• Começa com um estrondo

A tabela periódica com a qual você cresceu está errada

Até 2002, pensávamos que o elemento estável mais pesado era o bismuto: o número 83 da tabela periódica. Isso não é mais o caso.

Principais conclusões

• Os elementos da tabela periódica são classificados por suas propriedades elementares, definidas pelo número de prótons no núcleo e pelas ligações formadas por suas estruturas eletrônicas.
• Até o início dos anos 2000, pensávamos que o elemento estável mais pesado era o bismuto: a 83ª entrada na tabela periódica.
• No entanto, aprendemos recentemente que o bismuto é inerentemente instável e decai após ~ 10^19 anos. O chumbo e os outros elementos pesados ​​são realmente estáveis ​​ou, se esperarmos o suficiente, tudo acabará por decair?

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À medida que passamos a observar o Universo em escalas menores e mais fundamentais, começamos a descobrir quais eram os blocos de construção da matéria. Materiais macroscópicos são compostos de componentes menores que ainda retêm as propriedades físicas e químicas do original maior. Você pode decompor as coisas em moléculas individuais, e ainda assim essas moléculas exibirão o mesmo comportamento isoladamente como quando faziam parte da estrutura maior. As moléculas podem ser quebradas ainda mais, em átomos individuais, que ainda retêm as mesmas propriedades de ligação que possuíam quando estavam em moléculas: evidência de que há algo muito importante, no nível atômico, para construir as estruturas de maior escala em nosso Universo hoje. .

Acabamos reconhecendo que os átomos têm propriedades que podem ser classificadas, periodicamente, pelo número de prótons em seu núcleo. As cargas positivas no núcleo determinam quantos elétrons devem orbitar esse núcleo para formar um átomo eletricamente neutro e, em seguida, o comportamento desses elétrons, de acordo com as leis da física quântica, determina como esses átomos se comportam, interagem e se unem. A tabela periódica dos elementos é ensinada em escolas em todo o mundo. Há apenas um problema: se você aprendeu os elementos de uma tabela periódica feita antes de 2003, há um erro gritante nela. Aqui está o que todos deveriam saber.

O elemento químico bismuto como um cristal sintético (esquerda). A superfície iridescente é uma camada muito fina de oxidação que ocorre na interface entre o bismuto e o ar rico em oxigênio. Ao lado está um cubo de bismuto de alta pureza (99,99%) com um centímetro cúbico de volume para comparação. O bismuto, outrora considerado o elemento estável mais pesado, é conhecido por não ser mais verdadeiramente estável.

Dentro do núcleo de cada átomo encontra-se um núcleo atômico: uma estrutura maciça fortemente ligada composta de pelo menos um próton e, em todos os casos, exceto um, múltiplos nêutrons também. Embora a maioria dos átomos que compõem o mundo cotidiano que experimentamos seja conhecida por ser estável, existem muitas combinações de prótons e nêutrons que são inerentemente instáveis ​​e decairão em um elemento diferente se for permitido passar tempo suficiente.

Para alguns elementos, como o carbono, existem múltiplos isótopos estáveis, como o carbono-12 (com 6 prótons e 6 nêutrons) é estável, assim como o carbono-13 (com 6 prótons e 7 nêutrons). No entanto, você também pode ter carbono-14, com 6 prótons e 8 nêutrons, que não é estável, mas com tempo suficiente, decairá radioativamente emitindo um elétron, um neutrino anti-elétron, e transformando um de seus nêutrons em um próton : tornando-se nitrogênio-14 no processo. O nitrogênio-14, com 7 prótons e 7 nêutrons em seu núcleo, é absolutamente estável, assim como outro isótopo do nitrogênio: o nitrogênio-15, com 7 prótons e 8 nêutrons.

Embora existam muitos elementos que possuem um ou mais isótopos estáveis, existem alguns elementos que não possuem nenhum: tecnécio e promessa são dois exemplos de elementos que são sempre instáveis.

Esta ilustração mostra 5 dos principais tipos de decaimentos radioativos: decaimento alfa, onde um núcleo emite uma partícula alfa (2 prótons e 2 nêutrons), decaimento beta, onde um núcleo emite um elétron, decaimento gama, onde um núcleo emite um fóton, emissão de pósitrons (também conhecida como decaimento beta-plus), onde um núcleo emite um pósitron, e captura de elétrons (também conhecida como decaimento beta inverso), onde um núcleo absorve um elétron. Esses decaimentos podem alterar o número atômico e/ou de massa do núcleo, mas certas leis gerais de conservação, como energia, momento e conservação de carga, ainda devem ser obedecidas.

