A fantástica fábrica de elementos pesados | Superinteressante

(iStock/Reprodução)

Para 13 bilhões de anos, o Universo era jovem e extremamente monótono. Consistia, basicamente, em três copos de hidrogênio para cada xícara de hélio, todos os que estão flutuando em nuvens imensas. Não dá para criar muita coisa com apenas dois elementos. Mas não se preocupe: eles eram apenas o começo.

Imensas nuvens cheio de hidrogênio são delicadas. Principalmente porque eles são enormes. Apenas uma pequena perturbação, para que eles desabem sob o seu próprio peso. E, em seguida, o gás começa a ficar denso. Muito denso. A densidade é sinônimo de calor, e, quando o calor no centro da nuvem atinge um determinado nível, os átomos de hidrogênio eles pedem trégua. Quatro, fundir e formar o hélio. A fusão libera uma dose cavalar de energia. E, em seguida, que a bola de gás esquentadinha começa a brilhar. Nasce uma estrela.

Faz 5 bilhões de anos, que o nosso Sol queima do hidrogênio sob pressão, e ele ainda tem mais ou menos a mesma quantidade de tempo pela frente antes de morrer. O Sol consome 600 milhões de toneladas de hidrogênio por segundo. Esta energia homérica flui para fora e compensa o esforço que a gravidade faz para dentro, impedindo a estrela de entrar em colapso. É um cabo de guerra.

Quanto maior a estrela, na verdade, mais rápido acaba o combustível. Um com 25 vezes mais massa do que o Sol, por exemplo, esgotar seu estoque de hidrogênio em 7 milhões de anos – um piscar de olhos na escala cósmica. A solução? Ter um motor flex. Se tudo o que resta após o fim de hidrogênio é o hélio, por que não queimar o hélio?

Legal. A queima de hélio gera um produto mais pesado: o carbono. O elemento mais importante para a vida na Terra. Todos os seres vivos – incluindo você – são feitos basicamente de a fumaça do escapamento de um Sol, obesos e falido em busca de um plano B. Um plano B para o que der errado, pelo caminho. Em 500 mil anos, o hélio acaba. E chega a hora de plano C: queimar o carbono.

A história continua a partir de elemento para elemento, como você pode ver no infográfico abaixo. O espírito da coisa é que de cada vez que o combustível da estrela termina, ela precisa queimar um elemento mais pesado para se manter vivo. E cada vez que ela queima um elemento pesado, ele gera um terceiro, mais pesada ainda. Esses elementos se acumulam no núcleo em camadas, como uma cebola. De solução em solução, o astro morrer faz com que a tabela periódica crescer.

É o ferro que essa estratégia chega a um fim. É impossível a fusão de átomos de ferro dentro de uma estrela. Este processo consome mais energia que ele libera. Sem energia para lutar contra a gravidade, a estrela finalmente entra em colapso. Entre um e três segundos, tudo o que ela já produziu é arremessado em direção ao núcleo, bate e é expulso para cada lado 10% da velocidade da luz. Esta é a explosão mais violenta do que a natureza é capaz de produzir. Todos os átomos que você comer, beber e respirar ter sido entregue para o mundo desta maneira.

BRILHA, BRILHA, ESTRELONA

Estrelas massivas compõem a tabela periódica para crescer através da fusão de átomos para liberar energia. Veja o que acontece no interior de uma 25 vezes maior que o Sol.

A. Hidrogênio nosso de cada dia
Toda estrela, não importa o tamanho, passa a maior parte da vida por se juntar átomos de hidrogênio para formar hélio. Esta reação libera energia que irradia para fora e impede a gravidade para fazer tudo desabar.

B. aditivo para Gasolina
Estrelas mais pesadas queimar hélio, quando o hidrogênio termina. E de carbono quando o hélio acaba. E de oxigênio quando o carbono está desaparecido. Além deles, formam-se os restos de outros elementos familiares – como o nitrogênio, o enxofre e sódio.

