Evolvere Scientia, V. 1, N. 1,p 14-25, 2013 Evolvere Scientia ARTIGO UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO NÚCLEOS SUPERPESADOS: FÓRMULA DE MASSA PARA NÚCLEOS SUPERPESADOS Cloves dos Santos Miranda, Telio Nobre Leite Universidade Federal do Vale do São Francisco, 48902-300 Juazeiro, BA, Brasil. Palavras-chave: Núcleos exóticos, fórmula de massa, energia de ligação, energia de separação, estabilidade, emissão de partículas. INTRODUÇÃO dados experimentais para o valor Q da reação da emissão de partícula alfa de A busca por elementos químicos um bom número de núcleos pesados e cujos núcleos possuem valor de Z superpesados. Esta fórmula de massa grande tem acontecido desde o trabalho será usada para estimar a existência de dos Curie que descobriram os primeiros novos núcleos pesados ligados, pois elementos radioativos naturais no início uma das grandes questões que a Física do a Nuclear tenta responder é qual o maior elementos número de prótons (chamado de número atômico atômico) que um núcleo pode ter e Z ≥ 110 trouxe muita excitação para mesmo assim ser ligado (estável). Esta as comunidades de físicos nucleares e resposta depende do balanço entre a atômicos [1] . Estes núcleos, chamados interação nuclear entre os prótons e de superpesados, habitam uma região nêutrons, que é atrativa, mas de curto bem ao extremo da carta de nuclídeos alcance, e a interação elétrica entre os que passou a ser conhecida como ilha prótons, que é repulsiva e de longo de estabilidade [2]. alcance, porém menos intensa que a século descoberta químicos 20. de com Recentemente, novos número Neste trabalho buscou-se uma interação nuclear. À medida que o valor fórmula de massa que reproduzisse os de Z vai crescendo (ou seja, o núcleo 14 Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 vai ficando mais pesado), o papel da partículas interagentes) passa a ser um repulsão elétrica entre os prótons vai se ponto decisivo na previsão de novos tornando importante. Desta forma, para núcleos superpesados estáveis ou de meia- fazer um núcleo pesado ficar ligado é vida necessária a adição de mais nêutrons. Como se pode observar na carta de nuclídeo mostrada na Figura 1, a região dos núcleos estáveis vai se desviando longa. analisados Neste estes trabalho sistemas foram nucleares superpesados a partir de modelos simples que buscam entender de forma fenomenológica as razões da estabilidade destes sistemas ou que tipo de decaimento para a direita da linha N = Z à medida eles devem possuir (decaimento alfa ou que Z cresce. Aqui N representa o fissão espontânea). número de nêutrons existentes no núcleo. Metodologia Para verificar os limites da estabilidade nuclear devem-se entender os mecanismos que fazem um sistema nuclear constituído de prótons e nêutrons ficar estável contra a emissão de partícula. Para isto é observado atentamente a energia de ligação nuclear. Esta energia, notada por B (A, Z) , é aquela energia necessária para d Figura 1: Carta de Nuclídeo [2]. Uma das grandes dificuldades de explorar estes limites da estabilidade nuclear vem do fato que até o momento não é conhecida completamente a forma da interação nuclear. Assim a verificação ligar os constituintes básicos do núcleo, ou seja, os Z prótons e N nêutrons (temos que A = N + Z é o número de massa). De forma mais precisa, a B (A, Z) é definida como a diferença entre a soma das massas dos Z prótons e N nêutrons, e a massa M (A, Z) do núcleo [3] : de validade, na região de Z grande, de modelos macroscópicos (onde o núcleo é B(A,Z ) = Z m p + N m n − M (A,Z ) . tratado como um fluido quântico) e de Os limites da estabilidade nuclear modelos microscópicos (onde o núcleo é são definidos pela energia de separação de tratado como um sistema quântico