Químicos disfarçam hélio de hidrogênio para testar teoria quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/02/2011

Por ser muito mais pesado, o múon fica 200 vezes mais perto do núcleo de hélio do que o elétron que ele substituiu, efetivamente anulando a carga positiva de um dos prótons presentes no núcleo do átomo.
[Imagem: Adaptado de Nature]

Em um verdadeiro feito de alquimia dos tempos modernos, cientistas forçaram átomos de hidrogênio a aceitar um átomo de hélio como se fosse um deles e até mesmo a reagir com ele.

Átomo híbrido

O "átomo híbrido" se faz passar por hidrogênio e se comporta quimicamente como hidrogênio, mas tem quatro vezes a massa do hidrogênio normal, autêntico.

Isso vai permitir que os cientistas verifiquem experimentalmente como a massa atômica afeta as reações químicas entre os elementos - algo que a teoria diz que pode ser calculado com as equações da mecânica quântica.

Um átomo de hélio consiste de um núcleo, contendo dois prótons positivamente carregados e dois nêutrons, rodeado por dois elétrons, com carga negativa.

Um átomo de hidrogênio tem apenas um próton e um elétron.

Donald Fleming e seus colegas da Universidade de British Columbia, no Canadá, conseguiram substituir um dos elétrons do átomo de hélio com um múon, uma partícula que é muito mais pesada do que um elétron.

Hidrogênio superpesado

Por ser muito mais pesado, o múon fica 200 vezes mais perto do núcleo de hélio do que o elétron que ele substituiu, efetivamente anulando a carga positiva de um dos prótons presentes no núcleo do átomo.

O elétron restante, desta forma, se comporta como se estivesse orbitando um núcleo com apenas um próton, assim como o elétron de um átomo de hidrogênio.

Mas a diferença é substancial: esse núcleo é 4,1 vezes mais pesado do que o normal.

Fleming e seus colegas usaram este "hidrogênio superpesado" para testar os efeitos da massa sobre as taxas com que ocorrem as reações químicas.

Um átomo de hidrogênio individual pode formar uma nova molécula de hidrogênio roubando um dos dois átomos de uma molécula de hidrogênio que já exista.

Mas, para que isso aconteça, deve haver energia suficiente para quebrar a ligação que mantém coesa a molécula já existente, certo?

Não exatamente. Ou, pelo menos, nem sempre.

Tunelamento quântico

Segundo a mecânica quântica, nem sempre é necessário passar por cima dessa barreira de energia: em vez disso, as partículas podem simplesmente "tunelar" através dela.

É aí que o "falso hidrogênio" se torna interessante: a mecânica quântica também diz que, quanto mais pesadas forem as partículas, mais difícil será para tunelar através delas - assim, a reação de troca de pares entre o átomo de hidrogênio solteiro e o par molecular deveria ocorre com muito menos frequência.

E o que poderia ser melhor para testar a mecânica quântica do que a reação de troca do hidrogênio - esta é, a rigor, a reação química mais simples que existe.

Para fazer isso, contudo, os cientistas precisavam de um terceiro hidrogênio, um hidrogênio ultraleve.

Eles conseguiram um substituindo um próton em um átomo de hidrogênio por um antimúon, o equivalente de antimatéria do múon - o átomo resultante chama-se muônio.

Então, foi "só" fazer os experimentos e comparar os resultados.

Ponto para a mecânica quântica

Os resultados mostraram que a incidência de reações com o hélio disfarçado foi a mais baixa, seguida do hidrogênio normal e, por último, do hidrogênio leve.

As taxas de reação bateram perfeitamente com as previsões teóricas feitas a partir dos cálculos da mecânica quântica.

O mais interessante é que isso era absolutamente inesperado.

Ocorre que a mecânica quântica não tem a pretensão de descrever as reações com tal precisão. Em um mundo de incertezas bizarras, os cálculos quânticos usam uma simplificação, chamada aproximação de Born-Oppenheimer, que supõe que os elétrons adaptam suas trajetórias instantaneamente em resposta a qualquer movimento do núcleo.

Isso é geralmente verdadeiro para os elétrons, que são quase 2.000 vezes mais leves do que os prótons. Mas não necessariamente tal comportamento seria esperado para os múons.

Ou seja, a teoria parece ter-se saído bem melhor do que os próprios cientistas esperavam.

Assim, a forma como qualquer sistema físico se altera ao longo do tempo pode, em teoria, ser prevista a partir dos estados quânticos de suas partículas individuais.

A maioria das reações químicas envolve partículas demais para que seja prático ficar fazendo esses cálculos - mas os cientistas agora sabem que, se houver poder de processamento suficiente e dificuldade de realizar a reação na prática, os cálculos vão dar resultados precisos.

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