Estudo revela nova forma de oxigênio observada pela 1ª vez

Frasco de oxigênio ultrapuro - (crédito: Reprodução/images-of-elements.com/oxygen.php)

André Vinícius Pereira*

postado em 01/09/2023 19:48

Pesquisadores do Japão conseguiram observar pela primeira vez o oxigênio-28, um isótopo em particular que apresenta o maior número de nêutrons no núcleo dentre todos os átomos de oxigênio conhecidos. O estudo que revelou essa descoberta foi publicado na última quarta-feira (30/8) na revista Nature.

Para entender o que significa, imagine que você poderia ver dentro de um átomo. No núcleo dele existem partículas que compões esse átomo conhecidas como prótons e nêutrons:

Ilustração de um átomo de oxigênio (foto: Reprodução/oorka5 de depositphotos)

O número atômico de um elemento é definido pela quantidade de prótons existentes no núcleo — o oxigênio, por exemplo, tem oito prótons. Entretanto, o número de nêutrons pode variar, levando a diferentes formas do mesmo elementos, e são chamados de isótopos.

A descoberta feita deste isótopo de oxigênio é que apesar de possuir oito prótons, o núcleo seria composto por 20 nêutrons. A maior quantidade de nêutrons observados anteriormente em um núcleo era 18, no oxigênio-26. O que tem intrigado os pesquisadores que encontraram o oxigênio-28 é o comportamento inesperado do isótopo, uma vez que ele não exibe estabilidade.

Como os cientistas encontraram esse isótopo:

Os trabalhos foram realizados na Fábrica de Feixes de Isótopos Radioativos RIKEN, no Japão, e liderados pelo físico nuclear Yosuke Kondo, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, dessa forma eles conseguiram observar os isótopos de oxigênio nunca vistos, o oxigênio-27 e o oxigênio-28, com 19 e 20 nêutrons.

No acelerador de partículas da instalação, os cientistas dispararam um feixe de isótopos de cálcio-48 contra uma bola de berílio, dessa forma se produziu átomos mais leves, com menos prótons e nêutrons do que o elemento original e que logo se transformou no flúor-29, separado posteriormente para colidir com hidrogênio líquido na tentativa de perder um próton e formar o oxigênio-28.

A tentativa foi bem-sucedida, mas surpreendente, tanto o oxigênio-27, quanto o oxigênio-28 ficaram instáveis, durando apenas um momento antes de se decomporem no oxigênio-24, com três ou quatro nêutrons, respectivamente, contradizendo uma das suposições da física nuclear sobre a estabilidade dos átomos.

A equipe ficou surpresa com a instabilidade, pois esperava que o novo isotopo, o oxigênio-28, fosse estável. A ideia por trás do conceito da estabilidade do átomo seria pelo fato de que para prótons e nêutrons na física nuclear tanto o número oito, quanto o número vinte são "números mágicos”, assim assumindo que o oxigênio-28 deveria ser estável.

'Números mágicos' e elemento 'duplamente mágico'

Um 'número mágico' na física nuclear são os números de partículas de um núcleo atômico que preenchem completamente uma 'concha', com cada nova 'concha' distinguida da última por uma grande lacuna de energia. Os números mágicos nucleares são 2, 8, 20, 28, 50, 82, e 126 e se aplicam aos prótons e aos nêutrons separadamente que completariam essa 'concha' e preencheriam a camada, o que conferia estabilidade ao átomo. Caso um átomo possua um número mágico de prótons e um número mágico de nêutrons, ele é considerado 'duplamente mágico'.

Um exemplo estabelecido é o oxigênio-16, o tipo de oxigênio mais abundante na Terra, que possui oito prótons e oito nêutrons, formando o isótopo com dezesseis. No caso do oxigênio-28, ele seria 'duplamente mágico', uma vez que para nêutrons o número vinte seria 'mágico', e que esse isótopo fosse estável. Porém, os resultados obtidos indicam que essa suposição pode não se confirmar.

Em vez disso, a instabilidade levou os cientistas a concluir que o invólucro nuclear não estava preenchido e, portanto, lançou dúvidas sobre o fato do número 20 ser considerado um 'número mágico'. O que poderia explicar por que o oxigênio-28 demorou tanto para ser observado com sucesso.

Esse fenômeno é referido como 'ilha de inversão' e foi identificado anteriormente em isótopos de elementos como néon, sódio e magnésio, na qual essa 'conchas' com vinte nêutrons também mostram falta de fechamento do invólucro nuclear. Através desse estudo, essa observação pode se aplicar aos isótopos flúor-29 e oxigênio-28.

No caso do oxigénio-28, os cientistas envolvidos no estudo puderam melhor sobre o número 20, que durante o estudo não se provou como um 'número mágico'."Do ponto de vista experimental, a espectroscopia de decaimento multinêutrons demonstrada aqui abre novas perspectivas na investigação de outros sistemas extremamente ricos em nêutrons situados além da linha de gotejamento de nêutrons e no estudo de correlações multinêutrons.", diz um dos trechos do estudo publicado.

A conclusão do estudo ainda sugere novas pesquisas para a observação do núcleo do átomo num estado de energia superior. "Este resultado sugere que o IoI se estende além de 28,29F nos isótopos de oxigênio".