O instrumento FIONA no Cyclotron de 88 polegadas do Berkeley Lab foi essencial para confirmar a descoberta do mendelevium-244. Crédito: Marilyn Sargent / Berkeley Lab

Uma equipe de cientistas que trabalha no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descobriu uma nova forma do elemento mendelévio feito pelo homem. O isótopo recém-criado, mendelevium-244, é a 17a e mais leve forma de mendelevium, que é o elemento 101 da tabela periódica.

O Mendelevium foi criado pelos cientistas do Berkeley Lab em 1955 e está entre uma lista de 16 outros elementos que os cientistas do Berkeley Lab descobriram ou ajudaram a descobrir. Um isótopo é uma forma de um elemento com mais ou menos nêutrons (partículas não carregadas) em seu núcleo atômico do que outras formas de um elemento.

Na descoberta mais recente, a equipe usou o Cyclotron de 88 polegadas do Berkeley Lab, que acelera poderosos feixes de partículas carregadas em alvos para criar átomos de elementos mais pesados, para produzir o mendelevium-244. Um ciclotron é um tipo de acelerador de partículas que foi inventado pelo homônimo do laboratório, Ernest Lawrence, em 1930.

As equipes lideradas pelo Berkeley Lab descobriram 12 dos 17 isótopos de mendelévio e descobriram um total de 640 isótopos – cerca de um quinto de todos os isótopos conhecidos e, de longe, a contagem mais alta para uma única instituição. No final de 2019, havia 3.308 isótopos conhecidos. A nova descoberta de isótopos é a primeira de uma equipe liderada pelo Berkeley Lab desde 2010.

“Foi um desafio descobrir esse novo isótopo de mendelévio porque todos os isótopos vizinhos de mendelévio têm propriedades de decaimento muito semelhantes”, disse Jennifer Pore, cientista de projeto do Berkeley Lab que liderou o estudo detalhando a descoberta do isótopo. O decaimento alfa descreve o processo pelo qual um elemento radioativo como o mendelevium se decompõe em elementos mais leves ao longo do tempo.

No total, a equipe mediu as propriedades de 10 átomos de mendelévio-244 para o estudo, publicado hoje na revista Physical Review Letters.

“Cada isótopo representa uma combinação única de prótons e nêutrons”, disse Pore. “Quando um novo isótopo é descoberto, essa combinação específica de prótons (partículas carregadas positivamente) e nêutrons nunca foi observada. Os estudos dessas combinações extremas são fundamentais para o entendimento de toda a matéria nuclear”.

Além de descobrir o novo isótopo, o trabalho da equipe de pesquisa também forneceu a primeira evidência direta de um processo de decaimento envolvendo um isótopo do elemento berquélio. A equipe incluiu cientistas da UC Berkeley, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, da Universidade Estadual de San Jose e da Universidade Lund da Suécia.

Os pesquisadores descobriram evidências de que o mendelevium-244 possui duas cadeias separadas de decaimento, cada uma levando a uma meia-vida diferente: 0,4 segundo e 6 segundos, com base em diferentes configurações de energia das partículas em seu núcleo. Meia-vida é o tempo que leva para o número de átomos de um elemento radioativo ser reduzido pela metade, à medida que seus núcleos decaem para outros núcleos mais leves.

Em uma medição separada decorrente do mesmo estudo, os pesquisadores encontraram a primeira evidência para o processo de decaimento alfa do berkelium-236, um isótopo do elemento berkelium, ao se transformar em americium-232, um isótopo levemente mais leve. O Berkelium foi descoberto em 1949 por uma equipe liderada pelo Berkeley Lab.

Central para a descoberta do isótopo estava um instrumento no ciclotron de 88 polegadas chamado FIONA, ou para a identificação do nucleídeo A. O “A” em FIONA representa o número de massa de um elemento, que é o número total de prótons (partículas carregadas positivamente) e nêutrons (partículas não carregadas) no núcleo de um átomo. O número de massa do novo isótopo é 244.

“A ferramenta mais importante que tivemos nessa descoberta foi a FIONA”, disse Pore, que também fazia parte da equipe que ajudou nos testes e na inicialização da FIONA. A FIONA mediu com precisão o número de massa do novo isótopo.

Barbara Jacak, diretora da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab, disse: “Criamos a FIONA para permitir descobertas como essa, e é emocionante ver esse instrumento atingindo seu ritmo”.

Michael Thoennessen, professor distinto da Universidade da Michigan State University, que está de licença para servir como editor-chefe da American Physical Society, mantém uma lista de descobertas de isótopos e observa que a lista de novos isótopos foi mais fina que o normal nos últimos anos.

“As descobertas de isótopos são cíclicas e dependem de novos aceleradores e grandes avanços no desenvolvimento de equipamentos experimentais”, disse ele. O FIONA do Berkeley Lab e o Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), uma instalação de usuário do Departamento de Energia dos EUA em desenvolvimento na Michigan State University, são recursos exclusivos “com grande potencial de descoberta” para diferentes tipos de novos isótopos nos EUA, observou ele.

Para garantir que as medições da FIONA fossem precisas, a equipe de pesquisa mediu primeiro as propriedades de decomposição e o número de massa dos isótopos conhecidos de mendelévio, incluindo mendelévio-247, mendelévio-246 e mendelévio-245.

“Quando estávamos confiantes de que conhecíamos bem as propriedades desses isótopos leves de mendelévio, tentamos o experimento para descobrir o isótopo mendelévio-244 anteriormente não observado”, disse Pore. “Sem a confirmação direta de que havíamos produzido um isótopo com um número de massa de 244, teria sido muito difícil separar os resultados e provar a descoberta”.

Para criar esses isótopos exóticos – mesmo a forma mais leve conhecida de mendelévio ainda é mais pesada que o urânio natural – os cientistas produziram um feixe de partículas no ciclotron de 88 polegadas contendo partículas carregadas de argônio-40, um isótopo de argônio, e direcionou o feixe para um alvo de folha fina composto de bismuto-209, um isótopo de bismuto.

Ocasionalmente, nesses experimentos, um núcleo no feixe de partículas de alta energia atinge e funde diretamente um núcleo na folha-alvo, produzindo um único átomo de um elemento mais pesado. E para um isótopo com meia-vida muito curta, é uma corrida fazer medições de um átomo antes que ele decaia para outra coisa.

O Cyclotron de 88 polegadas de Berkeley possui outra ferramenta a montante da FIONA, chamada de separador a gás de Berkeley. O separador ajuda a extrair os átomos relevantes que podem ser medidos rápida e individualmente em detalhes com a FIONA.

Os pesquisadores podem prosseguir outros estudos sobre o mendelevium-244 com outros instrumentos para tentar aprender mais sobre sua estrutura, disse Pore.

E agora que a FIONA demonstrou seu valor na descoberta de isótopos, os pesquisadores do Berkeley Lab estão de olho em outros novos isótopos. “Já estamos planejando estudos semelhantes ao longo de outras cadeias isotópicas para descobrir novos isótopos”, disse Pore.

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