A Física Nuclear
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A Física Nuclear estuda a estrutura dos núcleos, a interacção entre os nucleões (e hadrões em geral) que formam o núcleo, bem como a maneira como os núcleos reagem a campos ou forças exteriores. O núcleo é, no átomo, uma região que ocupa apenas 10-15 do volume atómico total, mas onde se concentra praticamente toda (99% !) a massa atómica, atingindo densidades elevadíssimas: se o raio nuclear fosse 1 cm, um núcleo teria a massa de 800 mil milhões de quilos, o que é da ordem de grandeza da massa de um arranha-céus. 

A interacção dominante entre os nucleões é  a interacção forte, de alcance 100 milhões vezes mais curto que o tamanho das moléculas e de intensidade da ordem de um milhão de vezes superior à força electromagnética. No entanto, tanto a interacção electromagnética como a interacção fraca contribuem para a determinação das propriedades nucleares. O núcleo só foi "observado" pela primeira vez por Rutherford em 1911, na sua experiencia de colisão de particulas alfa (núcleo de Hélio) com átomos de Ouro. Esta experiencia tornou-se um paradigma da Física do século XX : ainda hoje nos aceleradores modernos a ideia é a mesma --- olhar para o debris das colisões para entender a estrutura do que chocou. 

De onde vimos, para onde vamos
Nos núcleos existe uma enorme concentração de energia, o que faz das reacções nucleares de absorção (fusão) radiativa de protões e neutrões a fonte principal que alimenta as estrelas e em particular o nosso Sol. 

O papel crucial da Física Nuclear na Astrofísica foi reconhecido desde o trabalho inicial de Bethe, que mostrou como a energia que impede as estrelas do colapso gravitacional resulta de reacções de fusão nuclear. Posteriormente, Fowler e colaboradores desenvolveram a compreensão dos processos responsáveis pela formação dos elementos. Certas propriedades nucleares específicas, em particular as probabilidades de ocorrência de reacções,  desempenham papéis-chave na interpretação de evidências que corroboram o Big Bang, na produção de energia no nosso Sol e noutras estrelas, e em todos os processos de Nucleosíntese do Universo. Esta relação íntima é lindamente ilustrada pelo facto das propriedades do (misterioso) neutrino, serem deduzidas da interpretação teórica das experiências de reacções nucleares que estes neutrinos induzem na Terra. O destino do Universo onde vivemos, que pode ser deduzido a partir da densidade original de matéria, é um outro exemplo da informação preciosa  que o estudo das reacções nucleares pode revelar.

Avanços recentes nas capacidades experimentais de realização de feixes radioactivos (de partículas não-estáveis) permitem actualmente o estudo dos limites da estabilidade nuclear, a chamada "drip-line", a partir da qual os núcleos se partem espontaneamente, devido à energia de separação de um nucleão se anular. Nessa fronteira de estabilidade, existem certos núcleos, demasiadamante ricos em neutrões ou protões, que se formam  nas condições extremas das explosões de Supernovas, em cadeias de reacções de absorção ocorrendo a uma taxa superior à do seu declíneo radioactivo. O seu estudo no laboratório  pode trazer dados preciosos para a Astrofísica sobre a Nucleosíntese não primordial, e que se realiza nos fornos que são as Supernovas. 

Um núcleo no centro do núcleo
Os estudos desta zona limite de estabilidade mudaram uma imagem bem estabelecida nos modelos nucleares usuais: a  ideia de que a distribuição de neutrões e protões é  sempre uniforme,  num volume  esférico que pode ser apenas ligeiramente deformado.  Com o acelerador de iões pesados GANIL em França, percebeu-se que este modelo inspirado na imagem da gota líquida, proposta  por Bohr,  não  é universal:  em certos casos os neutrões e protões podem formar um núcleo dentro do núcleo em torno do qual orbitam  (formando um "halo")  um ou um par de neutrões ou protões  (  como acontece com o Lítio 11,  por exemplo ) . O mais interessante é que os nucleões do halo podem servir, como os electrões no átomo, de nucleões de valência, capazes de ligar dois ou mais núcleos. A porta para construir polímeros nucleares começa a entreabrir-se... Cadeias de núcleos de partículas alfa,  núcleos de hélio, ligadas por neutrões " de valência", podem ter-se formado em colisões nucleares violentas que ocorreram no Universo.  Na Terra, o Berílio 12 parece ser formado por 2 partículas alfa ligadas por neutrões: um "dimer" como primeiro passo  para um  "trimer"... e um  "polymer"...
 

Nem sempre a esfera é perfeita

Por outro lado, a compreensão da estrutura do núcleo em termos do modelo em camadas,  o modelo tradicional da Física Nuclear, segundo o qual cada nucleão vê um potencial médio criado por todos os outros, também aparece abalado nos aspectos ligados às várias rotações colectivas, vibrações e excitações que animam o núcleo . Em particular, novas técnicas de detecção ajudaram a descobrir estados correspondentes a formas que são deformadas  relativamente  à simetria esférica de modo muito mais drastico do que o anteriormente observado. Estes estados parecem ser puros e dificilmente misturáveis com os estados esféricos normais. 

 

Quarks presos nos núcleos
A maneira como os hadrões se formam a partir  dos seus constituintes elementares, os quarks e gluões, ainda não se compreende. O facto dos constituintes dos hadrões, quarks e gluões, não poderem aparecer isolados por eles próprios --- isto é, o mecanismo de confinamento --- está ainda por desvendar. A muito altas densidades, espera-se que este confinamento se quebre até os quarks poderem viajar livremente numa região de alta densidade energética. Este é presumivelmente um estado pelo qual o universo passou pouco tempo depois do Big Bang. Haverá brevemente uma nova ferramenta para investigar o estado da matéria nesse momento: um grande acelerador para colisões de iões pesados, no qual densidades de energia similares deverão ser atingidas. A simetria-chave que é quebrada no estado normal da matéria, a quebra de simetria quiral, ligada ao processo de aquisição de massa, pode muito bem ser restaurada neste regime de densidade energética. Quer as descobertas experimentais ligadas a este regime, quer as interpretações teóricas das mesmas, são um grande desafio na década que se aproxima.
Ainda há mistérios
No que respeita a constituição dos  nucleões em quarks,  resultados experimentais recentes mostram que o "spin" dos nucleões, por exemplo, não é tão simples como poderia parecer: a polarização de um "mar" de gluões, e o momento angular dos quarks e gluões contribuem para o spin do nucleão. Por outro lado, perceber a maneira como os nucleões ---- protões e os neutrões, os constituintes mais estáveis dos núcleos --- interagem entre eles e formam núcleos, constitui ainda um desafio substancial. Nomeadamente, as evidências são agora mais conclusivas de que simples forças entre dois  nucleões são insuficientes para explicar as propriedades do núcleo simples, e que as forças entre vários nucleões, três nomeadamente, são importantes.
O núcleo do átomo na Sociedade
Finalmente, saliente-se que ao longo dos anos, não houve apenas uma dependência crítica da Física Nuclear no desenvolvimento de uma grande variedade de técnicas experimentais e teóricas. Estas técnicas serviram e servem também a Sociedade um certo número de vezes - sendo a medicina nuclear um exemplo proeminente.  A possibilidade de armazenar energia em núcleos que existem em estados meta-estaveis que duram muito tempo antes de radiar energia, na forma de fotões, por exemplo, é uma ideia que anda no ar, e que interessa a muitos, porque pode levar a construir os primeiros lasers de raios-X . A medicina e a Biologia decerto  vão sair beneficiadas de novo...
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