Ilha de estabilidade - Island of stability

Em física nuclear , a ilha de estabilidade é um conjunto previsto de isótopos de elementos superpesados que podem ter meias-vidas consideravelmente mais longas do que os isótopos conhecidos desses elementos. Prevê-se que apareça como uma "ilha" no gráfico de nuclídeos , separada dos radionuclídeos primordiais conhecidos estáveis e de vida longa . Sua existência teórica é atribuída a efeitos estabilizadores de " números mágicos " previstos de prótons e nêutrons na região de massa superpesada.

Um diagrama do Joint Institute for Nuclear Research mostrando as meias-vidas medidas (em caixas) e previstas de nuclídeos superpesados , ordenados por número de prótons e nêutrons. A localização esperada da ilha de estabilidade em torno de Z = 112 está circulada.

Várias previsões foram feitas em relação à localização exata da ilha de estabilidade, embora geralmente se pense que se centre perto dos isótopos de copernicium e flerovium nas proximidades da camada de nêutrons fechada prevista em N = 184. Esses modelos sugerem fortemente que a camada fechada irá conferem mais estabilidade para a fissão e decadência alfa . Embora esses efeitos devam ser maiores perto do número atômico Z = 114 e N = 184, a região de maior estabilidade deve abranger vários elementos vizinhos, e também pode haver ilhas adicionais de estabilidade em torno de núcleos mais pesados que são duplamente mágicos (tendo números mágicos de prótons e nêutrons). As estimativas da estabilidade dos elementos na ilha giram em torno de meia-vida de minutos ou dias; algumas estimativas prevêem meias-vidas de milhões de anos.

Embora o modelo de invólucro nuclear prevendo números mágicos exista desde 1940, a existência de nuclídeos superpesados de longa duração não foi definitivamente demonstrada. Como o resto dos elementos superpesados, os nuclídeos da ilha de estabilidade nunca foram encontrados na natureza; portanto, eles devem ser criados artificialmente em uma reação nuclear para serem estudados. Os cientistas não encontraram uma maneira de realizar tal reação, pois é provável que novos tipos de reações sejam necessários para povoar os núcleos próximos ao centro da ilha. No entanto, a síntese bem-sucedida de elementos superpesados até Z = 118 ( oganesson ) com até 177 nêutrons demonstra um leve efeito estabilizador em torno dos elementos 110 a 114 que pode continuar em isótopos desconhecidos, apoiando a existência da ilha de estabilidade.

Introdução

Estabilidade de nuclídeo

Gráfico de meia-vida de nuclídeos conhecidos

A composição de um nuclido ( núcleo atómico ) é definido pelo número de protões Z e o número de neutrões N , que soma a número de massa Uma . O próton número Z , também chamado de número atômico, determina a posição de um elemento na tabela periódica . Os aproximadamente 3300 nuclídeos conhecidos são comumente representados em um gráfico com Z e N para seus eixos e a meia-vida para decaimento radioativo indicada para cada nuclídeo instável (veja a figura). A partir de 2019, 252 nuclídeos são observados como estáveis (nunca foi observado decadência); geralmente, conforme o número de prótons aumenta, os núcleos estáveis têm uma razão nêutron-próton mais alta (mais nêutrons por próton). O último elemento da tabela periódica que tem um isótopo estável é o chumbo ( Z = 82), com estabilidade (ou seja, meia-vida dos isótopos de vida mais longa) geralmente diminuindo em elementos mais pesados. As meias-vidas dos núcleos também diminuem quando há uma proporção nêutron-próton desequilibrada, de modo que os núcleos resultantes têm poucos ou muitos nêutrons para serem estáveis.

A estabilidade de um núcleo é determinada por sua energia de ligação , maior energia de ligação que confere maior estabilidade. A energia de ligação por nucléon aumenta com o número atômico até um amplo platô em torno de A = 60 e, em seguida, diminui. Se um núcleo pode ser dividido em duas partes que têm uma energia total mais baixa (uma consequência do defeito de massa resultante da maior energia de ligação), ele é instável. O núcleo pode se manter unido por um tempo finito porque há uma barreira potencial que se opõe à divisão, mas essa barreira pode ser cruzada por tunelamento quântico . Quanto mais baixa a barreira e a massa dos fragmentos , maior a probabilidade de uma divisão por unidade de tempo.

