Pesquisadores do Instituut voor Kern- en Stralingsfysica na Bélgica e da Universidade de Manchester, em colaboração com outros institutos em todo o mundo, realizaram recentemente um estudo que visa medir o tamanho do núcleo (ou seja, raio de carga nuclear) em isótopos de cobre ricos em nêutrons. Seu papel, publicado em Física da Natureza , apresenta observações de um padrão espantoso ímpar-par distinto e interessante nos tamanhos dos núcleos desses isótopos.

"O efeito surpreendente ímpar-par que observamos, onde o núcleo com um número ímpar de nêutrons é geralmente ligeiramente menor em tamanho do que seus vizinhos de nêutrons pares, é mais ou menos constante na maioria das cadeias isotópicas, "Ruben Pieter de Groote, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Em cobre, Contudo, notamos um escalonamento ímpar-par aprimorado para isótopos com aproximadamente 40 nêutrons, que então pareceu desaparecer ao se aproximar dos 50 nêutrons. "

Obter uma compreensão completa do padrão surpreendente de ímpar-par observado por de Groote e seus colegas está longe de ser uma busca fácil, complicado ainda mais pelo fato de que este padrão foi considerado dependente de nêutrons, o que foi um tanto inesperado. Para explorar as possíveis razões por trás do efeito que observaram, os pesquisadores realizaram uma série de cálculos de ponta com base na teoria nuclear e, em seguida, compararam os resultados desses cálculos com os dados experimentais que coletaram.

"O isótopo mais difícil de realizar medições para, ⁷⁸ Cu, tem 29 prótons e 49 nêutrons, o que o torna um núcleo muito complicado de estudar, tanto experimentalmente quanto computacionalmente, "De Groote disse." No entanto, sentimos que nosso resultado experimental foi importante o suficiente para convencer dois colaboradores da teoria a seguir dois métodos teóricos bastante diferentes, um com base em funcionais de densidade e o outro com base no método de grupo de renormalização de similaridade no meio de espaço de valência, que apresenta uma descrição 'ab-initio' para núcleos de peso médio. "

As duas abordagens teóricas que os pesquisadores usaram em seu estudo mostraram-se úteis para explicar diferentes aspectos das medições que coletaram. Embora os cálculos baseados na teoria do funcional da densidade previssem as propriedades em massa (por exemplo, os tamanhos nucleares totais) com uma precisão notavelmente alta, o método enraizado na teoria do grupo de renormalização de similaridade de valência-espaço em média forneceu uma descrição detalhada da tendência geral para o efeito surpreendente ímpar-par, uma vez que levou em consideração correlações adicionais.

"Nossos cálculos mostraram que ambas as teorias contêm ingredientes essenciais para descrever a estrutura nuclear, mas ainda há trabalho a fazer - ainda não temos uma abordagem única que faça tudo, "de Groote explicou.

Em seu estudo recente, os pesquisadores se concentraram em isótopos de cobre com tempos de vida muito curtos. Por exemplo, a vida de ⁷⁸ Cu, um dos isótopos examinados em seu trabalho, é de 300 milissegundos, o que significa que um segundo depois de ser produzido, o isótopo provavelmente já terá desaparecido. Eles, portanto, tiveram que usar técnicas que lhes permitiram produzir e examinar isótopos muito rapidamente, antes que eles se deteriorassem.

"O que é muito importante ao estudar isótopos radioativos é que os métodos são rápidos e eficientes - não há tempo para coletar uma grande amostra de isótopos, para então estudá-los em silêncio mais tarde, "de Groote disse." As medições precisam ser realizadas 'on-line'; nossas ferramentas de medição e detectores precisam ser acoplados ao local de produção e trabalhar em perfeita sincronia. "

De Groote e seus colegas usaram um acelerador de partículas conhecido como CERN PS-Booster, que pode produzir prótons com uma energia muito alta. Esses prótons foram direcionados para a instalação ISOLDE no CERN, onde eles impactaram em um pedaço de urânio, induzindo uma variedade de reações nucleares diferentes.

As reações nucleares resultantes deste processo levaram à produção de isótopos em todo o espectro, variando de átomos de hélio leves a elementos muito pesados, como o rádio. Os isótopos de cobre que os pesquisadores decidiram estudar estavam entre estes, mas eles tiveram que ser extraídos de uma grande variedade de isótopos e purificados.

"O urânio foi aquecido até cerca de 2.000 graus Celsius pela equipe do ISOLDE, para que esses isótopos recém-produzidos não permanecessem, mas, em vez disso, escapou para uma fonte de íons:aqui, eles foram transformados em íons carregados, "De Groote explicou." Esta é uma etapa crucial, pois nos permite usar técnicas eletrostáticas e magnéticas para acelerar todos os isótopos, selecione aqueles de seu interesse, e guiá-los para diferentes configurações de medição nas instalações do ISOLDE. "

Para medir o tamanho dos isótopos de cobre, os pesquisadores os iluminaram com dois feixes de laser separados. Ao ajustar a frequência do primeiro laser precisamente da maneira certa, eles foram capazes de excitar um elétron que está ligado ao núcleo. O segundo feixe de laser foi então usado para 'descascar' esse elétron excitado.

