Microscopic study of quasifission dynamics in hot fusion reactions for synthesizing superheavy nuclei with Z = 112-120
Este estudo emprega a teoria de Hartree-Fock dependente do tempo microscópica para analisar a dinâmica de quase fissão em 18 reações de fusão quente para a síntese de núcleos superpesados (Z=112-120), revelando que efeitos de camada (especificamente o Pb esférico e o Z=88/N=136 com deformação octupolar) governam a formação de fragmentos, enquanto projéteis mais pesados aceleram a quase fissão, explicando assim as reduzidas probabilidades de fusão observadas em tentativas de criar os elementos Z=119 e Z=120.
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Na busca para compreender os próprios limites da matéria, físicos tentam constantemente construir os átomos mais pesados possíveis. Esses elementos superpesados, que se situam na extremidade distante da tabela periódica, não existem naturalmente na Terra; eles devem ser criados artificialmente em laboratórios. Para fabricá-los, cientistas colidem dois núcleos atômicos menores a velocidades incrivelmente altas, esperando que eles se fundam em um único núcleo mais pesado. No entanto, esse processo é notoriamente difícil. Quando os dois núcleos colidem, eles frequentemente falham em se unir. Em vez de se fundirem, eles se tocam por um momento fugaz e imediatamente se separam novamente. Esse modo específico de falha, onde os núcleos interagem brevemente, mas se separam antes de formar um novo elemento, é conhecido como quase-fissão. Este é o principal obstáculo que impede os cientistas de criar elementos mais pesados do que os atualmente conhecidos, como o elemento com 118 prótons. Compreender exatamente por que e como essa separação acontece é crucial para o próximo passo na jornada: a criação dos elementos 119 e 120.
Uma equipe de pesquisadores na China realizou um olhar profundo e microscópico sobre esse processo para ver o que realmente está acontecendo dentro da colisão. Usando poderosas simulações computacionais baseadas nas leis da mecânica quântica, eles modelaram dezoito tipos diferentes de colisões projetadas para criar núcleos superpesados. Eles focaram em reações onde um núcleo projetil menor e de movimento rápido atinge um núcleo alvo maior e estacionário. Os pesquisadores estavam particularmente interessados em como a estrutura interna dos núcleos influencia o resultado. Eles examinaram colisões envolvendo diferentes tipos de projetis, incluindo cálcio, escândio, titânio, vanádio e cromo, todos visando a criação de elementos com entre 112 e 120 prótons.
O estudo revelou que o resultado dessas colisões não é aleatório; ele é fortemente guiado pelas "camadas" (shells) dentro do núcleo. Assim como os elétrons em um átomo se organizam em níveis ou camadas de energia específicos, prótons e nêutrons dentro do núcleo também preferem se organizar em certos grupos estáveis. Os pesquisadores descobriram que, em colisões usando projetis mais leves como cálcio, escândio, titânio e vanádio, o sistema tem uma forte tendência de se romper de uma forma que deixa um dos fragmentos parecendo muito com o chumbo-208. O chumbo-208 é um núcleo particularmente estável porque seus prótons e nêutrons preenchem camadas esféricas completas. As simulações mostraram que os núcleos em colisão parecem "mirar" nessa configuração estável, fazendo com que o fragmento pesado se forme com um número específico de prótons e nêutrons que correspondem a essa estrutura estável do tipo chumbo. Esse comportamento foi consistente em todas as reações usando esses projetis mais leves, sugerindo uma regra universal em jogo.
No entanto, a história mudou quando os pesquisadores usaram um projetil mais pesado: o cromo-54. Nessas colisões, a força orientadora era diferente. Em vez de formar um fragmento esférico do tipo chumbo, o sistema mostrou uma forte tendência de produzir um fragmento pesado que se assemelha ao rádio-224. Este núcleo do tipo rádio não é esférico; sua forma é mais parecida com a de uma pera. Essa forma é causada por um tipo diferente de estabilidade interna, onde os prótons e nêutrons se acomodam em camadas deformadas de forma octupolo. As simulações indicaram que, quando o cromo-54 é usado, a dinâmica da colisão é impulsionada por essa estabilidade em forma de pera, levando a um tipo distinto de quase-fissão que difere fundamentalmente das reações usando projetis mais leves.
Além da forma dos fragmentos, os pesquisadores também investigaram quanto tempo os dois núcleos permanecem em contato antes de se separarem. Eles encontraram uma relação clara entre o peso do projetil e a velocidade da ruptura. À medida que o projetil tornava-se mais pesado, passando de cálcio para titânio e depois para cromo, o tempo que os núcleos passavam se tocando tornava-se significamente menor. Isso acontece porque projetis mais pesados carregam mais carga elétrica, criando uma força repulsiva mais forte que empurra os núcleos para longe mais rapidamente. Essa separação rápida deixa menos tempo para que os núcleos se fundam totalmente e se estabilizem em um novo elemento estável. Os pesquisadores sugerem que esse tempo de contato reduzido é uma razão importante para o porquê de a taxa de sucesso para a criação de novos elementos cair tão dramaticamente quando os cientistas mudam de projetis de cálcio para projetis mais pesados como titânio ou cromo.
O estudo também observou como o equilíbrio de nêutrons e prótons muda durante essas colisões. Eles descobriram que, embora os núcleos se separem tão rapidamente, eles conseguem compartilhar seus nêutrons e prótons entre si de forma muito eficiente. No momento em que se separam, a diferença na proporção de nêutrons para prótons entre os dois fragmentos é muito pequena e consistente em todas as diferentes reações estudadas. Essa descoberta fornece uma restrição precisa e microscópica que outros cientistas podem usar para construir melhores modelos de como essas reações funcionam.
Em última análise, este trabalho fornece uma imagem mais clara das forças invisíveis que ditam se um elemento superpesado nasce ou falha em se formar. Ele confirma que a estrutura de camadas interna dos núcleos atua como um projeto para a colisão, determinando se os fragmentos serão esféricos ou em forma de pera. Também destaca a barreira física criada pela repulsão elétrica, que acelera o processo de ruptura para projetis mais pesados. Essas percepções são vitais para o esforço contínuo de sintetizar os elementos 119 e 120. Ao compreender exatamente quais combinações de projetil e alvo têm probabilidade de sucesso e por que outras falham, os cientistas podem fazer escolhas mais informadas em seus experimentos, potencialmente guiando a próxima criação bem-sucedida de um novo elemento na tabela periódica.
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