Os prótons em um núcleo são unidos pela força forte , que contrabalança a repulsão de Coulomb entre prótons carregados positivamente . Em núcleos mais pesados, um grande número de nêutrons sem carga é necessário para reduzir a repulsão e conferir estabilidade adicional. Mesmo assim, à medida que os físicos começaram a sintetizar elementos que não são encontrados na natureza, descobriram que a estabilidade diminuía à medida que os núcleos ficavam mais pesados. Assim, especularam que a tabela periódica poderia chegar ao fim. Os descobridores do plutônio (elemento 94) consideraram chamá-lo de "ultímio", pensando que fosse o último. Após as descobertas de elementos mais pesados, alguns dos quais decaíram em microssegundos, parecia então que a instabilidade com respeito à fissão espontânea limitaria a existência de elementos mais pesados. Em 1939, um limite superior de síntese de elemento potencial foi estimado em torno do elemento 104 e, após as primeiras descobertas de elementos transactinídeos no início dos anos 1960, esta previsão de limite superior foi estendida para o elemento 108 .

Diagrama mostrando os níveis de energia de camadas de prótons conhecidas e previstas (esquerda e direita mostram dois modelos diferentes). As lacunas em Z = 82, 114, 120 e 126 correspondem a fechamentos de casca, que têm configurações particularmente estáveis e, portanto, resultam em núcleos mais estáveis.

Números mágicos

Já em 1914, a possível existência de elementos superpesados com números atômicos bem além do urânio - então o elemento mais pesado conhecido - foi sugerida, quando o físico alemão Richard Swinne propôs que elementos superpesados em torno de Z = 108 eram uma fonte de radiação em raios cósmicos . Embora ele não tenha feito nenhuma observação definitiva, ele hipotetizou em 1931 que os elementos de transurânio em torno de Z = 100 ou Z = 108 podem ter vida relativamente longa e possivelmente existir na natureza. Em 1955, o físico americano John Archibald Wheeler também propôs a existência desses elementos; ele é creditado com o primeiro uso do termo "elemento superpesado" em um artigo de 1958 publicado com Frederick Werner. Essa ideia não atraiu grande interesse até uma década depois, após melhorias no modelo do escudo nuclear . Nesse modelo, o núcleo atômico é construído em "camadas", análogas às camadas de elétrons nos átomos. Independentemente um do outro, nêutrons e prótons têm níveis de energia que normalmente estão próximos, mas depois que uma determinada camada é preenchida, é necessário muito mais energia para começar a preencher a próxima. Assim, a energia de ligação por nucleon atinge um máximo local e os núcleos com camadas preenchidas são mais estáveis do que aqueles sem. Esta teoria de um modelo de escudo nuclear se originou na década de 1930, mas foi somente em 1949 que os físicos alemães Maria Goeppert Mayer e Johannes Hans Daniel Jensen et al. planejou independentemente a formulação correta.

Os números de nucleons para os quais as camadas são preenchidas são chamados de números mágicos . Números mágicos de 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126 foram observados para nêutrons, e o próximo número está previsto para ser 184. Prótons compartilham os primeiros seis desses números mágicos, e 126 foi previsto como uma mágica número de prótons desde 1940. Nuclídeos com um número mágico de cada - como ¹⁶ O ( Z = 8, N = 8), ¹³² Sn ( Z = 50, N = 82) e ²⁰⁸ Pb ( Z = 82, N = 126) - são referidos como "duplamente mágico" e são mais estáveis do que os nuclídeos próximos, como resultado de maiores energias de ligação.

No final dos anos 1960, modelos de concha mais sofisticados foram formulados pelo físico americano William Myers e pelo físico polonês Władysław Świątecki , e independentemente pelo físico alemão Heiner Meldner (1939-2019). Com esses modelos, levando em consideração a repulsão de Coulomb, Meldner previu que o próximo número mágico do próton pode ser 114 em vez de 126. Myers e Świątecki parecem ter cunhado o termo "ilha de estabilidade", e o químico americano Glenn Seaborg , mais tarde um descobridor de muitos dos elementos superpesados rapidamente adotaram o termo e o promoveram. Myers e Świątecki também propuseram que alguns núcleos superpesados teriam vida mais longa como consequência de barreiras de fissão mais altas . Outras melhorias no modelo de camada nuclear pelo físico soviético Vilen Strutinsky levaram ao surgimento do método macroscópico-microscópico, um modelo de massa nuclear que leva em consideração as tendências suaves características do modelo de gota de líquido e flutuações locais, como efeitos de camada. Essa abordagem permitiu ao físico sueco Sven Nilsson et al., Bem como outros grupos, fazer os primeiros cálculos detalhados da estabilidade dos núcleos dentro da ilha. Com o surgimento deste modelo, Strutinsky, Nilsson e outros grupos defenderam a existência do nuclídeo duplamente mágico ²⁹⁸ Fl ( Z = 114, N = 184), em vez de ³¹⁰Ubh ( Z = 126, N = 184) que era previsto para ser duplamente mágico já em 1957. Posteriormente, as estimativas do número mágico de prótons variaram de 114 a 126 e ainda não há consenso.