de partícula, ou seja, a partir do ponto em que 15 Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 a emissão de partícula nuclear torna-se , onde os parâmetros desta fórmula foram espontânea (energia de separação menor determinados comparando com as medidas que zero). Estas energias são definidas em experimentais: a v = 15.79 MeV , a s = 18.34 MeV , a c = 0 .71 MeV e termos da energia de ligação e representa o quanto de energia precisa ser adicionada ao sistema para que ele emita partícula. A a sim = 23.21 MeV . O primeiro termo da energia de separação de um nêutron é dada fórmula acima é denominado de termo de por: volume, pois se verificou que o volume ocupado S = B ( A , Z ) − B ( A − 1, Z n ). pelos núcleos estáveis é diretamente proporcional ao número de massa (V ≈ A) . Por esta mesma razão, o A energia de separação de um próton é segundo termo é denominado de termo de dada por: superfície. O terceiro termo é o termo de S p = B ( A , Z ) − B ( A − 1, Z − 1) . Coulomb, devido à repulsão elétrica entre os prótons. O penúltimo termo é chamado A energia de separação de uma de termo de assimetria nuclear, pois partícula alfa (núcleo de Hélio) é dada por: S α = B ( A , Z ) − B ( A − 4 , Z − 2 ) − B ( 4 ,2 ) A - 2Z = N - Z . Só nos resta mencionar o . significado de último termo denotado por δ . Ele é o termo de energia de Para verificar a existência de emparelhamento que assume os seguintes novos sistemas nucleares estáveis com δ = a p A −1 / 2 quando N e Z são valores: excesso de nêutrons foi realizado a números implementação numérica das versões de pares (núcleo par-par), fórmula de massa que descrevem a δ = − a p A −1 / 2 quando N e Z são energia de ligação nuclear: extensões da números ímpares (núcleo ímpar-ímpar) ou fórmula de massa de Beth-Weizsäcker zero quando A é um número ímpar (núcleo (BW ) ( Nos) . ímpar), onde a p = 12 MeV . e fórmula do nosso trabalho No PIBIC-UNIVASF desenvolvido de agosto de 2005 a julho de A curva da fórmula de massa de Beth-Weizsäcker (BW) projeto 2006 foi proposta uma extensão da fórmula é dada pela de massa de BW considerando o efeito da expressão [3,4] : assimetria nuclear nos termos de superfície B( A, Z ) = av A − a s A 16 2/3 − a c Z ( Z − 1) / A 1/3 2 − a sim ( A − 2 Z ) / A + δ e de Coulomb: Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 B ( A , Z ) = B BW ( A , Z ) + a S 2 A 2 / 3 I 2 + a C 2 Z ( Z − 1) 2 I A1 / 3 , superfície decresce. Com isso a nossa nova proposta, agora sendo utilizada para núcleos superpesados, fica da seguinte forma: onde I= N−Z A é o parâmetro de assimetria nuclear, e a S 2 e a C 2 são parâmetros a serem ajustados. B( A, Z) = BBW ( A, Z) + aS2 A2/ 3 I 2 + aC2 Z(Z −1) 2 I + asim2 ( A− 2Z)2 I 2 / A A1/ 3 Observa-se que esta proposta também reproduz com sucesso os dados foi experimentais para a energia de ligação [5] . introduzido mais um parâmetro além dos já Verifica-se que os parâmetros de assimetria citados, o parâmetro a Sim 2 no termo de dos termos de superfície, Coulomb e de Neste assimetria, presente pelo fato trabalho de os núcleos superpesados serem maiores influenciados por esse termo em relação aos núcleos mais leves estudados no projeto passado PIBICUNIVASF 2007/2008. Essa influência pode ser mais bem interpretada na figura 2. assimetria nuclear reduzem negativamente a energia de ligação dos núcleos superpesados. Essas reduções de energia de ligação podem ser interpretadas fisicamente como influência dos efeitos de deformações da simetria esférica nos respectivos termos desses núcleos. Cerca de 288 núcleos estáveis já são conhecidos. Aproximadamente seis mil são previstos possuir algum tipo de radioatividade (emissão de partículas), mas somente um terço deles foi encontrado experimentalmente. Fazendo