Rio e Roma decifram desintegração rara

A convite do Núcleo de Comunicação Social, Odilon Tavares e Emil Medeiros, pesquisadores do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), e Maria Letizia Terranova, professora catedrática da Universidade de Roma Tor Vergata, descrevem artigo recentemente publicado por eles que explica – com base em modelo desenvolvido pelos três pesquisadores – um caso raro de desintegração alfa do elemento químico háfnio.

Caso raro de desintegração alfa no háfnio

Vários elementos químicos conhecidos hoje ainda estavam ausentes na Tabela Periódica de 1914. Um deles – com posição entre o alumínio e o ouro – era o de número atômico 72. Descoberto nove anos depois, pelo radioquímico húngaro George von Hevesy (1885-1966) e o físico holandês Dirk Coster (1889-1950), ele foi batizado háfnio, em homenagem à cidade de Copenhague, cujo nome, em latim, é Hafnia.

Os diferentes isótopos do háfnio – átomos desse elemento cujos núcleos diferem pelo número de nêutrons – que podem ser encontrados na natureza foram identificados ainda na década de 1930: ^{174, 176−180}Hf – no caso, os superíndices indicam o número de massa do isótopo, ou seja, soma do número de prótons (72)  e nêutrons.

Hoje, são conhecidos outros 33 outros isótopos do háfnio (^153−175Hf e ^181−190Hf), todos radioativos e exibindo a desintegração alfa (emissão espontânea do cluster formado por dois prótons e dois nêutrons) e/ou a desintegração beta – quando um elétron ou pósitron (elétron positivo) são emitidos do núcleo ou quando um elétron do átomo é capturado pelo núcleo atômico.

Entre os isótopos radioativos do háfnio, apenas um é encontrado na natureza (¹⁷⁴Hf, na proporção de 0,16 % de átomos). Ele tem atividade alfa de meia-vida calculada em 3 x 10¹⁶ anos, comparável ao valor medido recentemente de 7 x 10¹⁶ anos. Isso equivale tão somente a ~ 74 desintegrações alfa por ano, para cada grama de háfnio natural.

Muitas têm sido as aplicações do háfnio, com destaque para o uso em barras de controle para reatores de propulsão em submarinos nucleares, ligas metálicas, isolante elétrico em microchips, pesquisas em geoquímica e geocronologia etc.

Isômeros do háfnio

Existem espécies nucleares de mesmo número de prótons e nêutrons, mas que são criadas em estados de energia mais alta do que o estado fundamental. São os chamados estados isoméricos do núcleo ou, simplesmente, isômeros.

Normalmente, os isômeros perdem sua energia de excitação (ou decaem) por emissão de raios gama, isto é, de fótons (partículas de luz) energéticos. Com isso, passam a estados de energia mais baixa ou mesmo ao estado fundamental do núcleo. São as chamadas transições isoméricas (IT, na sigla em inglês). Em alguns casos, no entanto, a meia-vida dessa transição pode ser tão longa que, eventualmente, outros modos de decaimento podem ocorrer e, mesmo raros, ser observados.

O isomerismo nuclear está associado a um alto valor de spin nuclear (‘rotação’ do núcleo atômico) que cria uma ‘armadilha’ (spin trap) que inibe o decaimento do estado de energia mais alta. Esse fenômeno foi previsto, em 1917, pelo radioquímico inglês Frederick Soddy (1877-1956), observado pela primeira vez, em 1921, pelo radioquímico alemão Otto Hahn (1879-1968), e explicado pelo físico alemão Carl von Weizsäcker (1912-2007).

Há mais de 40 anos, são conhecidos três isômeros do isótopo ¹⁷⁸Hf, que, no estado fundamental, é estável:

1. ¹⁷⁸Hf^m1, com energia de excitação de ~ 1,15 MeV, spin 8⁻, meia-vida de quatro segundos e descoberto em 1960;
2. ¹⁷⁸Hf^m2, com energia de excitação de ~ 2,45 MeV, spin 16⁺, meia-vida de 31 anos e descoberto em 1968;
3. ¹⁷⁸Hf^m3, com energia de excitação de ~ 2,57 MeV, spin 14⁻ e meia-vida 68 microssegundos e descoberto em 1977.

A combinação das propriedades exóticas de meia-vida longa com a alta energia de excitação e o alto valor de spin tornava o isômero ¹⁷⁸Hf^m2 um caso especial e único para ser investigado. A questão que se impunha era a seguinte: poderia haver modos alternativos de desexcitação (emissões alfa e beta) desse particular isômero, além das transições gama usuais?

Desexcitação do ¹⁷⁸Hf^m2

Estudos nessa linha de pesquisa foram desenvolvidos a partir de 2005, por um grupo de pesquisadores do Laboratório Flerov de Reações Nucleares, em Dubna (Rússia), com investigação teórica e experimental, para determinar a meia-vida parcial de emissão alfa do isômero ¹⁷⁸Hf^m2.