Descobertas

Isótopos mais estáveis de elementos superpesados ( Z ≥ 104)
Elemento	Número atômico	Mais estável isótopo	Meia-vida
Elemento	Número atômico	Mais estável isótopo	Publicações	NUBASE 2016
Rutherfordium	104	²⁶⁷ Rf	1,3 h	2,5 h
Dubnium	105	²⁶⁸ Db	1,2 d	1,1 d
Seabórgio	106	²⁶⁹ Sg	14 min	5 min
Bohrium	107	²⁷⁰ Bh	1 minuto	3,8 min
Hassium	108	²⁶⁹ Hs	9,7 s	16 s
Meitnerium	109	²⁷⁸ Mt	4,5 s	7 s
Darmstádio	110	²⁸¹ Ds	12,7 s	14 s
Roentgenium	111	²⁸² Rg	1,7 min	1,6 min
Copernicium	112	²⁸⁵ Cn	28 s	32 s
Nihonium	113	²⁸⁶ Nh	9,5 s	7 s
Flerovium	114	²⁸⁹ Fl	1,9 s	2,4 s
Moscovium	115	²⁹⁰ Mc	650 ms	410 ms
Livermorium	116	²⁹³ Lv	57 ms	80 ms
Tennessine	117	²⁹⁴ Ts	51 ms	70 ms
Oganesson	118	²⁹⁴ Og	690 µs	1,15 ms

O interesse por uma possível ilha de estabilidade cresceu ao longo da década de 1960, pois alguns cálculos sugeriam que ela poderia conter nuclídeos com meia-vida de bilhões de anos. Eles também foram preditos como especialmente estáveis contra a fissão espontânea, apesar de sua alta massa atômica. Pensou-se que, se tais elementos existem e têm vida suficientemente longa, pode haver várias novas aplicações como consequência de suas propriedades nucleares e químicas. Isso inclui o uso em aceleradores de partículas como fontes de nêutrons , em armas nucleares como consequência de suas baixas massas críticas previstas e alto número de nêutrons emitidos por fissão, e como combustível nuclear para alimentar missões espaciais. Essas especulações levaram muitos pesquisadores a realizar pesquisas por elementos superpesados nas décadas de 1960 e 1970, tanto na natureza quanto por meio da nucleossíntese em aceleradores de partículas.

Durante a década de 1970, muitas pesquisas por núcleos superpesados de vida longa foram realizadas. Experimentos com o objetivo de sintetizar elementos com número atômico de 110 a 127 foram conduzidos em laboratórios de todo o mundo. Esses elementos foram buscados em reações de fusão-evaporação, nas quais um alvo pesado feito de um nuclídeo é irradiado por íons acelerados de outro em um ciclotron , e novos nuclídeos são produzidos após esses núcleos se fundirem e o sistema excitado resultante libera energia pela evaporação de várias partículas (geralmente prótons, nêutrons ou partículas alfa). Essas reações são divididas em fusão "fria" e "quente", que respectivamente criam sistemas com energias de excitação mais baixas e mais altas; isso afeta o rendimento da reação. Por exemplo, esperava-se que a reação entre ²⁴⁸ Cm e ⁴⁰ Ar produzisse isótopos do elemento 114, e que entre ²³² Th e ⁸⁴ Kr deveria produzir isótopos do elemento 126. Nenhuma dessas tentativas teve sucesso, indicando que tais experimentos podem ter foi insuficientemente sensível se as seções transversais da reação foram baixas - resultando em rendimentos mais baixos - ou se quaisquer núcleos alcançáveis por meio de tais reações de fusão-evaporação podem ter vida curta demais para detecção. Experimentos subsequentes bem-sucedidos revelam que as meias-vidas e as seções transversais de fato diminuem com o aumento do número atômico, resultando na síntese de apenas alguns átomos de vida curta dos elementos mais pesados em cada experimento.

Pesquisas semelhantes na natureza também não tiveram sucesso, sugerindo que se elementos superpesados existem na natureza, sua abundância é inferior a ^10-14 moles de elementos superpesados por mol de minério. Apesar dessas tentativas malsucedidas de observar núcleos superpesados de vida longa, novos elementos superpesados foram sintetizados a cada poucos anos em laboratórios por meio de bombardeio de íons de luz e reações de fusão a frio; rutherfórdio, o primeiro transactinídeo , foi descoberto em 1969, e copernicium, oito prótons mais perto da ilha de estabilidade prevista em Z = 114, foi alcançado em 1996. Embora as meias-vidas desses núcleos sejam muito curtas (na ordem de segundos ), a própria existência de elementos mais pesados do que o rutherfórdio é indicativa de efeitos estabilizadores que se acredita serem causados por conchas fechadas; um modelo que não considerasse tais efeitos impediria a existência desses elementos devido à rápida fissão espontânea.

