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Radioatividade por emissão de dois prótons é investigada por pesquisadores do CBPF
A convite do Núcleo de Comunicação Social, Odilon Antônio Paula Tavares e Emil de Lima Medeiros ‒ respectivamente, pesquisador titular (aposentado) e pesquisador associado do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio de Janeiro (RJ) ‒ descrevem, no artigo a seguir, modelo teórico elaborado por eles para explicar um tipo especial e raro de radioatividade, observado experimentalmente há menos de duas décadas: o decaimento por dois prótons.
Radioatividade por emissão de dois prótons
Radioatividade ‒ a despeito de sua descoberta pelo físico francês Antoine Henri Becquerel (1852-1908) há 122 anos ‒ é assunto atualíssimo na física nuclear de hoje. Por décadas, diferentes modos de transmutação nuclear têm sido investigados, tanto em laboratório quanto em teoria. São bem conhecidas as desintegrações alfa (emissão de um núcleo de hélio), beta (elétrons energéticos), fissão (fragmentação do núcleo), por emissão de clusters (aglomerados) nucleares, de próton, de nêutron, bem como formas ainda mais complexas, como beta-alfa, beta-próton, beta-nêutron e outras.
A possibilidade de haver radioatividade por emissão de dois prótons ‒ ou decaimento nuclear por emissão de dois prótons (D2P) ‒ foi relatada pelo físico russo V. I. Goldansky, quem descreveu pela primeira vez, em 1960, esse novo modo de desintegração radioativa. A ocorrência do fenômeno foi prevista em espécies nucleares com excesso de prótons (deficiência de nêutrons), localizadas na vizinhança dos limites da estabilidade nuclear (figura 1) .
Figura 1. Parte do mapa de núcleos atômicos (Z < 45, N < 45) com indicações dos possíveis modos de decaimento
radioativo. Os casos por emissão de dois prótons (observados e previstos) estão mostrados na parte superior
(Elaboração do gráfico: José Guilherme Tavares Monteiro)
A primeira confirmação experimental desse novo modo de desintegração nuclear foi anunciada tão somente 42 anos depois, com a observação do decaimento do radioisótopo 45 Fe diretamente no 43 Cr, com meia-vida de algo em torno de 3 a 8 ms (milissegundos), em experimentos simultâneos que tiveram lugar no GSI (Alemanha) e GANIL (França).
Nos últimos 15 anos, apenas cinco novos isótopos emissores de dois prótons foram identificados ‒ 19 Mg, 45 Fe, 48 Ni, 54 Zn e 67 Kr, como mostra a figura 1. O mais recente, observado há menos de dois anos, deu-se no RIKEN Nishina Center (Japão), onde o trabalho de uma equipe de 53 físicos de uma colaboração internacional, envolvendo 11 países, obteve uma meia-vida de aproximadamente 20 ms para o decaimento 67 Kr → 65 Se + 2p.
Simples e semiempírico
A complexidade experimental nesses casos é enorme, pois se trata de radioatividade artificial, ou seja, o radioisótopo deve ser primeiro obtido de reações nucleares, para depois ser identificado o modo de decaimento e obter a meia-vida do processo, a qual é extremamente pequena ‒ quando muito, da ordem de milissegundos.
Muitos físicos têm se debruçado sobre esse processo radioativo, sobretudo a partir da década de 1990 ‒ e, mais recentemente, também aqui, no CBPF. O D2P tem sido descrito como: i) uma ruptura nuclear a três corpos; ii) emissão de um par de prótons correlacionados; e iii) emissão do cluster virtual, formado por dois prótons (o sistema não-ligado 2 He), com posterior separação dos prótons por repulsão coulombiana.
No presente estudo ‒ publicado no European Journal of Physics A ‒, consideramos estritamente o modo D2P para o qual a energia disponível do núcleo emissor (Z, A) ‒ Z é o número atômico, e A = Z + N, o número de massa ‒ é positiva, possibilitando a formação do núcleo-produto (Z - 2, A - 2).
A emissão de dois prótons propriamente dita não é entendida aqui como uma emissão sequencial, pois o núcleo formado após emissão do primeiro próton pode eventualmente não ter energia de desintegração suficiente para emissão do próton sucessivo. Por conseguinte, o D2P deve ser mais apropriadamente descrito como um mecanismo de emissão simultânea dos prótons, mas emitidos separadamente do núcleo emissor (figura 2) .
Figura 2. Dois prótons (azul) tentam escapar do núcleo atômico por tunelamento quântico através de uma barreira
de potencial (verde), afastando-se do núcleo a partir do ‘fim do túnel’, onde a velocidade é nula. A probabilidade
de ambos serem emitidos simultaneamente é pequeníssima, mas não nula ‒ algo entre aproximadamente
3 × 10 −20 e 3 × 10 −10
(Elaboração da figura: José Guilherme Tavares Monteiro)
Há 13 anos, os autores desenvolveram um modelo simples, semiempírico, com apenas um parâmetro ajustável, baseado no tunelamento quântico através de uma barreira de potencial, o qual foi bem sucedido na obtenção de estimativas de meia-vida para os modos: i) de emissão alfa de 320 radioisótopos; ii) nos 44 casos conhecidos de desintegração por emissão de um próton; e iii) de todos os 27 modos de emissão de clusters nucleares observados até o presente ‒ a assim chamada radioatividade exótica, investigada, pela primeira vez, em 1975, no CBPF.
Isso nos levou não só a estender o mencionado modelo de cálculo aos casos de D2P que tiveram as meias-vidas determinadas experimentalmente a partir de 2000, mas também estimar as meias-vidas de novos casos (ainda não observados) de núcleos de A < 70 com excesso de prótons, localizados próximo aos limites da estabilidade nuclear (figura 1) .
Diferenças aceitáveis
A hipótese básica que permite aplicar o modelo aos casos de D2P é o compartilhamento da energia total de desintegração com dois processos simultâneos de emissão de um próton, conduzindo a dois núcleos-produto virtuais (Z - 1, A - 1).
A taxa de desintegração para a emissão de dois prótons é então obtida pela multiplicação das probabilidades de tunelamento de cada próton através da barreira de potencial pela frequência de assaltos simultâneos à barreira ‒ cerca de 10 21 por segundo, em decorrência do movimento dos prótons no núcleo emissor ‒, somando sobre todos os modos de compartilhamento (figura 2) .
Uma comparação entre os resultados de meia-vida calculados e determinados em laboratório mostra uma diferença de 15%, no caso do emissor 19 Mg; um fator de aproximadamente quatro, no caso do 54 Zn; de cerca de seis, para o 45 Fe e 48 Ni; e por um fator menor ou igual a 10, no caso do 67 Kr.
Tais diferenças podem ser consideradas aceitáveis em vista das incertezas (não pequenas) intrínsecas ao método de cálculo. Também, em uma dúzia de novos radioisótopos para os quais há energia disponível para emissão simultânea de dois prótons, a meia-vida prevista situa-se entre o intervalo aproximado de 1 picossegundo (trilionésimo de segundo) e 3 microssegundo. Portanto, com chances favoráveis de serem acessados experimentalmente.
Odilon A. P. Tavares
Pesquisador titular colaborador (aposentado)
CBPF
Emil de Lima Medeiros
Pesquisador associado II
CBPF
Mais informações:
‘A calculation model to half-life estimate of two-proton radioactive decay process’. Eur. Phys. J. A (2018) 54: 65. DOI: 10.1140/epja/i2018-12495-4
‘Two-proton emission half-lives in the effective liquid drop model’. Phys. Lett. B774 , (2017) 14-19. DOI:10.1016/j.physletb.2017.09.032