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O frâncio dura 22 minutos e a Terra guarda menos de 30 gramas

Em 1939, no Instituto Curie, Marguerite Perey achou o elemento 87 escondido num sinal de 1% do actínio.

Mesa de radioquímica dos anos 1930

Em janeiro de 1939, Marguerite Perey, assistente do Instituto Curie, em Paris, purificou uma amostra de actínio-227 e mediu uma radiação beta fraca que não deveria estar lá. O sinal sumia pela metade a cada 21 minutos e respondia por pouco mais de 1% da atividade da amostra.

Perey tinha 29 anos. Tinha entrado no laboratório de Marie Curie aos 19, em 1929, contratada para preparar fontes de actínio. Passou dez anos refinando o mesmo material, e foi o cuidado com a pureza dele que deixou o sinal à vista.

O actínio era conhecido desde 1899. Seus produtos de decaimento também. A lista oficial dizia que o actínio-227 emitia partículas beta e virava tório. Perey achou uma segunda trilha, rara, em que o átomo soltava uma partícula alfa e virava outro elemento.

O elemento novo ocupava a casa 87 da tabela periódica. Desde a década de 1870, Dmitri Mendeleev chamava aquela vaga de eka-césio, o vizinho mais pesado do césio, e a química da coluna previa um metal mole, brilhante e furioso com a água.

Durante décadas, a casa 87 foi reivindicada e perdida. Em 1930, o físico Fred Allison, do Instituto Politécnico do Alabama, anunciou o virgínio. Em 1936, o romeno Horia Hulubei publicou o moldávio. Os dois métodos falharam quando outros laboratórios tentaram repetir.

Perey tinha uma vantagem sobre os rivais: em vez de procurar o elemento na natureza, onde ele quase não existe, viu o elemento nascer dentro do frasco, átomo por átomo, a partir do actínio que ela mesma tinha limpado.

O frâncio que ela identificou é o último elemento descoberto na natureza. Todos os que vieram depois saíram de reatores e aceleradores. E a quantidade dele no planeta inteiro, hoje, caberia na palma da mão, se alguém conseguisse juntar.

Ninguém consegue. A razão está no relógio interno do núcleo, que gasta o frâncio quase tão rápido quanto a crosta o fabrica, e é por ele que a história começa.

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I  O Mecanismo

Um núcleo pesado demais para ficar parado

O frâncio tem 87 prótons no núcleo. Com tanta carga positiva espremida num espaço minúsculo, a repulsão elétrica entre eles quase vence a força nuclear forte, a cola de curto alcance que segura prótons e nêutrons juntos.

Nenhum isótopo do frâncio é estável. Há mais de 30 conhecidos, e o de vida mais longa, o frâncio-223, tem meia-vida de 22 minutos (o tempo para metade dos átomos de uma amostra se transformar em outro elemento). Os outros duram segundos, milésimos de segundo ou menos.

O frâncio-223 decai por emissão beta: um nêutron do núcleo vira próton e expulsa um elétron em alta velocidade. O núcleo passa a ter 88 prótons e vira rádio-223. O elemento some sem deixar frâncio para trás.

De onde vem o pouco frâncio da Terra

O frâncio natural nasce dentro de minérios de urânio, no fim de uma cadeia longa de decaimentos. O caminho segue quatro passos:

1. O urânio-235, presente em toda rocha com urânio, decai ao longo de centenas de milhões de anos até chegar ao actínio-227.

2. O actínio-227, com meia-vida de cerca de 22 anos, quase sempre emite beta e vira tório-227.

3. Em pouco mais de 1% dos casos, ele emite uma partícula alfa e vira frâncio-223.

4. O frâncio-223 vira rádio-223 em minutos, e a cadeia segue até terminar no chumbo.

A conta da crosta sai daí. Existe uma produção contínua e minúscula, a partir do urânio espalhado pelas rochas, e um consumo rápido, pelo decaimento. As duas se equilibram num estoque fixo e muito pequeno.

Esse estoque fica abaixo de 30 gramas para o planeta inteiro, segundo as estimativas reunidas pela Royal Society of Chemistry. Só o astato, o elemento 85, aparece em quantidade menor entre os que ocorrem na natureza.

A química do frâncio nunca foi vista em escala de laboratório comum. Ninguém jamais juntou frâncio suficiente para ver o metal a olho nu. Uma amostra visível produziria tanto calor pelo próprio decaimento que se vaporizaria antes de qualquer medição.

O que se sabe da química dele vem de traços, poucos milhares de átomos misturados a outros sais. Perey usou o método da coprecipitação: o frâncio dissolvido acompanhava o césio quando um sal de césio se separava da solução, como faria um membro da mesma família.

Foi a prova química de que o sinal vinha do elemento 87. O frâncio se comportava como metal alcalino, igual ao sódio, ao potássio e ao césio, com um único elétron na camada mais externa.