Flerovium, com os esperados 114 prótons mágicos, foi sintetizado pela primeira vez em 1998 no Joint Institute for Nuclear Research em Dubna , Rússia, por um grupo de físicos liderados por Yuri Oganessian . Um único átomo do elemento 114 foi detectado, com uma vida útil de 30,4 segundos, e seus produtos de decadência tinham meia-vida mensurável em minutos. Como os núcleos produzidos sofreram decadência alfa em vez de fissão, e as meias-vidas foram várias ordens de magnitude mais longas do que as previamente previstas ou observadas para elementos superpesados, este evento foi visto como um "exemplo clássico" de uma cadeia de decadência característica da ilha de estabilidade, fornecendo fortes evidências da existência da ilha de estabilidade nesta região. Mesmo que a cadeia original de 1998 não tenha sido observada novamente e sua atribuição permaneça incerta, outros experimentos bem-sucedidos nas duas décadas seguintes levaram à descoberta de todos os elementos até oganesson , cujas meias-vidas superaram os valores inicialmente previstos; essas propriedades de decomposição suportam ainda mais a presença da ilha de estabilidade. No entanto, um estudo de 2021 sobre as cadeias de decaimento de isótopos de flerovium sugere que não há um forte efeito estabilizador de Z = 114 na região de núcleos conhecidos ( N = 174), e que a estabilidade extra seria predominantemente uma consequência do fechamento da camada de nêutrons . Embora os núcleos conhecidos ainda caiam vários nêutrons abaixo de N = 184, onde a estabilidade máxima é esperada (os núcleos confirmados mais ricos em nêutrons, ²⁹³ Lv e ²⁹⁴ Ts, alcançam apenas N = 177), e a localização exata do centro da ilha permanece desconhecido, a tendência de aumentar a estabilidade próximo a N = 184 foi demonstrada. Por exemplo, o isótopo ²⁸⁵ Cn, com mais oito nêutrons do que ²⁷⁷ Cn, tem meia-vida quase cinco ordens de magnitude mais longa. Espera-se que esta tendência continue em isótopos mais pesados desconhecidos.

Um resumo das cadeias de decaimento observadas em elementos superpesados mesmo Z , incluindo atribuições provisórias nas cadeias 3, 5 e 8. Há uma tendência geral de aumentar a estabilidade para isótopos com um maior excesso de nêutrons ( N - Z , a diferença no número de prótons e nêutrons), especialmente nos elementos 110, 112 e 114, o que sugere fortemente que o centro da ilha de estabilidade está entre os isótopos ainda mais pesados.

Núcleos deformados

Embora os núcleos dentro da ilha de estabilidade em torno de N = 184 sejam previstos para serem esféricos , estudos do início de 1990 - começando com os físicos poloneses Zygmunt Patyk e Adam Sobiczewski em 1991 - sugerem que alguns elementos superpesados não têm núcleos perfeitamente esféricos. Uma mudança na forma do núcleo muda a posição dos nêutrons e prótons na casca. A pesquisa indica que grandes núcleos mais distantes dos números mágicos esféricos são deformados , fazendo com que os números mágicos mudem ou novos números mágicos apareçam. A investigação teórica atual indica que na região Z = 106–108 e N ≈ 160–164, os núcleos podem ser mais resistentes à fissão como consequência dos efeitos de camada para núcleos deformados; assim, esses núcleos superpesados só sofreriam decadência alfa. Acredita-se agora que o Hassium-270 seja um núcleo duplamente deformado mágico, com números mágicos deformados Z = 108 e N = 162. Ele tem meia-vida de 9 segundos. Isso é consistente com modelos que levam em consideração a natureza deformada dos núcleos intermediários entre os actinídeos e a ilha de estabilidade próxima a N = 184, em que uma "península" de estabilidade emerge em números mágicos deformados Z = 108 e N = 162. Determinação do propriedades de decaimento de isótopos de hassium e seabórgio vizinhos perto de N = 162 fornecem evidências mais fortes para esta região de estabilidade relativa em núcleos deformados. Isso também sugere fortemente que a ilha de estabilidade (para núcleos esféricos) não está completamente isolada da região de núcleos estáveis, mas sim que ambas as regiões estão ligadas por meio de um istmo de núcleos deformados relativamente estáveis.

