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Uma curiosidade da Natureza e um emissor beta de vida muito longa

Argon 40, um gás mantido prisioneiro por lava
O método da margem de potássio é frequentemente utilizado para datar fluxos de lava cuja idade se situa entre um milhão e um bilião de anos. Quando um átomo de potássio 40 decompõe-se em árgon 40, o átomo de árgon produzido é aprisionado pela estrutura cristalina da lava. Só pode escapar quando a rocha está no seu estado fundido, e assim a quantidade de argônio fossilizado presente na lava permite aos cientistas datar a idade da solidificação.
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P>Potássio 40 é um radioisótopo que pode ser encontrado em quantidades vestigiais em potássio natural, está na origem de mais de metade da actividade do corpo humano: sofrendo entre 4 e 5.000 decomposições a cada segundo para um homem de 80kg. Juntamente com o urânio e o tório, o potássio contribui para a radioactividade natural das rochas e, consequentemente, para o calor da Terra.
Este isótopo constitui um décimo milésimo do potássio encontrado naturalmente. Em termos de peso atómico, situa-se entre dois isótopos mais estáveis e muito mais abundantes (potássio 39 e potássio 41) que constituem, respectivamente, 93,25% e 6,73% do fornecimento total de potássio à Terra. Com uma meia-vida de 1,251 mil milhões de anos, o potássio 40 existia nos restos de estrelas mortas cuja aglomeração levou ao Sistema Solar com os seus planetas.

Os dois canais de decaimento do potássio 40
O esquema de decaimento do potássio-40 é invulgar. A energia de massa do átomo está acima destes dos seus dois vizinhos na família de átomos com 40 núcleos no seu núcleo: Argon-40 com um próton a menos e calcium-40 com um próton a mais. O potássio-40 tem dois canais de decomposição abertos. O canal de decaimento beta-minus que conduz ao cálcio_40 é de longe o mais frequente, mas o decaimento que conduz ao argon-40 por captura electrónica ocorre a uma taxa de 11 %. Muito notável é também a semi-vida muito longa de 1;251 mil milhões de anos, excepcional para uma decadência beta. Isto é explicado por um grande salto na rotação interna (ou spin ) do núcleo durante a decomposição, o que quase proíbe a transição particularmente difícil, tornando-a por isso extremamente lenta.
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Potássio 40 tem a propriedade invulgar de se decompor em dois núcleos diferentes: em 89% dos casos o decaimento beta-negativo levará ao cálcio 40, enquanto 11% do tempo o árgon 40 será formado pela captura de electrões seguida pela emissão gama a uma energia de 1.46 MeV

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Este 1.46 raio gama MeV é importante, pois permite-nos identificar quando o potássio 40 se decompõe. Os electrões beta que levam ao cálcio, contudo, não são acompanhados por raios gama, não têm energias características e raramente saem das rochas ou corpos que contêm potássio 40.
Beta menos decaimento indica um núcleo com demasiados neutrões, os electrões capturam um núcleo com demasiados prótons. Como pode o potássio 40 ter simultaneamente demasiados de ambos? A resposta revela uma das peculiaridades das forças nucleares.

De potássio 40 para argônio 40
A captura de elétrons que faz com que o potássio 40 se transforme em argônio 40 no seu estado de solo ocorre em apenas 0,04% dos casos. Muito mais frequentemente (10,68% do tempo), uma captura indirecta leva a um átomo de árgon excitado que precisa de regressar ao seu estado de solo emitindo um raio gama a uma energia de 1,46 MeV. Sem este raio gama característico, seria impossível detectar e identificar a decomposição do potássio 40. Os neutrinos emitidos nestas captações desafiam a detecção. Os electrões beta da decomposição em cálcio 40 (89,3% do tempo) não são acompanhados por raios gama, e são geralmente absorvidos pelo meio em que se encontram.
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Núcleos estáveis sentados no fundo de um chamado “vale de estabilidade”, um conceito que ajuda a determinar se um núcleo é radioactivo ou não. O Potássio 40 deve estar no fundo deste vale e deve ser o mais estável dos núcleos contendo 40 núcleos. A sua energia de massa (ou energia interna), contudo, é na realidade maior do que qualquer dos seus vizinhos – cálcio 40 e árgon 40. Esta diferença é suficiente para tornar o potássio 40 instável. A razão para isto é que os prótons, tal como os neutrões, gostam de existir em pares num núcleo. O potássio 40 contém números ímpares de ambos – 19 prótons e 21 neutrões. Como resultado, tem um próton de solteiro e um nêutron de solteiro. Tanto no argônio 40 como no cálcio 40, no entanto, o número de prótons e nêutrons é par, concedendo-lhes essa estabilidade extra.
A decomposição muito lenta do potássio 40 em argônio é altamente útil para datar rochas, tais como lava, cuja idade está entre um milhão e um bilhão de anos. A decomposição do potássio em árgon produz um átomo gasoso que fica preso no momento da cristalização da lava. O átomo pode escapar quando a lava ainda é líquida, mas não após a solidificação. Nesse momento, a rocha contém uma certa quantidade de potássio, mas nenhum árgon. Com o tempo e as desintegrações do potássio 40, os átomos de árgon gasoso acumulam-se muito lentamente na lava onde ficam retidos. Medindo a quantidade de árgon 40 formada desde a solidificação da lava permite uma medida precisa da idade da rocha.
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