"Ao medir o número de partículas carregadas criadas à medida que mudamos a frequência do laser, poderíamos determinar a energia de absorção exata dos átomos de cobre, "De Groote disse." Esta energia de absorção está diretamente relacionada aos tamanhos nucleares; a mudança na energia é chamada de mudança de isótopo - uma pequena mudança de cor de apenas 1 parte em um milhão; nada que os olhos pudessem ver, mas algo a que nosso sistema é sensível. "

A técnica de medição usada por de Groote e seus colegas, conhecido como espectroscopia de ionização de ressonância colinear, é uma ferramenta altamente eficiente e precisa para medir mudanças na energia dos átomos. Sua configuração experimental é altamente sofisticada, e depende de todos os seus diferentes componentes (ou seja, um grande acelerador de partículas, sistemas a laser ultraestáveis, ferramentas de medição de frequência de laser de alta precisão, armadilhas de íons, bombas de ultra-alto vácuo e fontes de alimentação de alta tensão, etc.) para operar em sinfonia.

Em seu estudo, os pesquisadores usaram para identificar 'mudanças de isótopos' em 14 diferentes isótopos de cobre. Medir essas mudanças permitiu, em última análise, determinar as mudanças em seu tamanho, em função do número de nêutrons em seu núcleo.

"O isótopo mais desafiador foi produzido apenas a uma taxa de 20 íons por segundo, e no total apenas cerca de 200, 000 íons foram usados ​​para realizar a medição, "De Groote disse." A massa total desta amostra, se você pudesse coletar tudo antes que se decomponha radioativamente, seria 0,00000000003 micrograma - em comparação com objetos típicos com os quais estamos acostumados a interagir, esta é uma quantidade incrivelmente pequena de material. "

A técnica empregada por de Groote e seus colegas permite aos pesquisadores estudar isótopos que atualmente só podem ser produzidos em pequenas quantidades e também é muito mais eficiente do que outras ferramentas de medição de alta precisão desenvolvidas no passado. No futuro, seu método pode ter uma série de implicações importantes para a pesquisa de estrutura nuclear, já que muitos isótopos interessantes são instáveis ​​e, portanto, só podem ser produzidos em pequenas quantidades.

"Nossos resultados mostram que muitos desses núcleos agora podem ser estudados, "De Groote diz." Outras melhorias em nosso método irão empurrar esse limite ainda mais. Em particular, nossa técnica nos permite agora abordar núcleos que estão previstos para serem produzidos em super e quilonovas e ainda precisam ser estudados na Terra em laboratório. De forma similar, as ferramentas teóricas desenvolvidas também representam marcos importantes na teoria nuclear. "

Além de introduzir uma nova técnica para medir o tamanho dos núcleos em isótopos com curta duração, de Groote e seus colegas provaram a eficácia de construções teóricas baseadas em funcionais de densidade e o método de grupo de renormalização de similaridade de valência-espaço em média para estudos que exploram a estrutura de isótopos com núcleos instáveis. Seu estudo lança alguma luz sobre as vantagens e desvantagens dessas estruturas teóricas, que pode ser explorado em estudos futuros.

"Para o presente estudo, nós escolhemos cobre, uma vez que tem 29 prótons, "de Groote." Isso torna esses isótopos sondas perfeitas para investigar o núcleo de níquel (28 prótons) subjacente. ⁷⁸ Ni (28 prótons, 50 nêutrons) é considerado um núcleo duplamente mágico. Existem apenas alguns desses duplamente mágicos, sistemas de casca fechada, e eles formam os pilares para a pesquisa da estrutura nuclear, como os gases nobres para a física atômica. "

De Groote e seus colegas estão atualmente trabalhando em um novo estudo com foco em isótopos de potássio ricos em nêutrons, que têm 19 prótons e são, portanto, excelentes sondas de isótopos mágicos de cálcio (ou seja, com 20 prótons). Eles já realizaram cálculos iniciais dos raios de carga desses isótopos e agora planejam investigar esses resultados com mais profundidade.

"A longo prazo, uma campanha de medição de isótopos de índio e estanho, perto da duplamente mágica ¹⁰⁰ Sn e ¹³² Isótopos Sn, já foi iniciado, e será perseguido nos próximos anos, "De Groote diz." Esses isótopos estão na fronteira atual das teorias nucleares; esforços experimentais e teóricos estão, portanto, progredindo bem em conjunto. "

De Groote e seus colegas também começaram a usar o mesmo método experimental introduzido em seu artigo recente para estudar moléculas radioativas. Por exemplo, eles completaram recentemente o primeiro estudo espectroscópico de fluoreto de rádio, uma molécula que contém um átomo de rádio radioativo.

"Uma vez que não existem isótopos de rádio estáveis, esta molécula nunca poderia ser estudada antes, "De Groote explicou." Isso é particularmente emocionante, pois pode ser a chave para a próxima geração de pesquisas para a física além do modelo padrão. "

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