Quando você ouve o termo "radioativo", provavelmente pensa em "más notícias, "talvez ao longo das linhas de precipitação de uma bomba atômica.

Mas os materiais radioativos são, na verdade, usados ​​em uma ampla gama de aplicações benéficas. Em medicina, eles ajudam rotineiramente a diagnosticar e tratar doenças. A irradiação ajuda a manter uma série de alimentos livres de insetos e pragas invasivas. Os arqueólogos os usam para descobrir a idade que um artefato pode ter. E a lista continua. Então, o que é radioatividade?

É a emissão espontânea de radiação quando o centro denso de um átomo - chamado de núcleo - se transforma em outro. Seja na forma de partículas ou ondas eletromagnéticas chamadas de raios gama, a radiação transfere energia para longe do núcleo atômico.

Por meio de experimentos, os físicos nucleares viram cerca de 3, 000 tipos diferentes de núcleos até hoje. Teorias atuais, no entanto, prever a existência de cerca de 4, 000 mais que ainda nunca foram observados. Ao redor do mundo, milhares de cientistas, incluindo eu, continuar a estudar esses minúsculos constituintes da matéria, enquanto os governos gastam bilhões de dólares na construção de novas máquinas poderosas que produzirão mais e mais núcleos exóticos - e talvez, eventualmente, mais tecnologias que irão melhorar ainda mais a vida moderna.

O nascimento da física nuclear

O físico francês Henri Becquerel descobriu a radioatividade natural em 1896. Ele estava tentando estudar como os sais de urânio fosforescem - isto é, emitem luz - quando são expostos à luz solar. Becquerel colocou uma amostra de urânio em uma placa fotográfica coberta com papel opaco e a deixou sob a luz solar direta. A placa ficou nebulosa, que concluiu foi devido à exposição ao sol.

Graças a alguns dias de tempo nublado, no entanto, Becquerel deixou toda a sua configuração em uma gaveta escura. Surpreendentemente, a chapa fotográfica ainda embaçada, mesmo na ausência de luz. A luz do sol não teve nada a ver com sua observação anterior. Foi a radioatividade natural das amostras de urânio que teve esse efeito. À medida que os núcleos de urânio decaíam - isto é, transformados em núcleos diferentes - emitiam espontaneamente ondas de luz que se registravam nas placas fotográficas.

A descoberta de Becquerel deu início a uma nova era da física e lançou o campo da ciência nuclear. Para este trabalho, ele ganhou o Prêmio Nobel em 1903.

Desde então, cientistas nucleares desvendaram muito do funcionamento interno do núcleo atômico, e aproveitei sua incrível energia para usos bons e, infelizmente, não tão bons. As descobertas da física nuclear nos deram maneiras de olhar para dentro de nossos corpos de forma não invasiva, maneiras de criar energia sem poluição do ar, e maneiras de estudar nossa história e nosso meio ambiente.

No nível atômico

Os núcleos atômicos conhecidos pertencem a 118 elementos diferentes, alguns deles ocorrendo naturalmente e alguns deles feitos pelo homem. Para cada elemento da tabela periódica, existem muitos "isótopos diferentes, "da palavra grega" ισότοπο, "que significa" mesmo lugar, "implicando o mesmo lugar na tabela periódica dos elementos.

Para ser o mesmo elemento, dois isótopos devem ter o mesmo número de prótons - a partícula subatômica carregada positivamente. É o número de nêutrons - partículas subatômicas sem nenhuma carga - que pode variar significativamente.

Por exemplo, ouro é o elemento 79 na tabela periódica, e todos os isótopos de ouro terão o mesmo metal, aparência amarelada. Contudo, existem 40 isótopos de ouro conhecidos que foram descobertos, e outros cerca de 20 são teorizados para existir. Apenas um desses isótopos é o "estável, "ou de ocorrência natural, forma de ouro que você pode estar usando em seu dedo anelar agora. O resto são isótopos radioativos, também conhecido como "isótopos raros".

Cada um dos isótopos raros tem propriedades únicas:eles vivem por diferentes períodos de tempo, de uma fração de segundo a alguns bilhões de anos, e eles liberam diferentes tipos de radiação e diferentes quantidades de energia.

Por exemplo, detectores de fumaça modernos usam o isótopo Americium-241, que emite um tipo de radiação chamada partículas alfa que têm um alcance muito curto. A radioatividade não pode viajar mais do que alguns centímetros no ar. Americium-241 vive por algumas centenas de anos.

Por outro lado, o isótopo flúor-18, que é comumente usado em exames médicos de PET, vive por apenas cerca de 100 minutos - tempo suficiente para completar a varredura, mas curto o suficiente para evitar a irradiação desnecessária do corpo saudável por um longo período. A radiação eletromagnética secundária que vem do flúor-18 está na forma de raios gama de longo alcance, o que permite que ele saia do corpo e entre nas câmeras PET.

Essas diferentes propriedades nucleares tornam cada isótopo raro único, e os físicos nucleares precisam projetar experimentos especializados para estudar cada um deles separadamente.

Procurando por mais

A pesquisa atual da ciência nuclear se esforça para desenvolver novas técnicas para descobrir novos isótopos, compreender suas propriedades, e, eventualmente, produzindo e colhendo com eficiência.

Produzir isótopos raros não é uma tarefa fácil; requer grandes máquinas que farão os núcleos viajarem, e colidem uns com os outros, em velocidades próximas à velocidade da luz. Durante essas colisões, os núcleos podem se fundir, ou eles podem se separar, produzindo novos núcleos, potencialmente com combinações nunca antes vistas de prótons e nêutrons.

Os físicos nucleares têm equipamentos dedicados - detectores - que podem observar esses núcleos recém-formados e a radiação que eles emitem, e estudar suas propriedades. Por exemplo, no Laboratório Nacional de Ciclotron Supercondutor onde trabalho, meu grupo desenvolveu um detector de raios gama extremamente eficiente que chamamos de SuN.

A maioria dos isótopos conhecidos emite radiação gama quando decai. Queremos saber quanta energia é liberada neste processo, quantos raios gama diferentes são emitidos e como a energia é compartilhada entre eles, e quanto tempo leva para a decadência ocorrer. SuN pode responder a essas perguntas sobre qualquer isótopo que estamos investigando.

Em um experimento típico, implantamos um feixe de isótopos raros no centro de SuN. Os raros isótopos decaem por conta própria após um curto período de tempo, cerca de um segundo ou menos, e emitem sua radiação característica. SuN detecta esses raios gama emitidos. É nosso trabalho como experimentalistas nucleares montar o quebra-cabeça de como esses raios gama foram emitidos e o que eles nos dizem sobre as propriedades do novo isótopo.

Esses tipos de técnicas de produção e detecção são complexos e caros, e, portanto, há apenas um punhado de laboratórios de isótopos raros no mundo que podem produzir e estudar as espécies nucleares mais exóticas.

É impossível prever quais novas descobertas na pesquisa básica terão impacto na vida das pessoas. Quem poderia saber há 100 anos, quando o elétron foi descoberto, que por algumas décadas quase todas as casas no mundo desenvolvido teriam uma máquina de elétrons - também conhecida como tubo de raios catódicos - para assistir televisão? E quem poderia imaginar que a descoberta de radioatividade acabaria por levar à exploração espacial alimentada por decaimentos radioativos?

Do mesmo jeito, não podemos prever quais descobertas raras de isótopos serão as viradas do jogo, mas com mais da metade dos isótopos previstos ainda inexplorados, para mim as possibilidades parecem infinitas.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.