C. muito Pesado
Cada vez que a estrela chamadas para um combustível mais pesado, dura menos, e o núcleo fica mais gostoso. Até que ele atinja o ferro, que não pode ser lançado. A estrela entra em colapso e explode, liberando os átomos no Universo. Você e eu lhes são feitas.

Fonte: Evolução Química e a Origem da Vida, Horst Rauchfuss (2008)

Eu vejo um nêutron, por favor

Os astrônomos dar a essas explosões o nome de supernova. Como se isso não fosse o suficiente para enriquecer o cosmos, com os elementos que estavam no interior da estrela, a supernova ainda conseguem produzir novos elementos, ainda mais pesado. Para fazer isso, ele não é suficiente para repetir a receita da estrela, com a fusão nuclear. Você precisa usar outro método: a captura de neutrões.

Como você aprendeu nas aulas de química, um átomo é composto de três partículas: os prótons e nêutrons, que estão no núcleo, o mais elétrons que estão na parte de trás. Os prótons são os mais importantes. É a quantidade que define o elemento que é um átomo. Seis prótons? De carbono. 14 prótons? Flúor. 79? Ouro. O número de nêutrons, por outro lado, pode variar até um certo ponto. A maioria dos átomos de oxigênio tem oito nêutrons, mas alguns têm dez. Mesmo assim, você pode respirar-los, sem medo. Dá no mesmo.

Ou melhor, quase no mesmo. Se você colocar de nêutrons de um átomo, é instável. Frágil. E não emite algo que todo mundo já ouviu falar de: radiação. Por agora, apenas um tipo de radiação é importante para nós: o beta. Um átomo instável emite radiação beta de transformação de um nêutron em próton. Ou de prótons em nêutrons. O que é mais adequado para restabelecer o equilíbrio da situação.

Por exemplo: imagine que você tem um carbono tem seis prótons) com oito nêutrons. Isso é demais para ele. Em seguida, o átomo torna-se um nêutron em próton por radiação beta e é mais estável, com sete prótons e sete nêutrons. Alterado o número de prótons alterações elemento. É a fonte de nitrogênio. É aí que reside a magia da radiação. Ela faz a tabela periódica crescer transformar um elemento em outro, em vez de fundir-se um elemento com o outro.

Durante o colapso da estrela, as camadas externas de imprensa interna, de tal forma que os prótons e os elétrons há no meio de não suportar o tranco: são trituradas para formar nêutrons. Isso gera um fluxo imenso de nêutrons livre, que pode ficar para as montanhas a qualquer átomo levinho que está dando sopa. Estes átomos inchada logo começam a emitir radiação para o equilíbrio, e, a cada vez que isso acontece, eles saltam de uma casa para o topo da tabela periódica. E assim nasce a prata, ouro, platina…

Não é só em supernovas, onde a mágica acontece. A maior parte do ouro que existe em cada Rolex veio a partir da colisão de estrelas de nêutrons – eventos relativamente raros no Universo. A criação de elementos também pode ocorrer quando uma anã branca, um outro tipo de estrelas mortas, é uma porcaria de matéria de uma estrela próximas para explodir. O que esses processos (que você pode entender melhor abaixo) têm em comum é a violência. Metais preciosos não são preciosos para a toa. Fabricá-los é muito, muito difícil.

A FÁBRICA NO CÉU

Entender por que alguns elementos são estáveis e outros não – e ver os fenômenos cósmicos que produzir cada um deles.

1. Andando na linha
Os átomos que estão dentro da área branca são estáveis, ou seja: ter o número ideal de prótons e nêutrons.

2. Quanto mais, melhor
Os elementos mais pesados precisam de mais nêutrons do que prótons para estabilizar. Assim, conforme subimos na tabela periódica, linha branca, inclina-se para a direita.

3. Chernobyl.
Elementos com mais ou menos nêutrons do que a quantidade ideal estão fora de linha e se tornam radioativos. O caso do césio lá em cima – o protagonista da tragédia, em Goiânia, em 1987. Uma forma de estabilizar é a transformação de um nêutron em um próton e se tornar um novo elemento, mais pesado.