Propriedades de decaimento previsto

Um diagrama que descreve os modos de decaimento previstos de núcleos superpesados, com núcleos observados com contornos pretos. Prevê-se que os núcleos mais deficientes em nêutrons , bem como aqueles imediatamente após o fechamento da camada em N = 184, sofram predominantemente fissão espontânea (SF), enquanto o decaimento alfa (α) pode dominar em núcleos deficientes em nêutrons mais perto da ilha, e significativo decaimento beta (β) ou ramos de captura de elétrons (EC) podem aparecer mais próximos do centro da ilha em torno de ²⁹¹ Cn e ²⁹³ Cn.

As meias-vidas dos núcleos na própria ilha de estabilidade são desconhecidas, uma vez que nenhum dos nuclídeos que estariam "na ilha" foi observado. Muitos físicos acreditam que as meias-vidas desses núcleos são relativamente curtas, da ordem de minutos ou dias. Alguns cálculos teóricos indicam que suas meias-vidas pode ser longo, da ordem de 100 anos, ou possivelmente, enquanto 10 ⁹ anos.

Prevê-se que o fechamento da casca em N = 184 resulte em meias-vidas parciais mais longas para o decaimento alfa e a fissão espontânea. Acredita-se que o fechamento de concha resultará em barreiras de fissão mais altas para núcleos em torno de ²⁹⁸ Fl, dificultando fortemente a fissão e talvez resultando em meias-vidas de fissão 30 ordens de magnitude maiores do que as dos núcleos não afetados pelo fechamento de concha. Por exemplo, o isótopo deficiente em nêutrons ²⁸⁴ Fl (com N = 170) sofre fissão com meia-vida de 2,5 milissegundos e é considerado um dos nuclídeos mais deficientes em nêutrons com estabilidade aumentada nas proximidades de N = Encerramento de 184 concha. Além deste ponto, prevê-se que alguns isótopos não descobertos sofram fissão com meias-vidas ainda mais curtas, limitando a existência e possível observação de núcleos superpesados longe da ilha de estabilidade (nomeadamente para N <170, bem como para Z > 120 e N > 184). Esses núcleos podem sofrer decaimento alfa ou fissão espontânea em microssegundos ou menos, com algumas meias-vidas de fissão estimadas na ordem de ^10-20 segundos na ausência de barreiras de fissão. Em contraste, ²⁹⁸ Fl (que se prevê estar dentro da região de efeitos de casca máximos) pode ter uma meia-vida de fissão espontânea muito mais longa, possivelmente na ordem de 10 ¹⁹ anos.

No centro da ilha, pode haver competição entre a decadência alfa e a fissão espontânea, embora a proporção exata seja dependente do modelo. As meias-vidas de decaimento alfa de 1700 núcleos com 100 ≤ Z ≤ 130 foram calculadas em um modelo de tunelamento quântico com valores Q de decaimento alfa experimental e teórico e estão de acordo com as meias-vidas observadas para alguns dos isótopos mais pesados.

Os nuclídeos de vida mais longa também estão previstos para ficar na linha de estabilidade beta , pois o decaimento beta deve competir com os outros modos de decaimento perto do centro previsto da ilha, especialmente para os isótopos dos elementos 111-115. Ao contrário de outros modos de decaimento previstos para esses nuclídeos, o decaimento beta não altera o número de massa. Em vez disso, um nêutron é convertido em um próton ou vice-versa, produzindo uma isobar adjacente mais próxima do centro de estabilidade (a isobar com o menor excesso de massa ). Por exemplo, ramificações de decaimento beta significativas podem existir em nuclídeos, como ²⁹¹ Fl e ²⁹¹ Nh; esses nuclídeos têm apenas alguns nêutrons a mais do que os nuclídeos conhecidos e podem decair por meio de uma "via estreita" em direção ao centro da ilha de estabilidade. O possível papel do decaimento beta é altamente incerto, já que alguns isótopos desses elementos (como ²⁹⁰ Fl e ²⁹³ Mc) têm meia-vida parcial mais curta para o decaimento alfa. O decaimento beta reduziria a competição e resultaria no decaimento alfa permanecendo o canal de decaimento dominante, a menos que haja estabilidade adicional em relação ao decaimento alfa em isômeros superdeformados desses nuclídeos.

Este gráfico de modos de decaimento previstos, derivado de pesquisas teóricas da Agência de Energia Atômica do Japão , prevê o centro da ilha de estabilidade em torno de ²⁹⁴ Ds; seria o de vida mais longa de vários nuclídeos de vida relativamente longa, principalmente passando por decadência alfa (circulado). Esta é a região onde a linha de estabilidade beta cruza a região estabilizada pelo fechamento da casca em N = 184. À esquerda e à direita, as meias-vidas diminuem conforme a fissão se torna o modo de decaimento dominante, consistente com outros modelos.