Na verdade, é uma ideia relativamente nova que qualquer forma de matéria seria instável: algo que surgiu apenas como uma explicação necessária para a radioatividade, descoberta no final do século XIX. Materiais que continham certos elementos — rádio, radônio, urânio, etc. — pareciam gerar espontaneamente sua própria energia, como se fossem movidos por algum tipo de motor interno inerente à sua própria natureza.

Com o tempo, a verdade sobre essas reações foi descoberta: os núcleos desses átomos estavam passando por uma série de decaimentos radioativos. Os três tipos mais comuns eram:

• Decaimento α (alfa): onde um núcleo atômico cospe uma partícula α (com 2 prótons e 2 nêutrons), descendo 2 elementos na tabela periódica,
• Decaimento β (beta): onde um núcleo atômico converte um nêutron em um próton ao cuspir um elétron (uma partícula β) e um neutrino anti-elétron, subindo 1 elemento na tabela periódica,
• Decaimento γ (gama): onde um núcleo atômico, em um estado excitado, cospe um fóton (uma partícula γ), fazendo a transição para um estado de baixa energia.

O exemplo do decaimento do carbono-14 em nitrogênio-14 é um exemplo de decaimento beta, enquanto urânio-238 em decomposição ao tório-234 é um exemplo de decaimento alfa.

Este diagrama deve ser lido a partir do canto superior direito, seguindo as setas, para mostrar a cadeia de decaimento (e o tempo de vida médio de cada etapa) do elemento instável urânio-238. Embora a etapa mais longa seja a primeira, o produto final, o chumbo-206, só é alcançado várias centenas de milhares de anos depois que ocorre a primeira etapa da cadeia de decaimento.

Ao final dessas reações, a massa total do que sobra (os produtos) é sempre menor que a massa total do que começamos (os reagentes), sendo a massa restante convertida em energia pura pela famosa equação de Einstein, E = mc² .

Se você aprendeu sobre a tabela periódica antes de 2003, provavelmente aprendeu que o bismuto, o 83º elemento, era o elemento estável mais pesado, com cada elemento mais pesado que aquele passando por alguma forma de decaimento radioativo (ou cadeia de decaimento) até que um elemento verdadeiramente estável seja alcançado.

Mas em 2003, os cientistas descobriram que cada isótopo de bismuto é inerentemente instável , incluindo o abundante e natural bismuto-209. É extremamente duradouro, com uma meia-vida de cerca de ~ 10 ¹⁹ anos: aproximadamente um bilhão de vezes a idade do Universo atual. Desde essa descoberta, a estrutura da tabela periódica foi alterada para refletir que o bismuto, embora incrivelmente duradouro, agora é conhecido por não ser estável. Em vez disso, essas tabelas agora (corretamente, até onde sabemos) relatam que o chumbo, o 82º elemento, é o elemento estável mais pesado conhecido.

Embora o bismuto ainda seja considerado 'estável' por muitos, é fundamentalmente instável e sofrerá decaimento alfa em escalas de tempo de aproximadamente 10^19 anos. Com base em experimentos realizados em 2002 e publicados em 2003, a tabela periódica foi revisada para indicar que o chumbo, e não o bismuto, é o elemento estável mais pesado, e que o bismuto, como outros elementos de vida longa, mas instáveis, acabará por decair.

A razão pela qual ocorrem os decaimentos radioativos não foi bem compreendida por muitas décadas após a descoberta da radioatividade: é um processo inerentemente quântico. Existem certas regras de conservação que são parte inextricável das leis da física, pois quantidades como energia, carga elétrica e momento linear e angular são sempre conservadas. Isso significa que, se medirmos essas propriedades tanto para os reagentes quanto para os produtos (ou os produtos fisicamente possíveis) de qualquer reação candidata, eles sempre devem ser iguais. Essas quantidades não podem ser criadas ou destruídas espontaneamente; é isso que significa ser “conservado” na física.

Mas se houver várias configurações permitidas que obedeçam a todas essas regras de conservação, existe uma maneira de determinar qual(is) configuração(ões) é(são) mais estável(is) em relação às outras: algumas delas serão mais favoráveis ​​energeticamente. “Energeticamente favorável” é como ser uma bola redonda no topo de uma colina e rolar por ela. Onde virá para descansar? No fundo, certo? Não necessariamente. Pode haver muitos pontos baixos diferentes onde a bola pode acabar – o que conhecemos como “falsos mínimos” na ciência – onde apenas um deles será a configuração absoluta de energia mais baixa de todas: o verdadeiro mínimo.

Em muitas instâncias físicas, você pode se ver preso em um mínimo falso local, incapaz de atingir o estado de energia mais baixa, que é um mínimo verdadeiro. Se você recebe um chute para ultrapassar a barreira, o que pode ocorrer classicamente, ou se você segue o caminho puramente mecânico quântico do tunelamento quântico, ir do estado metaestável para o verdadeiramente estável é fisicamente conhecido como transição de fase de primeira ordem.