a comparação entre as duas fórmulas de massa citadas com os dados experimentais retirados da Figura 2: Contribuições à energia de ligação média por nucleon devido aos termos de volume, superfície, Coulomb e de assimetria. compilação feita por Audi, Wapstra e Thibault [5] , com isso pode-se testar o sucesso delas em prever a existência de sistemas nucleares estáveis com excesso de Na medida em que a massa aumenta o valor a ser subtraído do termo de volume é a seguinte: o valor do termo de assimetria aumenta juntamente com o termo de Coulomb, enquanto que o termo de 17 nêutrons. Esses sistemas não podem emitir nenhum tipo de partícula nuclear (nêutron, próton, dois nêutrons, partícula alfa, etc). dois prótons, Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 Para a fórmula proposta pelo nosso trabalho os parâmetros de tabelas com a utilização do programa computacional na assimetria nuclear, a S 2 , a C 2 e a Sim 2 FORTRAN foram obtidos através de resoluções de implementadas as equações de massa já matrizes no software de programação citadas nesse projeto. Com MATLAB. na linguagem ajuda qual da foram ferramenta Para testar a estabilidade contra programa ORIGIN os resultados foram a emissão de partícula alfa foi calculada analisados graficamente e interpretados primeiramente a respectiva energia de juntamente ligação B( A, Z ) para uma quantidade experimentais encontrados na literatura, de núcleos dos isótopos Ds , Rg , Uub , Uut , Uuq , Uup , Uuh e Uus , sendo seus respectivos números atômicos Z = 110 , Z = 111 , Z = 112 , Z = 113 , Z = 114 , Z = 115 , Z = 116 e Z = 117 , respectivamente. Com isso foi possível calcular as energias de separação de um nêutron, dada pela definição: S1n = B( A, Z ) − B( A − 1, Z ) de um próton, dada pela definição: S 1 p = B ( A, Z ) − B ( A − 1, Z − 1) com os valores compilação feita por Audi, Wapstra e Thibault [5] . Os valores dos isótopos para as demais cadeias foram extrapolados através da fórmula proposta pelo nosso projeto a fim de prever a massa atômica nuclear que seria estável contra emissão de partícula alfa. Além disso, foi proposta em estudo uma hipótese a fim de entender quais os mecanismos que envolvem os aspectos da interação nuclear que são responsáveis para explicar sua estabilidade. de dois nêutrons, dada pela definição: S 2 n = B( A, Z ) − B( A − 2, Z ) Resultados e Discussões de dois prótons, dada pela definição: S 2 p = B( A, Z ) − B ( A − 2, Z − 2 ) e de partícula alfa, dada pela definição: Sα = B( A, Z ) − B( A − 4, Z − 2) − B( 4, 2) Os dados B( A, Z ) , S1n , S1 p , S 2 n , S 2 p e Sα 18 foram gerados em Como já foi dito, a nova fórmula proposta pelo nosso trabalho é dada por: B(A, Z) = BBW(A, Z)+aS2A2/ 3I2 +aC2 Z(Z−1) 2 I +asim2(A−2Z)2 I2 / A 1/ 3 A Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 Sendo os parâmetros a S 2 , aC 2 e Dessa forma na diferença obtida a sim 2 a serem determinados pelo software em cada isótopo selecionado da fórmula MATLAB e posteriormente implementados de Beth-Weizsäcker em relação aos valores experimentais, foi considerada na programação FORTRAN. como uma correção através dos termos Foram comparados os valores da energia de ligação dos isótopos obtidos pela fórmula de Beth-Weizsäcker com os valores experimentais, compilação feita por Audi, Wapstra e Thibault. adicionais da nossa nova proposta. Igualando o valor da energia de ligação obtida experimentalmente com o a fórmula proposta pelo nosso trabalho, tem-se que: Como na nossa fórmula são utilizados três parâmetros de assimetria nuclear aS2 , aC 2 e linear. Para isso foram escolhidos três isótopos, os de massa A = 267 , A = 274 e A = 281 , de forma que abrangesse de forma eqüidistante toda a cadeia de Z(Z−1) 2 I +asim2(A−2Z)2 / A 1/3 A a