O grupo foi capaz de estimar as meias-vidas parciais das transições alfa que povoam diferentes estados de energia do isótopo-produto ¹⁷⁴Yb (itérbio, número atômico 70). O resultado indicou 64 Ma (milhão de anos) para a meia-vida total de emissão alfa do isômero ¹⁷⁸Hf^m2. Os níveis de energia do ¹⁷⁴Yb mais frequentados nessas transições foram previstos como sendo ~ 0, 53 MeV, 6⁺  (53%), ~ 0,89 MeV, 8⁺ (23%) e ~ 0,25 MeV, 4⁺  (19%).

Paralelamente, o grupo de Dubna conduziu experimentos com detectores de plástico para registro de partículas alfa, colocando-os, por cerca de um ano, em contato com uma fonte de ¹⁷⁸Hf^m2. Trilhões de átomos desse isômero haviam sido obtidos mediante separação química, a partir de um alvo de itérbio enriquecido do isótopo ¹⁷⁶Yb. Esse alvo foi bombardeado com um feixe de partículas alfa, produzindo, assim, a reação alfa + ¹⁷⁶Yb → ¹⁷⁸Hf^m2 + 2 nêutrons.

Contabilizados os traços de partículas alfa provenientes da amostra de ¹⁷⁸Hf^m2,  foi obtida uma taxa de contagem de 2,1 alfa por dia. Isso fez corresponder a uma meia-vida de 25 Ga (bilhão de anos), quer dizer, 390 vezes maior do que o valor estimado.

Tunelamento quântico

Tendo em vista a diferença significativa entre os valores de meia-vida mencionados – e como a literatura não fornecia outras indicações de meia-vida de emissão alfa para o isômero ¹⁷⁸Hf^m2 –, os autores desta nota decidiram aplicar ao presente caso o modelo semiempírico de cálculo desenvolvido por eles recentemente e baseado no tunelamento quântico (fenômeno em que uma partícula é capaz de atravessar uma barreira de potencial mesmo não tendo energia suficiente para isso). Esse resultado foi publicado no último dia 27 de janeiro no artigo ‘Partial alpha-decay half-life of ¹⁷⁸Hf^m2 isomer’ (Modern Physics Letters A).

Os cálculos obtidos com base no modelo indicaram 240 Ma, valor apenas 3,75 vezes maior do que a estimativa do grupo de Dubna, mas ~ 100 vezes menor do que o valor medido para a meia-vida. Entretanto, o modelo também indicou as transições alfa de maior frequência como sendo as de 57% para o estado ¹⁷⁴Yb (6⁺, ~ 0,53 MeV); 36% para o estado ¹⁷⁴Yb (4⁺, ~ 0,25 MeV); e 4,7% para o estado ¹⁷⁴Yb (8⁺, ~ 0,89 MeV), resultados compatíveis com as estimativas do grupo de Dubna (figura).

Figura. Esquema de decaimento dos estados isoméricos m1 e m2 do isótopo ¹⁷⁸Hf – há um terceiro estado (m3), não mostrado, de excitação 2,572 MeV, spin 14⁻ e meia-vida de 68 microssegundos, o qual decai unicamente por emissão de raios gama. Os isômeros ¹⁷⁸Hf^m1 e ¹⁷⁸Hf^m2  decaem por emissão de raios gama com meias-vidas de quatro segundos e 31 anos, respectivamente. Quatro níveis de energia entre o estado fundamental (estável) e m1 e seis entre m1 e m2 dão origem a cascatas de raios gama, não mostradas. À direita, mostram-se os níveis de energia do ¹⁷⁴Yb mais frequentados pelas transições alfa do ¹⁷⁸Hf^m2, de meia-vida total alfa estimada em 240 Ma (milhões de anos), bem como os percentuais de decaimento conforme previsto pelo tunelamento quântico [1 ps (picossegundo) = 10⁻¹² s; 1 MeV = 1,6 × 10⁻¹³ J]

Crédito: Cedido pelos autores

O fato de as duas estimativas citadas para a meia-vida de emissão alfa do isômero ¹⁷⁸Hf^m2 – obtidas de modo independente e com metodologias diferentes – estarem muito próximas pode ser indicativo de falha no experimento com o qual se obteve um valor bem maior (~ 100 ou ~ 400 vezes maior) do que o previsto.

Claramente, novos experimentos com métodos alternativos de detecção de partículas alfa, bem como novas abordagens teóricas e/ou semiempíricas, poderão levar a resultados mais realistas, capazes de elucidar as diferenças entre esses valores de meia-vida para o presente caso exótico de desintegração alfa isomérica.

Odilon A. P. Tavares,

Pesquisador titular (aposentado)

CBPF

Emil de Lima Medeiros

Pesquisador associado,

CBPF

Maria Letizia Terranova,

Professora catedrática,

Universidade Tor Vergata de Roma

Mais informações:

Modern Physics Letters A: https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S021773232150036X

Notas de Física (CBPF): http://revistas.cbpf.br/index.php/NF/article/viewFile/447/317

Grupo de Dubna: https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.75.057301