Considerando todos os modos de decaimento, vários modelos indicam uma mudança do centro da ilha (ou seja, o nuclídeo de vida mais longa) de ²⁹⁸ Fl para um número atômico inferior, e competição entre o decaimento alfa e a fissão espontânea nesses nuclídeos; estes incluem meia-vida de 100 anos para ²⁹¹ Cn e ²⁹³ Cn, meia-vida de 1000 anos para ²⁹⁶ Cn, meia-vida de 300 anos para ²⁹⁴ Ds e meia-vida de 3500 anos para ²⁹³ Ds, com ²⁹⁴ Ds e ²⁹⁶ Cn exatamente no fechamento da casca N = 184. Também foi postulado que esta região de estabilidade aumentada para elementos com 112 ≤ Z ≤ 118 pode, em vez disso, ser uma consequência da deformação nuclear, e que o verdadeiro centro da ilha de estabilidade para núcleos superpesados esféricos fica em torno de ³⁰⁶Ubb ( Z = 122 , N = 184). Este modelo define a ilha de estabilidade como a região com maior resistência à fissão, em vez de meia-vida total mais longa; o nuclídeo ³⁰⁶ Ubb ainda está previsto para ter uma meia-vida curta em relação ao decaimento alfa.

Outro modo de decaimento potencialmente significativo para os elementos superpesados mais pesados foi proposto para ser o decaimento do cluster pelos físicos romenos Dorin N. Poenaru e Radu A. Gherghescu e pelo físico alemão Walter Greiner . Espera-se que sua proporção de ramificação em relação ao decaimento alfa aumente com o número atômico de modo que possa competir com o decaimento alfa em torno de Z = 120, e talvez se torne o modo de decaimento dominante para nuclídeos mais pesados em torno de Z = 124. Como tal, espera-se que funcione um papel maior além do centro da ilha de estabilidade (embora ainda influenciado pelos efeitos da casca), a menos que o centro da ilha esteja em um número atômico maior do que o previsto.

Possível ocorrência natural

Embora meias-vidas de centenas ou milhares de anos sejam relativamente longas para elementos superpesados, elas são curtas demais para que tais nuclídeos existam primordialmente na Terra. Adicionalmente, a instabilidade dos núcleos intermédios entre actinídeos primordiais ( ²³² Th , ²³⁵ U , e ²³⁸ U ) e a ilha de estabilidade podem inibir a produção de núcleos no interior da ilha em r -process nucleosíntese. Vários modelos sugerem que a fissão espontânea será o modo de decaimento dominante dos núcleos com A > 280, e que a fissão induzida por nêutrons ou beta-retardada - respectivamente captura de nêutrons e decaimento beta imediatamente seguido pela fissão - se tornará os canais de reação primários. Como resultado, o decaimento beta em direção à ilha de estabilidade pode ocorrer apenas dentro de um caminho muito estreito ou pode ser totalmente bloqueado pela fissão, impedindo assim a síntese de nuclídeos dentro da ilha. A não observação de nuclídeos superpesados, como ²⁹² Hs e ²⁹⁸ Fl na natureza, é considerada uma consequência de um baixo rendimento no processo r resultante desse mecanismo, bem como meias-vidas muito curtas para permitir que quantidades mensuráveis persistam na natureza.

Apesar desses obstáculos à sua síntese, um estudo de 2013 publicado por um grupo de físicos russos liderado por Valeriy Zagrebaev propõe que os isótopos de copernício de vida mais longa podem ocorrer em uma abundância de ^{10-12 em} relação ao chumbo, pelo que podem ser detectados em raios cósmicos . Da mesma forma, em um experimento de 2013, um grupo de físicos russos liderados por Aleksandr Bagulya relatou a possível observação de três núcleos cosmogênicos superpesados em cristais de olivina em meteoritos. O número atômico desses núcleos foi estimado entre 105 e 130, com um núcleo provavelmente restrito entre 113 e 129, e seus tempos de vida foram estimados em pelo menos 3.000 anos. Embora essa observação ainda não tenha sido confirmada em estudos independentes, ela sugere fortemente a existência da ilha de estabilidade e é consistente com cálculos teóricos de meia-vida desses nuclídeos.

