Núcleos Atômicos e Isótopos

Do que é feito um núcleo atômico

Quase toda a massa de um átomo — mais de 99,9 % — está concentrada em seu núcleo, embora este ocupe apenas um décimo de trilionésimo do volume total do átomo. O núcleo é composto por dois tipos de núcleons: prótons, carregados positivamente, e nêutrons, eletricamente neutros. Ambos têm massa quase idêntica (cerca de 1,67 · 10⁻²⁷ kg) e são, por sua vez, formados por três quarks cada.

O número de prótons — o número atômico Z — determina de qual elemento químico se trata: todo elemento com exatamente 6 prótons é carbono, todo elemento com 79 prótons é ouro. Se o número de prótons muda, o elemento muda. Já o número de nêutrons N pode variar para o mesmo elemento — é exatamente essa a origem dos isótopos.

Os prótons se repelem eletromagneticamente — os nêutrons fornecem atração forte adicional, sem contribuir com carga. Por isso, núcleos mais pesados precisam de proporcionalmente mais nêutrons do que prótons para permanecerem estáveis.

O que define um isótopo

Isótopos são átomos do mesmo elemento — ou seja, com número atômico Z idêntico — que diferem em seu número de nêutrons N. Como o número de nêutrons quase não influencia o comportamento químico (que é determinado quase exclusivamente pelos elétrons), os isótopos de um elemento se comportam quimicamente de forma praticamente idêntica. Seus núcleos, por outro lado, podem ser fundamentalmente diferentes: alguns são estáveis por toda a eternidade, outros decaem em segundos.

A notação com número de massa A (soma de prótons e nêutrons, sobrescrito à esquerda) e número atômico Z (subscrito à esquerda) antes do símbolo do elemento identifica um nuclídeo de forma inequívoca. O carbono ocorre naturalmente em três isótopos:

O vale de estabilidade

Ao plotar, para todos os nuclídeos conhecidos, o número de nêutrons N contra o número de prótons Z, surge uma faixa estreita de núcleos estáveis — o vale de estabilidade. Para elementos leves, o ponto ótimo fica próximo de N = Z (mesmo número de prótons e nêutrons). Com o aumento do número de prótons, a faixa se desloca cada vez mais para um excesso de nêutrons, porque nêutrons adicionais são necessários para compensar a crescente repulsão coulombiana de um número cada vez maior de prótons — sem contribuir eles mesmos para essa repulsão.

Núcleos fora desse vale são instáveis e decaem de forma a se aproximar dele: um excesso de nêutrons costuma ser corrigido pelo decaimento β⁻ (um nêutron se transforma em próton), um excesso de prótons pelo decaimento β⁺ ou captura eletrônica. Núcleos muito pesados, além do chumbo, frequentemente ejetam núcleos de hélio inteiros — o decaimento alfa. Os tipos exatos de decaimento e sua cinemática são aprofundados na página de física de partículas sobre decaimentos radioativos.

Energia de ligação por núcleon

A massa de um núcleo atômico é sempre menor que a soma das massas de seus núcleons individuais — a diferença é chamada de defeito de massa e corresponde, pela equação E = mc² de Einstein, exatamente à energia que seria liberada na formação do núcleo: a energia de ligação. Dividindo esse valor pelo número de núcleons, obtém-se a energia de ligação por núcleon — uma medida direta de quão firmemente um núcleo está unido.

Ao plotar esse valor em função do número de massa A, obtém-se uma curva com um máximo na região do ferro-56 e do níquel-62 — os núcleos mais fortemente ligados de toda a tabela periódica. (O valor exato do pico pertence ao níquel-62, por uma margem mínima à frente do ferro-56; como o ferro-56 é o nuclídeo de longe mais abundante e o que dá nome a essa região, ele serve aqui como ponto de referência.) Isso explica por que tanto a fissão nuclear de elementos pesados quanto a fusão nuclear de elementos leves liberam energia: ambos os processos se movem ao longo da curva em direção a esse máximo.

Por que justamente o ferro?

O motivo desse máximo específico está na disputa entre duas forças de alcances muito diferentes. A força nuclear forte tem alcance extremamente curto — cada núcleon "sente" apenas seus vizinhos imediatos, independentemente do tamanho total do núcleo. Por isso, com o aumento do número de núcleons, essa contribuição para a energia de ligação por núcleon não pode crescer indefinidamente: ela satura. Já a repulsão elétrica entre os prótons (força coulombiana) atua sobre todo o núcleo e cresce cada vez mais rápido com o número de prótons, já que cada próton repele todos os outros prótons do núcleo. Até aproximadamente o número de massa 56, o ganho proveniente de ligações adicionais entre núcleons supera a repulsão coulombiana, ainda moderada — cada núcleon adicional torna o núcleo, em média, mais fortemente ligado. A partir do ferro, a relação se inverte: prótons adicionais trazem mais energia repulsiva do que atrativa, e a curva volta a cair. Ferro-56, níquel-62 e cobalto-59 estão quase exatamente no ponto em que a saturação da força nuclear e o crescimento da repulsão coulombiana se equilibram — em algum lugar desse pequeno grupo está o máximo da energia de ligação por núcleon em toda a tabela periódica (segundo medições precisas, ele está minimamente no níquel-62, não no ferro-56 propriamente dito).

Para que servem os isótopos na prática

Como os isótopos se comportam quimicamente de forma quase idêntica, mas são fisicamente distinguíveis — seja pela massa ou pela radioatividade — eles podem ser usados como marcadores em processos que, de outra forma, não seriam observáveis.