A descoberta do bóson de Higgs marcou uma virada no campo da física de partículas. No dia 4 de julho de 2012, os cientistas do CERN oficializaram esta descoberta, e desde então temos testemunhado outras descobertas que, embora não tenham abalado os alicerces da física experimental com a energia que a observação desta partícula fez, ajudaram os cientistas a compreender uma um pouco melhor os mecanismos que governam os constituintes finais da matéria.
É neste contexto que um grupo de investigadores da Texas A&M University, nos Estados Unidos, encontrou um tipo de desintegração nuclear nunca antes observada. Para realizar o experimento utilizaram um ciclotron, que é uma espécie de acelerador de partículas, capaz de acelerar um feixe de núcleos de oxigênio-13 para que adquira uma velocidade próxima a 10% da luz. Este foi o seu ponto de partida, mas para compreender em que consistiu a sua experiência, interessa-nos rever alguns conceitos importantes.
Radiação e radioatividade
Todos sabemos intuitivamente que a radiação e a radioatividade estão relacionadas de alguma forma, mas não são a mesma coisa. A radiação é um fenômeno presente na natureza que reúne a emissão, transporte e transferência de energia tanto através do vácuo quanto através de um meio material. O interessante é que a energia pode ser transportada de duas formas diferentes: na forma de ondas eletromagnéticas ou como partículas.
A radioatividade, entretanto, é o processo natural que explica como um núcleo atômico instável perde energia na tentativa de atingir um estado mais estável. E para conseguir isso emite radiação. Os núcleos, que são os prótons e nêutrons do núcleo atômico, conseguem se unir e superar a repulsão natural enfrentada pelos prótons porque a presença dos nêutrons permite que a força nuclear forte atue como uma cola que pode prevalecer à força eletromagnética.
Como um átomo possui mais prótons, ele também precisará de mais nêutrons em seu núcleo para que a força atrativa forte possa prevalecer sobre a força eletromagnética repulsiva.
A interação nuclear forte tem um alcance muito curto, mas em distâncias curtas a sua intensidade é enorme. O ponto de tudo isso é que os nêutrons agem estabilizando o núcleo atômico, de modo que como um átomo possui mais prótons, ele também precisará de mais nêutrons em seu núcleo para que a força atrativa forte possa prevalecer sobre a força eletromagnética repulsiva. Curiosamente, o equilíbrio entre o número de prótons e de nêutrons é muito delicado.
Um átomo é estável se seu núcleo tiver um número preciso de núcleons e a distribuição destes entre prótons e nêutrons permitir que a interação nuclear forte atue como “cola”. Por isso, na natureza só podemos encontrar uma quantidade finita de elementos químicos: aqueles contidos na tabela periódica com os quais todos estamos familiarizados em maior ou menor grau. Qualquer outra combinação de prótons e nêutrons não permitiria a manutenção desse delicado equilíbrio, dando origem a um átomo instável.
O que diferencia um átomo estável de um instável é que no núcleo deste último a interação nuclear forte e a força eletromagnética não estão em equilíbrio, portanto o átomo precisa modificar sua estrutura para atingir um estado de menor energia que lhe permita adotar uma configuração mais estável. Um átomo estável está “confortável” com sua estrutura atual e não precisa fazer nada, mas um átomo instável precisa liberar parte de sua energia para atingir o estado de energia mais baixo de que acabamos de falar.
Para isso, recorre a um mecanismo quântico conhecido como “efeito túnel” que lhe permite fazer algo que parece impossível a priori, e que nada mais é do que ultrapassar uma barreira energética. Este efeito quântico é complexo e altamente contra-intuitivo, mas felizmente não precisamos nos aprofundar nele para compreender claramente como funciona a radioatividade. O importante é que sabemos que um átomo instável tem à sua disposição quatro mecanismos diferentes que podem ajudá-lo a modificar sua estrutura para adotar uma configuração estável: alfa, beta, beta inverso e radiação gama.
Um átomo instável tem à sua disposição quatro mecanismos diferentes que podem ajudá-lo a modificar sua estrutura: alfa, beta, beta reverso e radiação gama.
O primeiro desses mecanismos, a radiação alfa, permite que o átomo se livre de parte de seu núcleo emitindo uma partícula alfa, composta por dois prótons e dois nêutrons. O próximo mecanismo é a radiação beta, que requer um nêutron do núcleo atômico se transforma em um próton, e durante esse processo também emite um elétron e um antineutrino. A radiação beta reversa funciona exatamente ao contrário da radiação beta: um próton é transformado em um nêutron, e esse processo emite um antielétron e um neutrino, que são as antipartículas do elétron e do antineutrino emitidos pela radiação beta.