Sim 2 , foram necessárias três equações para compor o sistema Bexp(A,Z)=BBW(A,Z)+aS2A2/3I2 +aC2 isótopos do A diferença entre o valor experimental e a dada pela fórmula de Beth-Weizsäcker é o valor a ser corrigido pelos termos de assimetria da nossa fórmula: aS2A2/3I2 +aC2 Darmstárdio experimentais. Veja na figura 3. Z(Z−1) 2 I +asim2(A−2Z)2 / A=Bexp(A,Z)−BBW(A,Z) A1/3 Como Z = 110 e as respectivas massas A = 267 , são: A = 274 e A = 281 , a matriz ficou da seguinte forma: Para A= 267 ⇒ 1,2848 aS2 +57,6973 aC2 +0,2564 asim2 = −7,007 aS2 +71,7005 aC2 +0,4134 asim2 = −9,589 Para A= 274 ⇒ 1,6385 aS2 +86,2642 aC2 +0,6240 asim2 = −12,068 Para A= 281 ⇒ 2,0217 Como já foi dito não só essa matriz, mas para todas as demais Figura 3: Comparação da energia de ligação da fórmula de Beth-Weizsäcker com os valores experimentais. 19 cadeias de isótopos superpesados foram calculados no MATLAB, e foi Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 observado de forma surpreendente que todos os valores dos parâmetros (a) (b) poderiam assumir valores únicos e constantes, nas quais foram eles a S 2 = −1 , a C 2 = − 0,1 e a Sim 2 = −1 , podendo esses valores ser utilizados em todos os núcleos superpesados, sendo os resultados bem satisfatórios em aos experimentais. Os comparação valores desses implementados parâmetros em foram programação FORTRAN para obtenção dos valores teóricos das fórmulas de massa já citadas nesse projeto. Na figura 4, as análises de energia de separação (um nêutron, um próton, dois nêutrons, dois prótons e representadas. partícula alfa) estão (c) (d) (e) Figura 4: Comparação dos valores experimentais da energia de separação, (a) de um nêutron, (b) de um próton, (c) de dois nêutrons, (d) de dois prótons e (e) de partícula alfa, para a cadeia do Darmstádio com as fórmulas de massa propostas por 20 Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 Bethe-Weizsäcker (BW), e pelo trabalho (Nos), respectivamente. nosso diminuir a energia de ligação para tal equação. Então a assimetria nuclear faz É interessante ressaltar que os com que esta redução seja menor. Este isótopos que estiverem acima da linha resultado está de acordo com cálculos da energia de separação igual a zero dos microscópicos de estrutura nuclear que respectivos gráficos são ditos estáveis, indicam que à medida que o excesso de quando obtidos experimentalmente. nêutron cresce, os prótons tendem a As fórmulas responderam bem ficar mais ligados ao núcleo. Isso as evidências experimentais, porém em também pode ser comprovado na figura algumas ocasiões prevaleceu mais, em 4 nos itens (b) e (d) que mostram a termos de aproximação, os valores de energia de separação de um próton e BW , e em outras situações prevaleceu dois prótons, respectivamente. mais a fórmula proposta pelo nosso Nesta figura mostra que com o trabalho. Por exemplo, para os gráficos aumento da massa nuclear (aumento de de energia de separação de um nêutron, nêutrons) a energia de separação de um próton, dois nêutrons, dois prótons e prótons fica cada fez maior, impedindo de partícula alfa para os elementos a emissão de tal partícula, ou seja, o Z = 110 , Z = 111 e Z = 112 , foram formato de uma função crescente melhores representados nossa explica a tendência dos prótons ficarem fórmula, porém Z = 113 , mais e mais ligados a medida que o Z = 114 , Z = 115 , Z = 116 e Z = 117 número de nêutrons aumenta no núcleo esses valores foram melhores para a atômico. para pela fórmula de BW exceto para a energia O objetivo desse trabalho foi de separação de partícula alfa que foi verificar a existência de novos sistemas evidenciado em todos os elementos nucleares com excesso de nêutrons que analisados, que foram satisfatoriamente são estáveis contra a emissão de