No gráfico, o eixo horizontal indica o número de prótons, e o vertical, o número de nêutrons.

infografico
infografico

DESCUBRA DE ONDE VEIO CADA ELEMENTO

legenda gráfico – roxo
legenda do gráfico – roxo

A. Estrelas massivas
Produzir o mais leve da tabela periódica por fusão nuclear.

legenda gráfico – verde
legenda do gráfico – verde

B. Supernova IIA
É a maior explosão do universo: a morte de uma estrela massiva, como o infográfico anterior.

legenda gráfico – amarelo
legenda do gráfico – amarelo

C. Colisão de uma estrela de nêutrons
Estrelas de nêutrons são os restos extremamente denso, de uma estrela massiva após a sua morte explosiva. E, às vezes, um tronco com os outros.

legenda gráfico – azul
legenda do gráfico azul

D. Supernova IA
Quando o cadáver de uma estrela pequena chamada anã branca – ele chupa a questão de um maior. Para superar o limite da gravidade – e, é claro, explodir.

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legenda do gráfico magenta

E. A morte de pequenas estrelas
Não é tão violento, mas também gera novos elementos.

Ele estava em dúvida ou quer saber mais? Você pode compreender melhor a evolução estelar e o número de mortes possível para uma estrela – nesta questão.

Fonte: Jennifer Johnson, da Universidade de Ohio (go), Inese Ivans, e Iranga Samarasingha, Universidade de Utah (ir), índice de Massas Isotópicas Naturais e Abundâncias, a Espectrometria de Massa Facilidade, Universidade da Carolina do Norte (acesso).

Uma mão humana

O átomo é mais pesado do que você consegue encontrar dando bobeira na Terra é o urânio, com 92 prótons. Se você deseja um átomo até mesmo a maior, será necessário um laboratório-milionário e pós-graduado em física nuclear. Desde a década de 1940, quando o primeiro átomo do cilindro de papel, a tabela periódica cresceu incríveis 26 casas. Foi de 93 elementos para 118, uma média de um novo elemento gestado em um laboratório a cada três anos.

Hoje, a melhor forma de criar estes gigantes é um tiro ao alvo sofisticado: átomos leves são levantadas para 100 milhões de km/h na direção de átomos pesados. O crash-terras é tão forte que, com sorte, o elemento da luz, e o pesado juntos e gerar um muito, muito pesado.

Se você gostou dessa história de jogar Counter Strike com um microscópio com um acelerador de partículas, há algumas possíveis destinos. Na Alemanha, o centro Helmholtz para pesquisa de íons pesados (GSI) foi responsável pela produção de sete elementos inéditos entre as décadas de 1980 e 1990. Já o RIBF no Japão, é dedicada à fabricação de versões (o termo é certa, isótopos) muito átomos radioativos familiar para nós.

O pai de todos os laboratórios, no entanto, não é um pai. É uma mãe. A mãe Rússia. 110 quilômetros ao norte de Moscou, na pacata cidade de Dubna, o JINR — o instituto de pesquisa que faz com que a tabela periódica crescer. Foi lá, no laboratório Flerov, que nasceram dos elementos 113, 114, 115, 116, 117, e o maior de todos: o 118.

O nome desse monstrinho é oganesson. Nascido em 2006, foi feita a partir de califórnio – artificial que, por si só, é ridiculamente grande, com 98 prótons. Nele, foi lançado um feixe de átomos de cálcio, com 20 prótons. Mais de 20 98 dá 118. Bingo. Seu peculiar nome é uma homenagem ao cientista, o armênio Yuri Oganesyan, o inventor da técnica, que permitiu a façanha.

A Iupac, uma espécie de Xícara de produtos químicos, demorou uma década para reconhecer o oganesson – que só entrou na tabela periódica oficialmente em 2016. Isso leva a todo tem um motivo bem simples: quando você produz um átomo gigante, você não pode levá-la para casa, e depois de mostrá-la à comissão de avaliação. Ele, literalmente, desaparecer.

