A Teoria Atomística foi edificada inicialmente no quinto século antes de Cristo pelos filósofos gregos Leucipo e Demócrito.
Na sua Teoria Atomística, Demócrito afirma que o Universo tem uma constituição elementar única que é o átomo, partícula indivísivel, invisível. impenetrável e animada de movimento próprio. As vibrações dos átomos provocam todas as nossas sensações. Lito Lucrécio Caso, célebre poeta romano (95-52 AC), reproduziu em seus poemas as idéias de Demócrito no seu livro "DE RERUM NATURA", muito divulgado na época do Renascimento.
Somente no início do século XIX, os pesquisadores em química retornaram à hipótese atômica. Esta hipótese foi proposta por John Dalton em 1803 e a teoria atómica apresentada no livro "A NEW SYSTEM OF CHEMICAL PHILOSOPHY". Os postulados fundamentais de Dalton são os seguintes:
i ) — Os elementos químicos consistem de partículas discretas de matéria, os átomos, que não podem ser subdivididos por qualquer processo químico conhecido e que preservam a sua individualidade nas reações químicas;
ii) — Todos os átomos do mesmo elemento são idênticos em todos os aspectos, particularmente em seus pesos; elementos diferentes têm átomos diferentes em peso. Cada elemento é caracterizado pelo peso dos seus átomos;
iii) — Os compostos químicos são formados pela união de átomos de diferentes elementos em proporções numéricas simples, isto é: 1:1, 1:2, 2:1, 2:3, etc.
Com a finalidade de interpretar as leis volumétricas de Gay-Lussac (1805-1808), em 1811, Amadeo Avogadro, Conde de Quaregna e Cerreto, professor em Turim, Itália, estabeleceu a hipótese da existência de moléculas que correspondem ao agrupamento de átomos. Os gases que têm moléculas formadas de um único átomo são monoatômicos, de dois átomos, diatômicos. etc. Após o ano de 1834. a interpretação das leis de Eletrólise, de Michael Faraday, permitiu que se concluísse que os átomos transportavam cargas elétricas.No ano de 1869,o químico russo Dmitri Mendeleev apresentou uma classificação periódica dos elementos na qual os átomos eram distribuídos em função dos seus pesos atômicos.
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| Modelo de Thomson |
O primeiro modelo de átomo foi apresentado por J. J. Thomson (*1856- +1940). O modelo é conhecido como o do "pudim de ameixas". O átomo é constituído por um núcleo positivo (o pudim) no qual se acham inscrustados os elétrons (as ameixas). J. J. Thomson é um dos principais físicos do período de transição entre a Física Clássica do Século XIX e a Física Moderna do Século XX. Foi o fundador da Escola Eletrônica de Cambridge e dirigiu o Laboratório de Física dessa universidade até 1918. sendo substituído por seu assistente Rutherford. Dividiu com Loreniz a honra de haver iniciado o estudo do elétron, um dos capítulos da física de maior fecundidade no início do século, tendo recebido por seus trabalhos o Prémio Nobel em 1906. Por intermédio da utilização de campos elétricos e magnéticos, determinou a relação entre a carga e a massa das partículas constituintes dos raios catódicos, e identificou que eram feixes de elétrons.
Em uma ampola, William Crookes submeteu um gás a uma pressão ambiente e uma alta tensão. Quando os elétrons saem do cátodo, colidem com moléculas do gás e ocorre a ionização do gás e liberação de luz que ilumina toda a ampola. A partir desses experimentos, J.J.Thomson observou que esse fenômeno é independente do gás e do metal utilizado no elétrodo. Concluiu que os raios catódicos podem ser gerados a partir de qualquer elemento. A partir dessa conclusão, Thomson pôde, posteriormente, descobrir a existência do elétron.Robert A. Millikan. físico americano, professor da Universidade de Chicago, trabalhou durante nove anos (1909-1917) na determinação da carga do elétron na sua célebre experiência da gotícula de óleo. Teve também grande importância para o desenvolvimento da física atómica, as descobertas do RAIO-X e da RADIOATIVIDADE.
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| Robert Andrews Millikan |
A experiência da gota de óleo conduzida por Robert Andrews Millikan para medir a carga elétrica do elétron. Ele conseguiu isso balanceando cuidadosamente as forças elétricas e gravitacionais em minúsculas gotas de óleo carregadas e suspensas entre dois eletrodos de metal. Conhecendo o campo elétrico, a carga da gota poderia ser determinada. Repetindo o experimento em várias gotas, percebeu que os valores medidos eram sempre múltiplos de um mesmo número. Milikan interpretou esse número como sendo a carga de um único elétron, cujo valor atualmente aceito é 1,602 x 10−19 C.
