As partículas neutras à espreita em núcleos atômicos, os nêutrons são responsáveis por reações nucleares e por criar elementos preciosos

Os nêutrons são partículas subatômicas que formam o núcleo de um átomo. Crédito da imagem: KTSDesign/SCIENCEPHOTOLIBRARY via Getty Images

Os nêutrons são minúsculas partículas subatômicas que, junto com os prótons, formam o núcleo de um átomo. 

Enquanto o número de prótons define qual elemento é um átomo, o número de nêutrons no núcleo pode variar, resultando em diferentes isótopos de um elemento. Por exemplo, o hidrogênio comum contém um próton e nenhum nêutron, mas os isótopos de hidrogênio, deutério e trítio, têm um e dois nêutrons, respectivamente, ao lado do próton.

Os nêutrons são partículas compostas de três partículas elementares menores chamadas quarks, mantidas juntas pela Força Forte. Especificamente, um nêutron contém um quark 'up' e dois quarks 'down'. Partículas feitas de três quarks são chamadas de bárions e, portanto, os bárions contribuem para toda a matéria "visível" bariônica do universo.

QUEM DESCOBRIU OS NÊUTRONS?

Depois que Ernest Rutherford (com a ajuda do experimento da folha de ouro de Ernest Marsden e Hans Geiger) descobriu em 1911 que os átomos têm um núcleo, e nove anos depois descobriu que os núcleos atômicos são feitos, pelo menos em parte, por prótons, a descoberta do nêutron em 1932 por James Chadwick naturalmente se seguiu. 

A ideia de que deveria haver algo mais no núcleo de um átomo veio do fato de que o número de prótons não correspondia ao peso atômico de um átomo. Por exemplo, um átomo de oxigênio contém 8 prótons, mas tem um peso atômico de 16, sugerindo que contém 8 outras partículas. No entanto, essas partículas misteriosas teriam que ser eletricamente neutras, já que os átomos normalmente não têm carga elétrica total (a carga negativa dos elétrons anula a carga positiva dos prótons).

Na época, vários cientistas estavam fazendo experimentos com partículas alfa, que são outro nome para núcleos de hélio, bombardeando um material feito do elemento berílio com um fluxo de partículas alfa. Quando as partículas alfa impactaram os átomos de berílio, elas produziram partículas misteriosas que pareciam se originar de dentro dos átomos de berílio. Chadwick levou esses experimentos um passo adiante e viu que, quando as partículas misteriosas atingiam um alvo feito de cera de parafina, elas soltavam prótons com alta energia. Para fazer isso, raciocinou Chadwick, as partículas misteriosas devem ter mais ou menos a mesma massa de um próton. Chadwick declarou que essa partícula misteriosa era o nêutron e, em 1935, ganhou o Prêmio Nobel por sua descoberta.

NÊUTRONS: MASSA E CARGA

Como o próprio nome sugere, os nêutrons são eletricamente neutros, portanto, não têm carga. Sua massa é 1,008 vezes a massa do próton, em outras palavras, é aproximadamente 0,1% mais pesada.

Os nêutrons não gostam de existir sozinhos fora do núcleo. A energia de ligação da Força Forte entre eles e os prótons do núcleo os mantém estáveis, mas quando saem sozinhos sofrem decaimento beta após cerca de 15 minutos, transformando-se em um próton, um elétron e um antineutrino.

Albert Einstein, em sua famosa equação E = mc², disse que massa e energia são equivalentes. Embora a massa de um nêutron e de um próton sejam apenas ligeiramente diferentes, essa pequena diferença significa que um nêutron tem mais massa e, portanto, mais energia do que um próton e um elétron combinados. É por isso que, quando um nêutron decai, ele produz um próton e um elétron.

ISÓTOPOS E RADIOATIVIDADE

Um isótopo é uma variação de um elemento que possui mais nêutrons. Por exemplo, no início deste artigo, demos o exemplo dos isótopos de hidrogênio deutério e trítio, que possuem 1 e 2 nêutrons extras, respectivamente. Alguns isótopos são estáveis, o deutério, por exemplo. Outros são instáveis e inevitavelmente sofrem decaimento radioativo. O trítio é instável, tem uma meia-vida de cerca de 12 anos (uma meia-vida é o tempo que leva, em média, para a metade de uma determinada quantidade de um isótopo como o trítio decair), mas outros isótopos decaem muito mais rapidamente, em questão de minutos, segundos ou mesmo frações de segundo.

Os nêutrons também são ferramentas essenciais em reações nucleares, em particular ao induzir uma reação em cadeia. Os nêutrons absorvidos pelos núcleos atômicos criam isótopos instáveis que então sofrem fissão nuclear (dividindo-se em dois núcleos filhos menores de outros elementos). Por exemplo, quando o urânio-235 absorve um nêutron extra, ele se torna instável e se desfaz, liberando energia no processo. 