E por fim, a radiação gama, que é a mais energética e penetrante de todas, requer a emissão de um fóton de alta energia, comumente conhecido como raio gama, para que o núcleo atômico mantenha sua estrutura original. Alguns desses fótons de alta energia são capazes de atravessar paredes de concreto muito espessas e folhas de chumbo, tornando esta a forma de radiação mais perigosa de todas. A radioatividade permite que átomos instáveis liberem parte da sua energia para atingir um estado menos energético e mais estável, mas o que realmente acontece com essa energia?
O princípio da conservação da energia diz que ela não pode ser destruída, por isso é necessariamente levada pelas partículas emitidas pelo átomo instável como resultado de qualquer uma das quatro formas de radiação que acabamos de discutir. Essa energia faz com que as partículas emitidas voam como pequenas balas Eles têm a capacidade de interagir com a matéria em seu caminho.
Se o átomo instável se transformar num átomo de um elemento químico diferente, mas permanecer instável, o processo não terminará aí.
Curiosamente, as radiações alfa, beta e beta inversa, como vimos, provocam a modificação da estrutura do núcleo atômico, de modo que quando um átomo instável recorre a uma dessas formas de radiação se torna um átomo de um elemento químico diferente. Pode ser estável ou pode continuar instável. Embora, sim, será menos energético. A radiação gama, porém, não implica qualquer alteração na estrutura do núcleo atômico, embora reduza sua energia. Esta última forma de radiação costuma acompanhar as demais, adotando a forma de ondas eletromagnéticas.
Se, depois de emitir qualquer uma das formas de radiação que acabamos de discutir, o átomo instável se transformar num átomo de um elemento químico diferente, mas permanecer instável, o processo não terminará aí. O átomo continuará “desconfortável” e precisará recorrer à radioatividade quantas vezes forem necessárias para continuar liberando parte de sua energia com o objetivo final de atingir uma configuração menos energética e completamente estável.
O tempo médio que decorre até o instante em que um átomo instável se desintegra usando qualquer uma das formas de radiação de que falamos é chamado de tempo de meia-vida. E o tempo que passa até que o número de núcleos instáveis de um elemento radioativo seja reduzido à metade da quantidade inicial é chamado de meia-vida. Alguns átomos instáveis decaem quase instantaneamente, mas outros podem levar horas, dias, semanas, anos ou até milênios, essencialmente devido à natureza aleatória do mecanismo quântico que permite ao átomo romper a barreira energética necessária para adotar um ambiente menos energético e estado mais estável.
Compreender melhor a desintegração pode nos ajudar a entender melhor a matéria
Já temos as ferramentas necessárias para compreender com alguma precisão o alcance da experiência realizada pelos cientistas de que falei nas primeiras linhas deste artigo. O elemento com o qual trabalharam é o oxigênio-13, um isótopo instável contendo 13 núcleons (oito prótons e cinco nêutrons). O que eles fizeram foi muito engenhoso: aceleraram um feixe de núcleos desse elemento em um ciclotron para fazê-lo afetar o interior de uma câmara detectora conhecida como TexAT TPC (Câmara de projeção de tempo alvo ativo do Texas) em uma nuvem de dióxido de carbono.
Neste processo de decaimento, um núcleo de oxigênio-13 dá origem a três núcleos de hélio-4 ionizado, um próton e um pósitron.
Ao analisar os vestígios deixados pelos núcleos de oxigénio-13 no gás, perceberam que uma em cada 1.200 desintegrações responde a um mecanismo que nunca tinha sido observado até agora. E é que nestas circunstâncias os núcleos de oxigénio-13 recorrem à desintegração com o propósito de reduzir a sua energia e atingir uma configuração estável. Mas não se trata de nenhum dos mecanismos de que falamos neste artigo, mas de uma nova forma de decaimento radioativo em que um núcleo de oxigênio-13 dá origem a três núcleos ionizados de hélio-4 (são partículas alfa), um próton e um pósitron (este último é a antipartícula do elétron).
Esta descoberta é importante por duas razões fundamentais. A primeira é que pode ajudar os físicos a compreender melhor os processos nucleares que desencadeiam o decaimento radioativo dos núcleos. E também é valioso porque presumivelmente tem a capacidade de permitir que os físicos de partículas identificar as propriedades dos núcleos pouco antes de ocorrer sua desintegração. É claro que ainda há muito trabalho a ser feito, mas estas descobertas estimulam a investigação em física de partículas e ajudam-nos a compreender melhor os fenómenos que governam as propriedades da matéria.
Imagem de capa: Stefan A. Gaertner
Mais informação: Física.org
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