O oganesson sobrevive 0,00085 segundo. Depois disso, ele decai pelo alfa, um outro tipo de radiação emitida pelo átomo em uma tentativa de se estabilizar. A decadência da alpha, o oganesson cospe dois prótons e dois nêutrons. Com isso, torna-se um outro elemento, o livermório, que também dura pouco: de 0,01 segundo. Não o átomo de volta para a decadência e retirar um pedaço de si. O livermório transforma copernício – que, por sua vez, toma uma atitude radical: explode e fragmentos em dois ou mesmo três átomos menores e de forma aleatória, em um processo chamado de fissão espontânea.

Em suma, como se cada átomo radioativo, 118 é grande demais para o próprio bem. Isto é, quando ele pode subir, que é clara. No experimento de 2006, a equipe do JINR demitido 4,2 trihões de átomos de cálcio por segundo no destino. Non-stop. Ao longo de 45 dias. Mesmo assim, apenas três (!) átomos oganesson formado. Em face de uma miséria tal, provar a existência do disse-que já é um motivo para celebração.

GIGANTE NADA GENTIL

A vida e a morte das maiores átomo sintética de todos os tempos: o oganesson.

grafico 4
gráfico 4

A.
O oganesson é criado por disparo de átomos de cálcio com 28 nêutrons em alvo de califórnio, outro elemento sintético.

B.
Ele dura apenas 0,00085 segundo antes de perder de 2 prótons e 2 nêutrons e transformar um elemento mais leve, o livermório.

C.
O livermório, em seguida, partículas soltas e transforma um elemento mais leve: o fleróvio, que rapidamente decai para copernício. O copernício, em vez de decadência civilizadamente, sofre fissão nuclear: se fragmentos de uma forma imprevisível em átomos menores.

Fonte: Síntese dos isótopos de elementos 118 e 116 no Cf249 e Cm245+Ca48 reações de fusão (go).

“O equipamento que temos hoje é suficiente para descobrir novos elementos, mas não para estudá-los mais detalhadamente”, explicou o russo Alexander Karpov, físico nuclear da JINR, o SUPER. “Dependemos de estatísticas. Você precisa de centenas e centenas de átomos para desenhar conclusões confiáveis sobre as propriedades de um elemento.”

É por isso que Karpov e seus colegas já tem uma carta na sleeva. Neste exato momento, eles dão o toque final de uma nova fábrica de elementos superpesados – o Super Elementos Pesados (ELA) de Fábrica. No final de 2018, quando entrar em funcionamento, terão o primeiro acelerador de partículas totalmente dedicada a aumentar a tabela periódica. 24 horas por dia, sete dias por semana.

“Nosso técnicas experimentais estão cada vez melhores. Na nova fábrica, vamos chegar a níveis de energia mais altos e teremos separadores e detectores mais eficiente disponível”, diz Karpov sobre o novo brinquedo. “Podemos produzir novos elementos e estudar aqueles que já existe”.

Bem, depois de superar as barreiras para a prática, ainda restam teórica. Será que a tabela periódica pode crescer para sempre, desde que a tecnologia de seguir em frente? Ou em algum momento vamos tropeçar em um limite fundamental da natureza – um átomo é tão grande que, por definição, não pode existir?

Números mágicos, oasis, atômica

Cada elemento é mais pesado que o chumbo é radioativo. Não dá para escapar. Se você é um átomo com mais de 82 prótons, uma vez irá decair em busca de estabilidade. O que muda é o tempo que leva para que isso aconteça. No caso do urânio, é de 4,5 bilhões de anos de idade. No oganesson, menos de um segundo. O limite mínimo para a existência de um átomo é 0,000000000000001 segundo. Abaixo, ele não tem tempo para acumular elétrons o suficiente em torno de si. E sem elétrons não há nenhum átomo.