bem representados pela nossa fórmula. partícula. Como foi observado e Os valores dos parâmetros a S 2 , comentado anteriormente da figura 4, aC 2 e a Sim 2 foram determinados e esses em que os prótons tendem a ficar mais por sua vez obtiveram sinais negativos, sendo esses termos subtraídos na fórmula de BW , ou seja, tendendo a ligados ao núcleo através da energia de separação crescente, porém até então ainda não foi dito que os nêutrons possuem uma energia de separação 21 Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 decrescente, tendendo cada vez mais a instáveis, as duas primeiras linhas ficarem menos ligados ao núcleo com o tracejadas mostram os núcleos que aumento de sua quantidade. A figura 5 possuem número de massa ímpar indica uma extrapolação dos valores da enquanto as duas últimas mostram os energia de separação de um nêutron núcleos de número par. para as fórmulas de Bethe-Weizsäcker e pela fórmula nossa, mostrada anteriormente na figura 4(a). Essa extrapolação é de extrema importância na previsão de quais isótopos são instáveis contra emissão de tais partículas. Na figura 5 observa-se a pequena faixa de valores experimentais para a cadeia dos isótopos do Darmstárdio Z = 110 . Z 110 111 112 113 114 115 116 117 118 “A” estável contra emissão de dois nêutrons para fórmula de BetheWeizsäcker “A” “A” ímpar par 361 390 393 368 369 396 401 372 377 404 407 380 383 412 415 386 391 418 “A” estável contra emissão de dois nêutrons proposta pela nossa fórmula “A” ímpar 353 381 361 389 367 397 375 403 381 “A” par 378 356 386 364 392 370 400 378 408 Tabela 1: Valores previstos de massa para os núcleos instáveis, emissão de um nêutron estipulados pela fórmula de BetheWeizsäcker e pela nossa fórmula. Figura 5: Extrapolação dos valores da energia de separação de um nêutron da fórmula Bethe-Weizsäcker (BW) e da nossa fórmula (Nos) para a cadeia de isótopos do Darmastádio. A tabela 1 mostra os valores previstos de massa para os núcleos com instabilidade contra emissão de um nêutron estipulados pela fórmula de Bethe-Weizsäcker e pela nossa fórmula. Os núcleos estão previstos em termos de paridade para os elementos superpesados estudados. A figura 6 indica uma extrapolação dos valores da energia de separação de dois nêutrons para as fórmulas de Bethe-Weizsäcker e pela O gráfico da figura 5 mostra através das linhas tracejadas os núcleos 22 fórmula nossa, mostrada anteriormente na figura 5(c). Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 para a previsão de núcleos estáveis contra emissão de partículas alfa para a cadeia de isótopos do Darmstárdio. Essa figura é um prolongamento da figura já vista, a figura 4(e). Os supostos núcleos estáveis são aqueles que estão acima da linha “drip line”, na parte positiva do gráfico. Figura 6: Extrapolação dos valores da energia de separação de dois nêutrons da fórmula Bethe-Weizsäcker (BW) e da nossa fórmula (Nos) para a cadeia de isótopos do Darmastádio. Os valores dos isótopos instáveis contra emissão de dois nêutrons para os demais elementos superpesados estudados estão na tabela 2. “A” estável “A” estável contra emissão contra emissão de de dois nêutrons dois nêutrons para fórmula de proposta pela BW nossa fórmula 375 365 110 379 369 111 382 372 112 386 376 113 389 379 114 393 383 115 397 386 116 400 390 117 404 394 118 Tabela 2: Valores previstos de massa para os núcleos instáveis, emissão de dois nêutrons estipulados pela fórmula de BetheWeizsäcker e pela nossa fórmula. Figura 7: Extrapolação dos valores da energia de separação de partícula alfa da fórmula Bethe-Weizsäcker (BW) e da nossa fórmula (Nos) para a cadeia de isótopos do Darmastádio. Z Observa-se que as extrapolações dos valores das respectivas fórmulas estão bem além dos já