Na física clássica, se você ficar preso em um desses “mínimos falsos” ou em um ponto baixo que não seja a configuração mais baixa possível, ficará preso lá, a menos que algo apareça para dar à bola energia suficiente para subir acima. os limites do poço em que está. Só então ele terá a oportunidade de começar a descer a colina novamente, com o potencial de eventualmente chegar a uma configuração de energia mais baixa, possivelmente terminando no estado de energia mais baixa (base). de tudo. Isso explica por que as bolas rolando por uma colina podem acabar em uma depressão de alta elevação, em vez de todas pararem no vale no sopé da colina.

Mas na física quântica, você não precisa adicionar energia para que essa transição se torne possível. Em vez disso, no Universo quântico, é possível pular espontaneamente de um desses falsos estados mínimos para uma configuração de energia mais baixa — mesmo diretamente no estado fundamental — sem nenhuma energia externa. Esse fenômeno, conhecido como tunelamento quântico, é um processo probabilístico. Se as leis da natureza não proíba explicitamente que tal processo ocorra , então definitivamente ocorrerá. A única pergunta que precisamos responder é: 'Quanto tempo vai demorar?'

A transição através de uma barreira quântica é conhecida como tunelamento quântico, e a probabilidade de um evento de tunelamento ocorrer em um determinado período de tempo depende de uma variedade de parâmetros sobre as energias dos produtos e reagentes, as interações que são permitidas entre as partículas envolvido e o número de passos permitidos necessários para chegar ao estado final.

Em geral, existem alguns fatores principais que determinam quanto tempo durará um estado instável (ou quase estável).

• Qual é a diferença de energia entre os reagentes e os produtos? (Diferenças maiores e diferenças percentuais maiores se traduzem em tempos de vida mais curtos para o estado inicial.)
• Quão fortemente suprimida é a transição do seu estado atual para o estado final? (Ou seja, qual é a magnitude da barreira de energia? Barreiras maiores significam vida útil mais longa.)
• Quantos “passos” são necessários para ir do estado inicial ao estado final? (Menos etapas geralmente levam a uma transição mais provável, pois um único decaimento geralmente ocorre mais rapidamente do que uma cadeia de decaimento.)
• E qual é a natureza do caminho quântico que o leva até lá? (Um decaimento que depende da força nuclear forte geralmente ocorre mais rapidamente do que um decaimento que depende da força nuclear fraca, por exemplo.)

Uma partícula como um nêutron livre é instável, pois pode sofrer decaimento β, fazendo a transição para um próton, um elétron e um neutrino anti-elétron. (Tecnicamente, é um dos quarks down dentro do nêutron que β-decai em um quark up.) Uma partícula quântica diferente, o múon, também é instável e também sofre decaimento β, fazendo a transição para um elétron, um neutrino anti-elétron , e um neutrino múon. Ambos são decaimentos fracos e ambos mediados pelo mesmo bóson de calibre.

Mas como os produtos do decaimento de nêutrons são 99,9% da massa dos reagentes, enquanto os produtos do decaimento do múon são apenas ~0,05% dos reagentes, o tempo de vida médio do múon é medido em cerca de ~2,2 microssegundos, enquanto um nêutron livre vive cerca de ~ 15 minutos.

Ilustração esquemática do decaimento beta nuclear em um núcleo atômico massivo. O decaimento beta é um decaimento que ocorre através das interações fracas, convertendo um nêutron em um próton, elétron e um neutrino anti-elétron. O nêutron livre vive cerca de 15 minutos como um tempo médio de vida, mas os nêutrons ligados podem ser estáveis ​​até onde já os medimos.

É por isso que você precisa entender o quão impressionante foi a descoberta da instabilidade inerente do bismuto. Se uma partícula tem vida curta em comparação com a duração de um experimento de laboratório, é muito fácil observar essas partículas uma de cada vez e medir quanto tempo cada uma vive. Você pode então fazer um grande número dessas medições e determinar propriedades como a meia-vida ou o tempo médio de vida dessa espécie específica de partícula.

Mas para partículas que vivem por tempos extremamente longos — mais até do que a idade do Universo — essa abordagem não funcionará. Se você pegar uma partícula como o bismuto-209 e esperar por toda a idade do Universo (~ 13,8 bilhões de anos), há menos de uma chance em um bilhão de que ela decaia. É uma abordagem terrível e completamente impraticável para esse tipo de partícula de vida longa.

