Descoberta estrutura parecida com molécula dentro do núcleo de um átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/12/2023

Estrutura semelhante a uma molécula no núcleo de berílio-10 no estado fundamental.
[Imagem: Image by LI Pengjie from IMP]

Molécula dentro do núcleo?

Físicos descobriram uma estrutura similar a uma molécula dentro do núcleo atômico do elemento berílio - e do núcleo em seu estado fundamental de energia.

O núcleo atômico é composto de prótons e nêutrons, o que o físicos chamam de um sistema quântico de muitos corpos. Ele é incrivelmente pequeno, respondendo por apenas cerca de um décimo milésimo do tamanho de um átomo, mas abriga mais de 99,9% da massa total do átomo. O modelo mais comum de sua descrição, chamado modelo de concha, descreve os núcleos atômicos como bolhas esféricas sem muita estrutura interna. Mas esse modelo está longe da realidade.

Na verdade, as interações entre os núcleons criam várias estruturas intrigantes, variando as pretensas conchas de núcleos esféricos a núcleos deformados e até halos de nêutrons com densidade superficial esparsa. O surgimento de estruturas ainda mais complexas dentro dessas formações, estruturas estas conhecidas como aglomerados, é um fenômeno largamente pesquisado, mas ainda muito pouco compreendido porque está na fronteira - e frequentemente além dela - do que nossos equipamentos conseguem visualizar e medir.

As discussões sobre se estruturas aglomeradas poderiam existir dentro do núcleo atômico remontam a 1938, quando físicos teóricos, por meio da análise de energias de ligação em núcleos α-conjugados, sugeriram a possível existência de estruturas de aglomerado semelhantes a moléculas α nos estados fundamentais de núcleos como berílio-8, carbono-12 e oxigênio-16.

No entanto, devido à popularidade da descrição de partícula única que os físicos adotaram, esta hipótese teórica permaneceu sem verificação. Essa descrição mais aceita pelos físicos é conhecida como "modelo de concha", um modelo atômico que descreve os elétrons de um átomo como se estivessem distribuídos em camadas, ou conchas, ao redor do núcleo - cada concha é identificada por um número quântico principal, que indica sua distância do núcleo.

Visão esquemática da reação de nocaute do aglomerado similar a uma molécula.
[Imagem: P. J. Li et al. - 10.1103/PhysRevLett.131.212501]

Confirmado

Agora, usando um novo método experimental envolvendo a reação de nocaute da cinemática inversa, Pengjie Li e colegas da China e do Japão validaram pela primeira vez a presença de uma estrutura do tipo molecular no estado fundamental do berílio-10, um núcleo rico em nêutrons.

O experimento foi realizado na Fábrica de Feixes de Isótopos Radioativos (RIBF) no Centro RIKEN, no Japão. No experimento, um feixe secundário de berílio-10, viajando a metade da velocidade da luz, bombardeou um alvo de hidrogênio sólido com 2 milímetros de espessura. Os aglomerados α ligados aos núcleos de berílio-10 foram ejetados por prótons - quase sem transferência de momento para o núcleo residual - preservando assim informações sobre a estrutura do aglomerado no estado fundamental do berílio-10.

Os resultados experimentais demonstraram uma concordância notável entre as seções transversais experimentais das reações de nocaute (ejeção das partículas) e as previsões teóricas sob modelos microscópicos. Isto confirma a hipótese quase secular sobre a estrutura do estado molecular do estado fundamental do berílio-10, sugerindo a formação de um núcleo α-α em forma de haltere, com dois nêutrons de valência girando perpendicularmente ao eixo do núcleo, uma autêntica "molécula" dentro do núcleo atômico.

"Estruturas semelhantes podem ser encontradas em escala atômica, mas são excepcionalmente raras no estado fundamental dos núcleos atômicos," disse Li.

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