conhecidos valores experimentais (pontos pretos do canto inferior esquerdo do gráfico). No entanto os experimentais avanços estão nas técnicas permitindo a realização de medidas de massas e energias de ligação com melhores precisões, possibilitando a produção de A figura 7 mostra uma extrapolação dos valores da fórmula de Bethe-Weizsäcker e da fórmula nossa 23 núcleos com excessos de nêutrons cada Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 vez maiores, estendendo cada vez mais número de massa atômico que seria a cadeia de isótopos. estável contra emissão de partículas alfa Um exemplo de análise que se poderia fazer, tomando-se para os demais elementos superpesados. muita cautela, é que, para a fórmula proposta Conclusão pelo nosso trabalho esperaria que o primeiro isótopo da cadeia do Darmastádio estável contra emissão de Neste projeto foi implementado alguns fórmulas de massa para Ds , é esperado descrever tanto a energia de ligação também que esse núcleo seria estável como das energias de separação de contra emissão de nêutron já que seu prótons, nêutrons e partículas alfa para valor de massa (A=340) está abaixo do uma série de cadeias de isótopos valor estabelecido na tabela 1 para superpesados. partícula alfa seria o 340 110 núcleo par, menor que 353 e que Diante disso, propomos uma também seria estável contra emissão de fórmula de massa a partir da antiga dois neutros já que seu valor de massa fórmula de Bethe-Weizsäcker com a está abaixo do valor estabelecido na adição de três novos termos, o de tabela 2, menor que 365. superfície, o de Coulomb e o de assimetria. Foi observado que os ajustes “A” estável “A” estável contra emissão de contra emissão de partícula alfa alfa proposta pela para fórmula de nossa fórmula BW 301 340 110 305 344 111 309 349 112 313 353 113 318 358 114 322 362 115 326 367 116 331 372 117 335 376 118 Tabela 3: Valores previstos de massa para os núcleos estáveis contra emissão de partícula alfa estipulados pela fórmula de BetheWeizsäcker e pela nossa fórmula. feitos pelo nosso trabalho causaram Outras previsões poderiam ser pesados e superpesados, varrendo toda a Z feitas analisando a tabela 3 que prever o 24 certo animo e uma boa expectativa em relação às demais fórmulas. Desta forma, pretende-se posteriormente fazer uma unificação da fórmula proposta pelo nosso trabalho através da metodologia proposta na obtenção de parâmetros, para que possa expressar satisfatoriamente os valores experimentais tanto para núcleos leves e intermediários quanto tabela periódica. para núcleos Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 14-25, 2013 Os avanços experimentais estão nas técnicas permitindo a [4] K. L. G. Heyde, Basic Ideas and Concepts in Nuclear Physics. realização de medidas de massas e IOP,Bristol, 1999. energias de ligação com melhores [5] G.Audi, A.H.Wapstra e C.Thibault, precisões, possibilitando a produção de Nuclear Physics A 729, 337 (2003). núcleos com excessos de nêutrons cada vez maiores, estendendo cada vez mais a cadeia de isótopos. Com isso esse tipo de estudo desenvolvido no presente trabalho poderia caminhar em paralelo com esses avanços experimentais a fim de pelo menos indicar o caminho na obtenção de núcleos cada vez mais pesados estáveis contra emissão de partículas. É importante lembrar que essas análises de extrapolação são apenas previsões com base nos comportamento histórico dos núcleos já existentes, porém não são contabilizados quaisquer comportamentos anormais que por ventura possam ocorrer nesses novos núcleos. Referências [1] S. Ćwiok, P.–H. Heenen & W. Nazarewicz, Nature 433, 705 (2005). [2] W. Zhang et al., Nuclear Physics A 753, 106 (2005). [3] K. C. Chung, Introdução à Física Nuclear EdUERJ, Rio de Janeiro, 2001. 25