Mas se você pegar um número enorme de partículas de bismuto-209, como número de Avogadro deles (6,02 × 10 ²³ ), depois de um ano, pouco mais de 30.000 deles teriam decaído: via decaimento α, para tálio-205, que é estável. Se seu experimento fosse sensível o suficiente para medir essa pequena mudança na composição atômica de sua amostra, você seria capaz de detectar e quantificar o quão instável é o bismuto-209. Agora sabemos que ele tem uma meia-vida de 2,01 × 10 ¹⁹ anos: o elemento instável de vida mais longa conhecido. (Embora telúrio-128 e telúrio-130 têm tempos de vida ainda mais longos, decaimento duplo-β em xenônio-128 e xenônio-130 com tempos de vida de 2,2 × 10 ²⁴ e 8,2 × 10 ^vinte anos, respectivamente.)

Quando um núcleo experimenta um duplo decaimento de nêutrons, dois elétrons e dois neutrinos são emitidos convencionalmente. Se os neutrinos obedecem ao mecanismo de gangorra e são partículas de Majorana, o decaimento beta duplo sem neutrinos deve ser possível. Os experimentos estão procurando ativamente por isso, mas até agora descobriram apenas o decaimento beta duplo de dois neutrinos, que descreve o caminho de decaimento dos isótopos instáveis ​​de vida mais longa conhecidos.

Você pode argumentar, dada a idade do Universo e para que usamos os átomos aqui na Terra, que para todos os propósitos práticos, talvez devêssemos considerar o bismuto estável. Embora isso possa ser razoável para a maioria das considerações de laboratório, muitos de nós temos uma curiosidade insaciável sobre o que acontecerá nas escalas de tempo mais longas de todas no Universo. Agora que sabemos que existem elementos e isótopos que são instáveis ​​em escalas de tempo extremamente longas - escalas de tempo muitas vezes a idade do Universo, de quintilhões de anos ou mais - é o suficiente para nos fazer pensar se muitos dos elementos que consideramos estáveis pode, com tempo suficiente, eventualmente decair.

Existem atualmente 80 elementos estáveis ​​conhecidos (todos os primeiros 82, exceto tecnécio e promécio), com um total de 251 isótopos desses elementos observados como completamente estáveis. No entanto, a maioria dos cientistas geralmente concorda que com linhas de base mais longas de observação, ou com experimentos mais precisos envolvendo um grande número de núcleos atômicos, muitos desses elementos e isótopos podem eventualmente decair em outras configurações energeticamente mais favoráveis. Alguns destes, como tântalo-180m (um estado metaestável de tântalo-180, com 73 prótons e 107 nêutrons) são fortemente suspeitos de serem instáveis ​​em termos teóricos, mas até agora, nunca foram observados em decaimento.

Este gráfico mostra os isótopos atômicos de todos os elementos conhecidos, coloridos pelos tempos de vida conhecidos desses isótopos. Embora existam atualmente 251 isótopos estáveis ​​conhecidos em 80 elementos estáveis, esses números provavelmente diminuirão com mais pesquisas e melhores medições. Se algum elemento é verdadeiramente estável em escalas de tempo infinitas ou não, ainda não foi determinado.

Quantos dos elementos e isótopos que atualmente pensamos serem estáveis ​​hoje, algum dia se mostrarão inerentemente instáveis? Acredite ou não, esta é uma das grandes questões em aberto na ciência. O elemento estável mais pesado, liderar , tem quatro isótopos estáveis ​​conhecidos, incluindo o chumbo-208: a forma natural de chumbo mais abundante. Quantos deles são realmente estáveis?

Na física nuclear há o que é conhecido como números mágicos : números que correspondem a quantos núcleons de qualquer tipo (prótons ou nêutrons) podem ser organizados em “conchas” completas e preenchidas dentro do núcleo atômico. (Assim como os elétrons formam conchas dentro de um átomo, os nucleons formam conchas dentro de um núcleo.) Os números mágicos conhecidos são:

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• 2,
• 8,
• vinte,
• 28,
• cinquenta,
• 82,
• e 126,

com chumbo-208 sendo notável por ser um duplamente mágico núcleo: com 82 prótons e 126 nêutrons. Alguns núcleos duplamente mágicos são incrivelmente estáveis, como chumbo-208, hélio-4, oxigênio-16 e cálcio-40. Mas eles são realmente estáveis ​​se esperarmos o suficiente: googols de anos ou até mais? Algum dos elementos conhecidos é realmente estável se esperarmos o tempo suficiente, ou qualquer coisa que contenha prótons e nêutrons acabará decaindo?

Embora as fronteiras da física normalmente envolvam partículas subatômicas mais fundamentais do que prótons ou nêutrons, o destino futuro distante do nosso Universo depende das respostas ainda desconhecidas a essas perguntas. À medida que o século 21 continua a progredir, podemos esperar que o número de isótopos estáveis ​​conhecidos diminua de seu valor atual de 251. Mas até que ponto ele diminuirá é uma questão que apenas estudos futuros podem responder.

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