Em 1923, Millikan ganhou o prêmio Nobel de Física, por seus trabalhos sobre a carga elétrica elementar e sobre o Efeito Fotoelétrico.
O experimento da gota de óleo tem sido repetido por gerações de estudantes de física, embora seja bastante caro e difícil de fazer corretamente.
Uma versão do experimento do óleo-gota foi subseqüentemente usada para procurar quarks livres (os quais, se existirem, teriam carga de 1/3 "carga| e elementar"), sem sucesso. Teorias atuais sobre quarks predizem que eles são firmemente espiralados e não existirão em forma livre; de qualquer modo, nas anotaçoes originais de Millikan, ele observou e recordou a existência de uma gota de óleo que tinha +1/3 de carga parcial, o qual ele descartou na época como sendo um erro.
Roentgen, em 1895, descobriu um tipo de radiação que atravessava corpos opacos, apesar de serem absorvidos em parte por eles. Esses raios têm a propriedade de excitar substâncias fosforizantes e fluorescentes, impressionam placas fotográficas e aumentam a condutividade elétrica do ar que atravessam. Como eram de natureza desconhecida, foram denominados de Radiação X ou Raios X.
H. Poincarré apresentou, em 1896, na Academia de Ciências de Paris e na "Revue Génerale des Sciences" os resultados desses estudos.
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| Roentgen |
Roentgen e a descoberta do Raio X. Durante 1895, Röntgen testava equipamento desenvolvido pelos seus colegas: Ivan Pulyui, Hertz, Hittorf, Crookes, Tesla, e Lenard. Curioso sobre se a propagação dos raios catódicos fora do tubo, o que não era possível de se constatado dada a sua intensa luminosidade. Ao cair da tarde de 8 de Novembro de 1895, Röntgen determinou-se a certificar-se disso. Envolveu o tubo que testava com uma cobertura de papelão preto e, por algum tempo, ficou observando as descargas elétricas que lhe aplicava. Quando já estava acostumado à visão no escuro, Röntgen percebeu que um cartão de platinocianureto de bário brilhava debilmente durante as descargas. Convenceu-se, então, de que os raios catódicos não saiam do tubo e, portanto, não poderiam estar provocando tal fenômeno, Röntgen deduziu que um novo tipo de raio podia ser o responsável pelo fenômeno. O dia 8 de Novembro era uma sexta-feira, por isso ele aproveitou o fim de semana para repetir as suas experiências e tomar as primeiras notas. Nas semanas seguintes comeu e dormiu no seu laboratório, à medida que investigava muitas das propriedades dos novos raios que designou temporariamente de raios-X, utilizando a designação matemática para algo desconhecido. Apesar de os novos raios, por ele descobertos, terem passado a ser nomeados de raios de Röntgen, ele sempre preferiu a designação de raios-X.
A descoberta dos raios-X por Röntgen não foi acidental mas incidental. Com as investigações que ele e os seus colegas estavam a desenvolver, em diversos países, a descoberta já era iminente. De fato, ele tinha planejado usar um écran na próxima etapa das suas investigações e, certamente, faria a descoberta após esse passo.
Num dado momento, enquanto investigava a capacidade de vários materiais de reterem os raios, Röntgen colocou uma peça de chumbo em posição enquanto ocorria uma descarga e viu aí a primeira imagem radiográfica. Em entrevista a um reporter de nome H. J. W. Dam, da revista canadense McClure's Magazine, Röntgen descreveu: "Eu estava trabalhando com tubos Crooke cobertos com uma proteção de papelão preto. Um pedaço de papel de platinocyanoide de bário estava sobre o banco. Eu vi passar uma corrente através do tubo e notei uma linha escura peculiar sobre o papel.”
O artigo original de Röntgen, "Ueber Eine Neue Art von Strahlen - Sobre uma nova espécie de Raios", foi publicado 50 dias depois, em 28 de Dezembro de 1895. A 5 de Janeiro de 1896, um jornal austríaco relatou a descoberta, por Röntgen, de um novo tipo de radiação. Após a descoberta dos raios-X, Röntgen recebeu o título de Doutor Honorário em Medicina, da Universidade de Würzburg. Entre 1895 e 1897, Röntgen publicou três artigos a respeito dos raios-X. Até os dias atuais, nenhuma das suas conclusões foi considerada falsa. Atualmente, Röntgen é considerado o pai da Radiologia de Diagnóstico - a especialidade médica que utiliza imagem para o diagnóstico de doenças.
Graças à sua descoberta, Röntgen foi laureado com o primeiro Nobel de Física, em 1901. O prêmio foi concedido "em reconhecimento aos extraordinários serviços que a descoberta dos notáveis raios que levam seu nome possibilitaram". Röntgen doou a recompensa monetária à sua universidade, convicto de que a ciência deve estar ao serviço da humanidade e não do lucro.
