro achado experimental recente que desafiam o nosso atual entendimento teórico da força forte e, consequentemente, das interações no núcleo atômico. Um experimento descrito em uma publicação de abril deste ano no periódico Physical Review Letters (Ref.4), investigando de forma sistemática a excitação de uma partícula alfa (α; núcleo de hélio-4), falhou em demonstrar dinâmicas e energias previstas por cálculos teóricos. Aliás, o experimento mostrou que a excitação do sistema nuclear α - com dois nêutrons e dois prótons - inflava o núcleo duas vezes mais do que o teoricamente previsto!

É ainda incerto se a discrepância encontrada pode ser resolvida pela inclusão de fatores comumente ignorados nos cálculos teóricos ou se existe uma falha fatal no nosso entendimento da força forte.

REFERÊNCIAS