Possíveis síntese e dificuldades

Renderização tridimensional da ilha de estabilidade em torno de N = 178 e Z = 112

A fabricação de núcleos na ilha de estabilidade mostra-se muito difícil porque os núcleos disponíveis como materiais de partida não fornecem a soma necessária de nêutrons. Feixes de íons radioativos (como ⁴⁴ S) em combinação com alvos de actinídeo (como ²⁴⁸cm ) podem permitir a produção de mais núcleos ricos em nêutrons mais próximos do centro da ilha de estabilidade, embora tais feixes não estejam atualmente disponíveis nas intensidades necessárias para conduzir tais experimentos. Vários isótopos mais pesados, como ²⁵⁰ Cm e ²⁵⁴Es ainda podem ser usados como alvos, permitindo a produção de isótopos com um ou dois nêutrons a mais do que os isótopos conhecidos, embora a produção de vários miligramas desses raros isótopos para criar um alvo seja difícil. Também pode ser possível sondar canais de reação alternativos nas mesmas reações de fusão-evaporação induzidas por ⁴⁸ Ca que povoam os isótopos conhecidos mais ricos em nêutrons, a saber, pxn e αxn (emissão de um próton ou partícula alfa , respectivamente, seguido por vários nêutrons) canais. Isso pode permitir a síntese de isótopos enriquecidos com nêutrons dos elementos 111-117. Embora as seções transversais previstas sejam da ordem de 1–900 fb , menores do que aquelas nos canais xn (emissão apenas de nêutrons), ainda pode ser possível gerar isótopos de elementos superpesados de outra forma inalcançáveis nessas reações. Alguns desses isótopos mais pesados (como ²⁹¹ Mc, ²⁹¹ Fl e ²⁹¹ Nh) também podem sofrer captura de elétrons (convertendo um próton em um nêutron), além do decaimento alfa com meia-vida relativamente longa, decaindo em núcleos como ²⁹¹ Cn que se prevê que fiquem perto do centro da ilha de estabilidade. No entanto, isso permanece em grande parte hipotético, pois nenhum núcleo superpesado perto da linha de estabilidade beta ainda foi sintetizado e as previsões de suas propriedades variam consideravelmente entre os diferentes modelos.

O processo de captura lenta de nêutrons usado para produzir nuclídeos pesados como ²⁵⁷Fm é bloqueado por isótopos de férmio de vida curta que sofrem fissão espontânea (por exemplo, ²⁵⁸ Fm tem meia-vida de 370 µs); isso é conhecido como "lacuna de férmio" e impede a síntese de elementos mais pesados em tal reação. Pode ser possível contornar esta lacuna, bem como outra região de instabilidade prevista em torno de A = 275 e Z = 104-108, em uma série de explosões nucleares controladas com um fluxo de nêutrons mais alto (cerca de mil vezes maior do que os fluxos existentes reatores) que imita o processo r astrofísico . Proposta pela primeira vez em 1972 por Meldner, tal reação pode permitir a produção de quantidades macroscópicas de elementos superpesados dentro da ilha de estabilidade; o papel da fissão em nuclídeos superpesados intermediários é altamente incerto e pode influenciar fortemente o rendimento de tal reação.

Este gráfico de nuclídeos usado pela Agência de Energia Atômica do Japão mostra modos de decaimento conhecidos (em caixas) e preditos de núcleos até Z = 149 e N = 256. Regiões de estabilidade aumentada são visíveis em torno dos fechamentos de conchas previstos em N = 184 ( ²⁹⁴ Ds - ²⁹⁸ Fl) e N = 228 ( ³⁵⁴ 126), separados por uma lacuna de núcleos de fissão de vida curta ( t _1/2 <1 ns; não colorido no gráfico).

Também pode ser possível gerar isótopos na ilha de estabilidade, como ²⁹⁸ Fl em reações de transferência de múltiplos núcleos em colisões de baixa energia de núcleos de actinídeos (como ²³⁸ U e ²⁴⁸ cm). Este mecanismo de quasifissão inversa (fusão parcial seguida de fissão, com uma mudança do equilíbrio de massa que resulta em produtos mais assimétricos) pode fornecer um caminho para a ilha de estabilidade se os efeitos de casca em torno de Z = 114 forem suficientemente fortes, embora elementos mais leves, como prevê-se que nobélio e seabórbio ( Z = 102–106) tenham rendimentos mais elevados. Estudos preliminares das reações de transferência ²³⁸ U + ²³⁸ U e ²³⁸ U + ²⁴⁸ Cm não conseguiram produzir elementos mais pesados do que o mendelévio ( Z = 101), embora o rendimento aumentado na última reação sugira que o uso de alvos ainda mais pesados, como ²⁵⁴ Es (se disponível) pode permitir a produção de elementos superpesados. Este resultado é apoiado por um cálculo posterior que sugere que o rendimento de nuclídeos superpesados (com Z ≤ 109) será provavelmente maior em reações de transferência usando alvos mais pesados. Um estudo de 2018 da reação ²³⁸ U + ²³² Th no Texas A&M Cyclotron Institute por Sara Wuenschel et al. encontraram vários decaimentos alfa desconhecidos que podem ser atribuídos a novos isótopos ricos em nêutrons de elementos superpesados com 104 < Z <116, embora mais pesquisas sejam necessárias para determinar inequivocamente o número atômico dos produtos. Este resultado sugere fortemente que os efeitos da casca têm uma influência significativa nas seções transversais, e que a ilha de estabilidade poderia ser alcançada em experimentos futuros com reações de transferência.