Henri Becquerel (*1852-+1908), entusiasmado com a apresentação de Poincarré. intensificou seus estudos sobre materiais fosforecentes e fluorescentes. Nos seus trabalhos, Becquerel. no mesmo ano de 1896. estabeleceu que os sais de urânio emitem radiações análogas às dos Raios-X e que impressionavam chapas fotográficas. Quase trinta anos antes ,(1867),Niepce de Saint Victor descobriu que radiações emitidas por um sal de urânio impressionavam uma chapa fotográfica. Infelizmente, os conhecimentos científicos da época não permitiram tirar maiores proveitos da descoberta.
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| Becquerel |
No ano de 1896 Antoine Becquerel descobriu acidentalmente uma nova propriedade da matéria que, posteriormente, denominou de radiatividade. Ao colocar sais de urânio sobre uma placa fotográfica em local escuro, verificou que a placa enegrecia. Os sais de urânio emitiam uma radiação capaz de atravessar papéis negros e outras substâncias opacas a luz. Estes raios foram denominados, a princípio, de Raios B em sua homenagem.Esta importante descoberta valeu-lhe a atribuição do Nobel de Física em 1903, juntamente com o casal Pierre Curie e Marie Curie.
Os raios de Becquerel foram estudados, também, por Kelvin, Beattle, Smoluchwski, Elster, Geitel, Schmidt e o célebre casal Curie (Pierre Curie * 1859-+ 1906, e Maria Slodowska Curie * 1867-+1934)
Em 1898, Madame Curie, em Paris, descobriu, ao mesmo tempo que Schmidt,na Alemanha, que entre os elementos conhecidos, o Tório apresentava características radioativas do urânio. O casal Curie já explicava a radioatividade como uma propriedade atómica. Ajudados por Bemont, separaram quimicamente vários elementos radioativos e descobriram, em 18 de julho de 1898, o Polónio, nome que foi dado em homenagem à pátria de Maria Slodowska Curie. O rádio foi descoberto por Madame Curie em 1910, após longo trabalho, já que,para extrair 1 grama do elemento,teve que tratar aproximadamente 10 toneladas de mineral.
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| O casal Curie |
O casal Curie trabalhou no isolamento do polónio e do rádio. Eles foram os primeiros a usar o termo 'radioactividade', e foram pioneiros no seu estudo. No seu trabalho, incluindo o conhecido trabalho de doutoramento de Marie, usaram um electrómetro piezoeléctrico de precisão construído por Pierre e pelo seu irmão Jacques.
A escolha do método elétrico foi um golpe de sorte. O uso de chapas fotográficas para estudar as radiações era uma técnica inadequada, porque elas são influenciadas por inúmeros fatores: calor, pressão, umidade, efeitos químicos, etc. Enquanto apenas se utilizava chapas fotográficas, era impossível perceber que as radiações do urânio eram uma coisa diferente das outras supostas radiações invisíveis. No entanto, quando foram estudados os efeitos elétricos, foi possível perceber que o giz, o papel, o açúcar e as outras substâncias que pareciam emitir raios invisíveis não tornavam o ar condutor de eletricidade.
Maria Curie testou diversos compostos e minerais contendo urânio. Todos eles tornavam o ar condutor. O efeito observado dependia da proporção de urânio nos compostos, mas não dependia dos outros elementos presentes. Isso indicava que a emissão de radiação não estava associada à estrutura molecular ou cristalina das substâncias em questão, dependendo apenas da quantidade de átomos de urânio no material.
Maria Curie examinou um grande número de substâncias comuns, depois começou a testar sistematicamente todos os compostos químicos e minerais que existiam no laboratório da Escola Industrial de Química e Física, onde trabalhava. Inicialmente, nenhum deles parecia produzir efeitos semelhantes ao urânio. Após muitos resultados negativos, no entanto, Maria Curie encontrou a primeira novidade: os compostos de tório também produziam efeitos iguais aos do urânio.
Perceber que as radiações estudadas por Becquerel não eram uma propriedade exclusiva do urânio foi um passo importante, mas na verdade essa descoberta de Madame Curie já tinha sido antecipada: dois meses antes, o físico alemão Gerhard Schmidt (1865-1949) já tinha descoberto que o tório também emitia radiações do mesmo tipo.
