O prêmio Nobel Otto Hahn é creditado com a descoberta da fissão nuclear. A fissão é uma das descobertas mais importantes do século 20, mas Hahn considerou outra coisa como seu melhor trabalho científico.
Em 1921, ele estava estudando radioatividade no Instituto Kaiser Wilhelm de Química em Berlim, Alemanha, quando notou algo que não conseguia explicar. Um dos elementos com os quais ele estava trabalhando não estava se comportando como deveria. Hahn descobriu sem saber o primeiro isômero nuclear, um núcleo atômico cujos prótons e nêutrons estão dispostos de forma diferente da forma comum do elemento, fazendo com que ele tenha propriedades incomuns. Foram necessários mais 15 anos de descobertas em física nuclear para poder explicar as observações de Hahn.

Somos dois professores de física nuclear que estudam núcleos raros, incluindo isômeros nucleares.

O lugar mais comum para encontrar isômeros é dentro das estrelas, onde eles desempenham um papel nas reações nucleares que criam novos elementos. Nos últimos anos, os pesquisadores começaram a explorar como os isômeros podem ser usados ​​em benefício da humanidade. Eles já são usados ​​na medicina e podem um dia oferecer opções poderosas para armazenamento de energia na forma de baterias nucleares.

Em busca de isótopos radioativos

No início de 1900, os cientistas estavam em busca de novos elementos radioativos. Um elemento é considerado radioativo se ele libera partículas espontaneamente em um processo chamado decaimento radioativo. Quando isso acontece, o elemento é transformado ao longo do tempo em um elemento diferente.

Naquela época, os cientistas contavam com três critérios para descobrir e descrever um novo elemento radioativo. Uma era observar as propriedades químicas — como o novo elemento reage com outras substâncias. Eles também mediram o tipo e a energia das partículas liberadas durante o decaimento radioativo. Finalmente, eles mediriam a rapidez com que um elemento decaía. As velocidades de decaimento são descritas usando o termo meia-vida, que é a quantidade de tempo que leva para metade do elemento radioativo inicial decair em outra coisa.

Na década de 1920, os físicos descobriram algumas substâncias radioativas com propriedades químicas idênticas, mas com meias-vidas diferentes. Estes são chamados de isótopos. Isótopos são versões diferentes do mesmo elemento que têm o mesmo número de prótons em seu núcleo, mas diferentes números de nêutrons.

O urânio é um elemento radioativo com muitos isótopos, dois dos quais ocorrem naturalmente na Terra. Esses isótopos naturais de urânio decaem no elemento tório, que por sua vez decai em protactínio, e cada um tem seus próprios isótopos. Hahn e sua colega Lise Meitner foram os primeiros a descobrir e identificar muitos isótopos diferentes originados do decaimento do elemento urânio.

Todos os isótopos estudados se comportaram como esperado, exceto um. Este isótopo parecia ter as mesmas propriedades que um dos outros, mas sua meia-vida era mais longa. Isso não fazia sentido, pois Hahn e Meitner haviam colocado todos os isótopos conhecidos de urânio em uma classificação precisa e não havia espaços vazios para acomodar um novo isótopo. Eles chamaram essa substância de "urânio Z".

O sinal radioativo do urânio Z era cerca de 500 vezes mais fraco do que a radioatividade dos outros isótopos da amostra, então Hahn decidiu confirmar suas observações usando mais material. Ele comprou e separou quimicamente o urânio de 100 quilos de sal de urânio altamente tóxico e raro. O resultado surpreendente deste segundo experimento mais preciso sugeriu que o misterioso urânio Z, agora conhecido como protactínio-234, era um isótopo já conhecido, mas com uma meia-vida muito diferente. Este foi o primeiro caso de um isótopo com duas meias-vidas diferentes. Hahn publicou sua descoberta do primeiro isômero nuclear, embora não pudesse explicá-la completamente.

Os nêutrons completam a história

Na época dos experimentos de Hahn na década de 1920, os cientistas ainda pensavam nos átomos como um aglomerado de prótons cercado por um número igual de elétrons. Foi somente em 1932 que James Chadwick sugeriu que uma terceira partícula – nêutrons – também fazia parte do núcleo.

Com essa nova informação, os físicos conseguiram explicar imediatamente os isótopos – são núcleos com o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons. Com esse conhecimento, a comunidade científica finalmente teve as ferramentas para entender o urânio Z.

Em 1936, Carl Friedrich von Weizsäcker propôs que duas substâncias diferentes poderiam ter o mesmo número de prótons e nêutrons em seus núcleos, mas em arranjos diferentes e com meias-vidas diferentes. O arranjo de prótons e nêutrons que resulta na energia mais baixa é o material mais estável e é chamado de estado fundamental. Arranjos que resultam em energias mais altas e menos estáveis ​​de um isótopo são chamados de estados isoméricos.

No início, os isômeros nucleares eram úteis na comunidade científica apenas como meio de entender como os núcleos se comportavam. Mas uma vez que você entenda as propriedades de um isômero, é possível começar a perguntar como eles podem ser usados.

Isômeros em medicina e astronomia

Os isômeros têm importantes aplicações na medicina e são usados ​​em dezenas de milhões de procedimentos diagnósticos anualmente. Como os isômeros sofrem decaimento radioativo, câmeras especiais podem rastreá-los à medida que se movem pelo corpo.

Por exemplo, o tecnécio-99m é um isômero do tecnécio-99. À medida que o isômero decai, ele emite fótons. Usando detectores de fótons, os médicos podem rastrear como o tecnécio-99m se move pelo corpo e criar imagens do coração, cérebro, pulmões e outros órgãos críticos para ajudar a diagnosticar doenças, incluindo câncer. Elementos e isótopos radioativos são normalmente perigosos porque emitem partículas carregadas que danificam os tecidos corporais. Isômeros como o tecnécio são seguros para uso médico porque emitem apenas um único fóton inofensivo de cada vez e nada mais à medida que se decompõem.

Isômeros também são importantes em astronomia e astrofísica. As estrelas são alimentadas pela energia liberada durante as reações nucleares. Como os isômeros estão presentes nas estrelas, as reações nucleares são diferentes do que se um material estivesse em seu estado fundamental. Isso torna o estudo dos isômeros fundamental para entender como as estrelas produzem todos os elementos do universo.

Isômeros no futuro

Um século depois que Hahn descobriu os isômeros pela primeira vez, os cientistas ainda estão descobrindo novos isômeros usando poderosas instalações de pesquisa em todo o mundo, incluindo o Facility for Rare Isotope Beams da Michigan State University. Esta instalação entrou em operação em maio de 2022 e esperamos que desbloqueie mais de 1.000 novos isótopos e isômeros.

Os cientistas também estão investigando se os isômeros nucleares podem ser usados ​​para construir o relógio mais preciso do mundo ou se os isômeros podem um dia ser a base para a próxima geração de baterias. Mais de 100 anos após a detecção de uma pequena anomalia no sal de urânio, os cientistas ainda estão à procura de novos isômeros e apenas começaram a revelar todo o potencial dessas fascinantes peças da física. + Explorar mais

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