Outras ilhas de estabilidade

Outros fechamentos de conchas além da ilha principal de estabilidade na vizinhança de Z = 112-114 podem dar origem a ilhas adicionais de estabilidade. Embora as previsões para a localização dos próximos números mágicos variem consideravelmente, acredita-se que duas ilhas significativas existam em torno de núcleos duplamente mágicos mais pesados; o primeiro perto de ³⁵⁴ 126 (com 228 nêutrons) e o segundo perto de ⁴⁷² 164 ou ⁴⁸² 164 (com 308 ou 318 nêutrons). Nuclídeos dentro dessas duas ilhas de estabilidade podem ser especialmente resistentes à fissão espontânea e ter meia-vida de decaimento alfa mensurável em anos, portanto, tendo estabilidade comparável a elementos na vizinhança de flerovium . Outras regiões de estabilidade relativa também podem aparecer com fechamentos de camadas de prótons mais fracos em nuclídeos beta-estáveis; tais possibilidades incluem regiões próximas de ³⁴² 126 e ⁴⁶² 154. Repulsão eletromagnética substancialmente maior entre prótons em tais núcleos pesados pode reduzir grandemente sua estabilidade e possivelmente restringir sua existência a ilhas localizadas na vizinhança de efeitos de camada. Isso pode ter como consequência o isolamento dessas ilhas do mapa principal de nuclídeos , já que nuclídeos intermediários e talvez elementos em um "mar de instabilidade" sofreriam fissão rapidamente e seriam essencialmente inexistentes. Também é possível que além de uma região de estabilidade relativa em torno do elemento 126, núcleos mais pesados ficariam além de um limiar de fissão dado pelo modelo de gota de líquido e, assim, sofrer fissão com tempos de vida muito curtos, tornando-os essencialmente inexistentes, mesmo na vizinhança de maiores números mágicos .

Também foi postulado que na região além de A > 300, um " continente de estabilidade " inteiro consistindo em uma fase hipotética de matéria quark estável , compreendendo quarks fluindo livremente para cima e para baixo, em vez de quarks ligados a prótons e nêutrons, pode existir. Teoriza-se que tal forma de matéria seja um estado fundamental da matéria bariônica com uma maior energia de ligação por bárion do que a matéria nuclear , favorecendo a decomposição da matéria nuclear além desse limite de massa em matéria quark. Se este estado de matéria existir, ele possivelmente poderia ser sintetizado nas mesmas reações de fusão levando a núcleos superpesados normais, e seria estabilizado contra a fissão como conseqüência de sua ligação mais forte que é suficiente para superar a repulsão de Coulomb.

Veja também

Notas

Referências

Bibliografia

Emsley, J. (2011). Blocos de construção da natureza: um guia de AZ para os elementos (nova ed.). Imprensa da Universidade de Oxford. ISBN 978-0-19-960563-7.
Hoffman, DC ; Ghiorso, A .; Seaborg, GT (2000). The Transuranium People: The Inside Story . World Scientific. ISBN 978-1-78326-244-1.
Kragh, H. (2018). De elementos transurânicos a superpesados: uma história de disputa e criação . Springer. ISBN 978-3-319-75813-8.
Lodhi, MAK, ed. (1978). Elementos Superpesados: Anais do Simpósio Internacional sobre Elementos Superpesados . Pergamon Press. ISBN 978-0-08-022946-1.
Podgorsak, EB (2016). Física da radiação para físicos médicos (3ª ed.). Springer. ISBN 978-3-319-25382-4.

links externos

Ilha ahoy! ( Nature , 2006, com diagrama JINR de nuclídeos pesados e ilha de estabilidade prevista)
Elementos superpesados (como Z = 116 ou 118) podem ser formados em uma supernova? Podemos observá-los? ( Cornell , 2004 - "talvez")
Segundo cartão postal da ilha de estabilidade ( CERN , 2001; nuclídeos com 116 prótons e massa 292)
Primeiro cartão postal da ilha de estabilidade nuclear ( CERN , 1999; primeiros Z = 114 átomos)

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