O melhor que podemos fazer para o estudo de super elementos pesados é criar versões dos que levam mais tempo para se decompor. Não muito mais – milhares de milhões de anos de urânio são uma meta utópica, mas pelo menos alguns minutos ou dias, em vez de um piscar de olhos. E a melhor maneira de aumentar a vida útil de um átomo gigante é adicionar nêutrons. Muitos nêutrons.

Eu sei que você está pensando, leitor: “No início da matéria, você diz que os nêutrons também são ruins para o átomo!” Bem, isso é se ele é um átomo leve. De carbono na verdade, se equilibra com igual número de nêutrons e prótons. O oxigênio também. Entre os pesos-pesados, no entanto, um único próton precisa de mais de um nêutron para segurar a onda. Aqui está o ouro: ele tem 118 nêutrons e apenas 79 prótons.

Adicionar nêutrons para os elementos gigante, no entanto, ainda é ficção científica. Não há nenhuma tecnologia viável para isso. O melhor que podemos fazer, então, são as previsões teóricas sobre esses gigantes. Estes átomos hipotéticos, ao mesmo tempo imensa e estável, ocupam um domínio no mítico da tabela periódica: a ilha de estabilidade (ver gráfico abaixo).

O nome é impressionante – a números, não tanto.Veja o darmstádtio, com 110 prótons e 171 nêutrons. E se ele ganhou, a muito custo, mais 11 nêutrons? “Para sobreviver 36 horas”, diz o físico teórico Witold Nazarewicz da Universidade de Michigan. É isso mesmo: apenas um dia e meio.

ÁTOMOS ARTIFICIAIS

A única maneira de obter elementos mais pesados que o urânio é para produzi-las em laboratório.

(Este infográfico é uma continuação da FÁBRICA NOS CÉUS – controlar a numeração)

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4. O limite das estrelas
A liderança é o último elemento estável da tabela periódica. Para ele, são todas as radioativos, incluindo urânio, elemento mais pesado da natureza.

5. A ilha de estabilidade
Todos os elementos artificiais têm o mesmo problema: eles não têm nêutrons suficiente para estabilizar – mesmo se apenas por alguns minutos, o suficiente para estudá-los. Com 13 nêutrons extras, por exemplo, o gigante darmstádtio iria durar 5 dias e meio, contra o 14 segundos atual.

6. Pegando pesado
A maior átomo do cilindro já foi feito, o oganesson, tem 118 prótons e 176 nêutrons. A seta branca mostra uma versão resumida de seu decaimento – você pode ver a versão completa no infográfico acima.

Fonte: fissão Espontânea e modos de vidas de superheavy elementos nucleares teoria do funcional da densidade (acesso).

Se você deseja um nível ainda maior de estabilidade, você vai precisar apelar para a Magia dos Números. Imagine-se que o núcleo do átomo é como uma estante, cheia de prateleiras. A cada vez que você encher uma prateleira perfeitamente, o núcleo torna-se mais estável. Se você estiver faltando apenas um livro, foi: todos os outros estão soltos, meio bambus. Se você acabar com um livro, você precisa iniciar uma nova prateleira, que será instável até que ele esteja completo. Magia números são a quantidade de nêutrons, capaz de preencher perfeitamente as prateleiras do átomo. Na primeira prateleira, cabem dois nêutrons. No segundo, com seis. Na terceira, 12. Portanto, 2 é um número mágico. 8 (2+6) também. 20 (2+6+12 garante três prateleiras perfeito de nêutrons. E assim por diante. O último número mágico, que preenche completamente o rack, é de 184.

Juntando 184 nêutrons, para o elemento mais ultrapesado iria ganhar alguma estabilidade. Nossa darmstádtio, seria quase uma semana de expectativa de vida. E que a mera fração de tempo que mudaria para sempre a história da física nuclear. Vamos chegar lá um dia? É provável, mas vai demorar. A natureza, afinal, levou 13 bilhões de anos para criar os 92 elementos. Um pouco de paciência não vai fazer mal para aqueles que querem ir além.

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