A espectroscopia a laser ajuda a revelar propriedades nucleares ocultas do férmio
As primeiras medições de alta precisão do núcleo do férmio-255 validam os modelos nucleares modernos e fazem avançar a investigação sobre elementos superpesados
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Pela primeira vez, os investigadores determinaram a forma do núcleo do actinídeo férmio-255 e mediram a sua estrutura com elevada precisão e resolução. Este avanço, publicado na revista *Physical Review Letters*, corrobora os modelos teóricos modernos e abre novas possibilidades para a compreensão do comportamento dos núcleos atómicos mais pesados.
O estudo das formas dos núcleos atómicos proporciona informações essenciais sobre a sua estrutura interna. Nos nuclídeos muito pesados, a forma nuclear está intimamente ligada à sua estabilidade face à fissão espontânea, sendo, por isso, um fator-chave na procura de elementos superpesados com maior tempo de vida. A fissão espontânea resulta da forte repulsão entre os numerosos protões nos núcleos pesados e, em última análise, limita a existência de elementos para além do urânio (elemento 92).
A investigação destes núcleos é altamente desafiante devido à sua disponibilidade extremamente limitada na produção artificial. O seu estudo requer vias de produção específicas, bem como técnicas experimentais altamente sensíveis. No presente trabalho, vias de produção complexas, que se estenderam por vários anos e envolveram múltiplas instalações, produziram amostras contendo apenas alguns mil milhões de átomos. No entanto, isto foi suficiente para realizar espectroscopia avançada a laser no férmio-255, que contém 100 protões e 155 neutrões no seu núcleo. Ao analisar a subestrutura dos níveis de energia atómica na camada eletrónica, que é sensível às propriedades nucleares, os investigadores conseguiram extrair informações sobre a forma nuclear.
As experiências foram realizadas por uma colaboração internacional de cientistas e engenheiros de 18 instituições, liderada pela Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), pelo Instituto Helmholtz de Mainz (HIM), que é uma filial do GSI/FAIR, na Alemanha, e pela Universidade de Gotemburgo, na Suécia, que é também a instituição de origem da primeira autora, Mitzi Urquiza-González. A HÜBNER Photonics GmbH contribuiu para o projeto acolhendo e apoiando Mitzi Urquiza-González durante o seu doutoramento e através da sua experiência em tecnologia laser avançada, que foi essencial para a realização bem-sucedida da experiência.
Ao combinar os dados experimentais sobre a estrutura hiperfina do espectro ótico com cálculos avançados da teoria atómica, os investigadores determinaram que o núcleo do férmio-255 é fortemente prolato, assemelhando-se a uma bola de râguebi. As novas medições corrigem valores não físicos nas tabulações padrão baseadas em relatórios anteriores e são bem descritas por modelos nucleares de última geração. Os resultados foram publicados num artigo recente na revista «Physical Review Letters».
Estrutura do núcleo atómico e interação com a camada de eletrões
Os átomos consistem num núcleo muito pequeno, com carga positiva, rodeado por uma nuvem de eletrões. Os eletrões mais internos movem-se muito perto do núcleo e são, por isso, sensíveis ao seu tamanho, forma e propriedades magnéticas. Ao estudar estes efeitos com espectroscopia a laser de alta precisão, os cientistas podem aprender sobre a estrutura do núcleo. Isto é feito incidindo luz laser sobre os átomos e ajustando cuidadosamente a sua cor (frequência) para detetar pequenas alterações nos níveis de energia dos eletrões entre estados quânticos.
A maioria dos núcleos atómicos não é perfeitamente redonda, mas sim deformada, sendo que muitos se assemelham a uma bola de râguebi. Isto tem consequências importantes para a sua interação com o campo elétrico gerado pelos eletrões circundantes. Um segundo efeito eletromagnético ocorre nos núcleos que contêm um número ímpar de neutrões: estes atuam como minúsculos ímanes. Em geral, a interação desses núcleos com a sua camada de eletrões leva a uma minúscula divisão das transições eletrónicas em vários níveis muito próximos uns dos outros. A isto chama-se interação hiperfina. Estas divisões podem ser medidas com elevada precisão utilizando técnicas de espectroscopia a laser, que, assim, fornecem informações sobre os detalhes do núcleo.
Os primeiros níveis de energia atómica do férmio foram observados há mais de 20 anos na JGU. No entanto, devido a limitações técnicas da época, a estrutura hiperfina não pôde ser resolvida, o que levou a dados nucleares incompletos e, em parte, inconsistentes.
Da produção de isótopos à espectroscopia a laser
O férmio não ocorre naturalmente e tem de ser produzido artificialmente, o que torna as investigações experimentais particularmente exigentes. A produção do férmio-255 começou com irradiações de neutrões, com a duração de vários meses, de material transurânico no Reator de Isótopos de Alto Fluxo do Laboratório Nacional de Oak Ridge (EUA), produzindo einsteinio-254. Após a sua utilização inicial em experiências nos EUA, o material foi transportado para Mainz (Alemanha) para um primeiro processamento, antes de ser enviado para o Instituto Laue-Langevin, em França, para ser submetido a uma nova irradiação com neutrões com vista à produção de einsteinio-255. Este isótopo, que decai para o férmio-255, foi finalmente devolvido a Mainz.
Com a sua meia-vida de 40 dias, o einsteínio-255 atua como uma fonte contínua de férmio-255 ao longo de várias semanas. As separações químicas regulares realizadas na JGU permitiram a preparação de várias amostras contendo entre várias dezenas de milhões e até mil milhões de átomos para as experiências de espectroscopia.
As medições de espectroscopia a laser de alta sensibilidade foram realizadas no separador RISIKO da JGU. Na experiência, as amostras de férmio foram aquecidas a aproximadamente 1 000 graus Celsius, o que provocou a evaporação dos átomos. Estes átomos foram então irradiados com luz laser, e a excitação ressonante conduziu à ionização, permitindo a deteção seletiva. A equipa conseguiu resolver com sucesso a estrutura hiperfina de duas transições óticas, o que foi possível graças a sistemas de laser de Ti:safira construídos à medida e a uma vasta experiência no manuseamento de quantidades extremamente pequenas de amostras.
Cálculos teóricos em concordância com os resultados experimentais
Para interpretar os espectros experimentais, foram realizados cálculos específicos de teoria atómica na Universidade Jagiellonian, em Cracóvia, na Polónia, e no HIM. Estes cálculos confirmaram a forma nuclear fortemente deformada e revelaram um momento dipolar magnético que discorda dos valores anteriormente tabulados, corrigindo-os. Os resultados estão em excelente concordância com as previsões da teoria nuclear moderna desenvolvidas no CEA Arpajon (França), no IP2I de Lyon (França) e na Universidade Técnica de Darmstadt (Alemanha).
A experiência preenche uma lacuna importante no nosso conhecimento das propriedades nucleares dos elementos mais pesados e demonstra que é possível efetuar medições de precisão mesmo com quantidades extremamente pequenas de material.
Ao fornecerem informações precisas sobre a forma nuclear e as propriedades magnéticas em sistemas tão pesados, os resultados melhoram diretamente os modelos de fissão nuclear, ajudando a prever a estabilidade de elementos superpesados ainda desconhecidos e orientando futuras descobertas nos limites da tabela periódica.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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