Os nêutrons também são fundamentais na criação de elementos pesados em estrelas massivas, por meio de um mecanismo conhecido como processo-r, com "r" significando "rápido". Este processo foi detalhado pela primeira vez no famoso artigo B2FH vencedor do Prêmio Nobel de Margaret e Geoffrey Burbidge, William Fowler e Fred Hoyle, que descreveu as origens dos elementos através da nucleossíntese estelar, a forja de elementos por estrelas.

Nosso sol produz elementos de oxigênio, nitrogênio e carbono através de reações de fusão nuclear. Crédito da imagem: NASA

Estrelas como o sol podem produzir elementos de oxigênio, nitrogênio e carbono por meio de reações de fusão nuclear. Estrelas mais massivas podem continuar e criar conchas de elementos cada vez mais pesados até o ferro-56 no núcleo da estrela. Neste ponto, as reações requerem mais energia para fundir elementos mais pesados que o ferro do que o que é realmente produzido por essas reações, então essas reações cessam, a produção de energia é interrompida e o núcleo da estrela entra em colapso, fomentando uma supernova. E é na explosão incrivelmente violenta de uma supernova que as condições podem se tornar extremas o suficiente para liberar muitos nêutrons livres em um curto espaço de tempo. 

Na explosão da supernova, os núcleos atômicos são capazes de varrer todos esses nêutrons livres antes que todos decaiam (é por isso que é descrito como rápido), para instigar a nucleossíntese do processo r. Uma vez que os núcleos estão cheios de nêutrons, eles se tornam instáveis e sofrem decaimento beta, transformando esses nêutrons extras em prótons. A adição desses prótons muda o tipo de elemento que é um núcleo, portanto, é uma forma de criar novos elementos pesados, como ouro, platina e outros metais preciosos. O ouro em suas joias foi feito há bilhões de anos pela rápida captura de nêutrons em uma supernova!

ESTRELAS DE NÊUTRONS

As estrelas de nêutrons são quase inteiramente feitas de nêutrons. Crédito da imagem: Pitris via Getty Images

Como vimos, apenas nas condições mais extremas os nêutrons podem sobreviver fora dos núcleos atômicos, e há muito poucos lugares no universo mais extremos do que as estrelas de nêutrons. Como o próprio nome sugere, são objetos feitos quase inteiramente de nêutrons.

As estrelas de nêutrons são o que resta do núcleo de uma estrela depois que ela sofreu um colapso do núcleo e explodiu como uma supernova. A explosão pode ter levado embora as camadas externas da estrela, mas o núcleo em contração permanece intacto. 

Sem reações nucleares para gerar energia para neutralizar a gravidade, a massa do núcleo é tão grande que sofre um colapso gravitacional catastrófico no qual a pressão gravitacional é grande o suficiente para que prótons e elétrons sejam capazes de superar a força eletrostática entre eles e se esmagam, fundindo-se para formar nêutrons em uma espécie de decaimento beta reverso. Quase todos os átomos no núcleo se transformam em nêutrons, por isso chamamos o resultado de estrela de nêutrons. Eles são pequenos, com apenas 10 a 20 km de diâmetro, mas ocupam toda a massa do núcleo da estrela morta. 

A estrela de nêutrons mais massiva já encontrada tem uma massa de 2,35 vezes maior que o nosso Sol, tudo compactado em um volume minúsculo. Se você pudesse colher uma colher de material da superfície de uma estrela de nêutrons, essa colher pesaria tanto quanto uma montanha na Terra!

As fusões binárias de estrelas de nêutrons, que são detectáveis como quilonovas e por meio de suas ondas gravitacionais, também são locais de copiosa nucleossíntese do processo r. A quilonova de duas estrelas binárias em fusão que liberaram a explosão de onda gravitacional GW 170817 produziu 16.000 vezes a massa da Terra na forma de elementos pesados do processo r, incluindo dez massas terrestres de ouro e platina, o que é extraordinário!

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RECURSOS ADICIONAIS

• Saiba mais sobre nêutrons com o Departamento de Energia dos EUA. 
• Explore como os nêutrons são usados em experimentos que estudam a matéria condensada com o UK Science Technology Facilities Council. 
• Leia o famoso artigo B2FH sobre a criação de elementos dentro de estrelas com a ajuda da captura de nêutrons.

BIBLIOGRAFIA

• Física de partículas, por Brian R. Martin (2011, One-World Publications)
• The Cambridge Encyclopedia of Stars, de James R. Kaler (2006, Cambridge University Press): 
• Collins Dicionário de Física vinculado à Internet (2007, Collins)
• Este mês na história da física. American Physical Society Sites, APS News, Volume 16, número 5. Acesso em 1º de dezembro de 2022, em https://www.aps.org/publications/apsnews/200705/physicshistory.cfm
• Decaimento de nêutrons. Ciência Direta. Acesso em 1º de dezembro de 2022, em https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/neutron-decay

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Referência:

COOPER, Keith. Neutrons: Facts about the influential subatomic particles. Space, Nova York, 04, dez. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/neutrons-facts-discovery-charge-mass>. Acesso em: 05, dez. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.