Na tabela de Mendeleev, a posição bastava para prever o comportamento. Faltava alguém ver o átomo. Perey viu, sem nunca ter tido nas mãos um grão sequer do elemento que tinha descoberto.

II  Por que Importa

A última vaga natural da tabela

A descoberta fechou uma lacuna de quase 70 anos. Quando Perey publicou o resultado, em 1939, a tabela periódica tinha 92 casas até o urânio, e a 87 era uma das últimas vazias entre os elementos naturais.

Depois do frâncio, todo elemento novo veio de máquina. O astato, isolado em 1940 em Berkeley, foi fabricado num cíclotron antes de ser achado em traços na natureza. O tecnécio e o promécio também saíram primeiro de laboratório.

A frase registra a consciência de Perey sobre o lugar da descoberta: depois do 87, a busca por elementos virou física de aceleradores, e não mais química de minério.

O nome levou anos. Perey primeiro propôs catium, pela ideia de cátion, o íon positivo. Irène Joliot-Curie, filha de Marie, achou que soava a gato em inglês. Em 1946, Perey escolheu frâncio, em homenagem à França, e a União Internacional de Química Pura e Aplicada adotou o nome em 1949.

A física de um átomo raro

O valor científico do frâncio cresceu décadas depois, em física atômica. Por ter um único elétron externo e um núcleo muito pesado, ele é o átomo ideal para medir efeitos minúsculos da força nuclear fraca sobre os elétrons.

Em 1995, a equipe de Gene Sprouse e Luis Orozco, na Universidade Stony Brook, em Nova York, prendeu átomos de frâncio numa armadilha magneto-óptica, feita de lasers cruzados e campo magnético. Os átomos vinham de um acelerador que disparava oxigênio-18 contra um alvo de ouro.

Em 2002, o mesmo grupo segurava cerca de 300 mil átomos de frâncio ao mesmo tempo, uma nuvem visível só pela luz que espalhava sob os lasers. Hoje o trabalho continua no laboratório TRIUMF, em Vancouver, no Canadá.

O frâncio também ensinou algo sobre o próprio laboratório. Perey trabalhou décadas com actínio sem proteção adequada, como era padrão nos anos 1930. Desenvolveu câncer ósseo, ligado à exposição à radiação, e passou os últimos anos lutando contra a doença até 1975.

Ela ainda viu o reconhecimento chegar. Em 1962, tornou-se a primeira mulher eleita membro correspondente da Academia de Ciências da França, uma porta que tinha ficado fechada até para Marie Curie.

III  A Fonte

Os Comptes Rendus de janeiro de 1939

A fonte primária é a nota de Marguerite Perey nos Comptes Rendus de l'Académie des Sciences, a revista oficial da academia francesa, publicada em janeiro de 1939, sob o título Sur un élément 87, dérivé de l'actinium (sobre um elemento 87, derivado do actínio).

Na nota, Perey descreve a radiação beta de meia-vida próxima de 21 minutos e calcula a fração do decaimento alfa do actínio em torno de 1,2%. Medições posteriores ajustaram os números para 22 minutos e cerca de 1,4%.

A tese de doutorado dela, defendida na Sorbonne em 1946, reúne a química completa do elemento: a coprecipitação com sais de césio, a separação dos outros produtos do actínio e as medidas de radiação feitas no próprio Instituto Curie.

Em 1989, o radioquímico Jean-Pierre Adloff, aluno de Perey, publicou na revista Radiochimica Acta um relato histórico da descoberta, por ocasião dos 50 anos. O texto conta como as falsas descobertas de Allison e Hulubei foram desmontadas.

O virgínio de Allison dependia de um método magneto-óptico que nenhum outro laboratório reproduziu. O moldávio de Hulubei vinha de linhas de raio X que, revistas depois, correspondiam a outros elementos ou a erro de instrumento.

A diferença entre os três casos estava no método. Perey mostrou a origem do sinal, a meia-vida e a química, e qualquer laboratório com actínio puro conseguia repetir a medida. Foi o que separou a descoberta das duas reivindicações anteriores.

A estimativa de menos de 30 gramas na crosta não vem de medição direta. Ela sai do cálculo: quanto urânio-235 existe nas rochas, quanto actínio esse urânio mantém em equilíbrio e qual fração vira frâncio a cada instante. Fontes diferentes chegam a valores entre 20 e 30 gramas.

O que segue em aberto é a química do metal em si. Cálculos preveem que o frâncio sólido derreteria perto de 27 graus Celsius e reagiria com a água de forma ainda mais violenta do que o césio, mas nenhuma das duas previsões foi observada.

A pergunta da edição fica para você: se um elemento inteiro pode existir na Terra só em trânsito, criado e desfeito a cada meia hora, quantos outros processos do planeta só enxergamos pelo rastro?

Menos de 30 gramas. É o estoque de frâncio na crosta terrestre inteira a qualquer momento (Royal Society of Chemistry).

Continue curioso. Mirabile dictu.

CIÊNCIA BIZARRA

Parece mentira. Mas é real e está provado