Além do urânio, do tório e seus compostos, ela notou que o cério, o nióbio e o tântalo também pareciam fracamente ativos. Já se sabia que o fósforo branco também era capaz de ionizar o ar, mas Maria Curie notou que outras formas do fósforo (fósforo vermelho, ou fosfatos) não produziam o mesmo efeito e que, portanto, provavelmente se tratava de um fenômeno de natureza diferente.
| Examinando diversos minerais naturais, Marie Curie notou que, como era de se esperar, todos os que continham urânio e tório emitiam as radiações ionizantes. Porém, para sua surpresa, observou que alguns minerais produziam radiações mais intensas do que o urânio ou o tório puros. A calcolita natural, por exemplo, era duas vezes mais ativa do que o urânio metálico. Isso contrastava com os resultados anteriores que indicavam que a intensidade de radiação era proporcional à quantidade de tório ou de urânio dos compostos. Para verificar se esse resultado era devido à natureza química dos materiais, Curie sintetizou um dos minerais, a calcolita (fosfato cristalisado de cobre e de urânio) a partir de substâncias químicas puras, e notou que essa calcolita artificial era tão ativa quanto outros sais de urânio, e menos ativa do que o urânio puro. Marie Curie conjeturou que esses minerais deviam conter algum outro elemento desconhecido, mais ativo do que o urânio. Esses primeiros resultados pareciam muito importantes. Pierre Curie, que até esse momento apenas acompanhava o trabalho de Maria, resolveu abandonar suas outras pesquisas e dedicar-se totalmente, com sua esposa, a esse novo tema.Paralelamente aos esforços de Maria Curie para separar os novos elementos químicos, Pierre se dedicou a outras pesquisas sobre a radioatividade (especialmente sobre a natureza e os efeitos das radiações). Embora sempre mantivessem uma colaboração ativa, algumas vezes publicaram trabalhos isolados, como em 1903, quando Pierre mediu pela primeira vez, juntamente com André Laborde, o calor emitido espontaneamente pelo rádio – a descoberta fundamental da grande quantidade de “energia atômica” contida na matéria. Os estudos realizados por Maria e Pierre Curie a partir de 1898 despertaram a atenção do mundo científico para a existência de um novo fenômeno, e levaram muitos pesquisadores a se dedicar ao estudo da radioatividade. Com a descoberta do rádio, os Curie colocaram à disposição dos pesquisadores uma fonte de radiação muito mais intensa do que o urânio e o tório, permitindo novos tipos de estudos – não só físicos, mas também médicos. O trabalho do casal Curie foi sendo gradualmente reconhecido, e já em 1900 eles eram considerados como os mais importantes pesquisadores nessa área. Em 1903, enfim, Maria Curie defendeu a sua tese de doutoramento em física na Sorbonne, e foi aprovada com distinção e louvor. Em dezembro do mesmo ano, o casal Curie recebeu o reconhecimento internacional pelo seu trabalho, ganhando o prêmio Nobel de física, pela descoberta do polônio e do rádio (na verdade, meio prêmio Nobel, pois a outra metade foi concedida a Becquerel, pela descoberta da radioatividade). Em 1903 ocorreu, portanto, o coroamento das pesquisas iniciadas em 1898. Pode-se dizer que, após esse período, a contribuição científica de Maria Curie foi pequena – muito menor do que no período já descrito. No estudo da radioatividade natural,veriticou-se a existência de 3 tipos de radiação: RAIOS OU PARTÍCULAS(Α α) — Partículas positivas são desviadas em um campo magnético em sentido contrário dos raios catódicos. Foi Rutherford,em 1903, que determinou o seu desvio através de um campo elétrico ou um campo magnético, e que as partículas alfa constituem núcleos de hélio. RAIOS OU PARTÍCULAS (b β) — São mais penetrantes que as partículas alfa, são elétrons RAIOS Y — São radiações eletromagnéticas emitidas pelo núcleo. Inicialmente foram confundidas com os Raios-X. Ao estudar as radiações do urânio, Rutherford descobriu que elas eram de pelo menos duas naturezas diferentes, pois o feixe se bipartia ao passar por um campo magnético e cada parte seguia então sentido oposto ao da outra. Propôs que elas fossem designadas como radiação alfa e radiação beta, denominações que se mantêm ainda hoje. A respeito dos raios gama, Rutherford formulou a hipótese de que a radiatividade, afinal, não se tratava de um fenômeno comum a todos os átomos, mas somente aos de certa categoria, que se desgastavam continuamente, ao perderem energia com as partículas emitidas. Essa transformação de teor energético de tais átomos, naturalmente, implicava a idéia de que os elementos radiativos, com o passar do tempo, transmutavam-se em outros elementos, de massa atômica mais baixa. Para verificação dessa revolucionária concepção da radiatividade, Rutherford empreendeu numerosas experiências, em colaboração com Soddy.
Em Cambridge, Rutherford trabalhou com J. J. Thomson. Depois, viveu algum tempo no Canadá, voltando à Nova Zelândia para se casar. Por fim, instalou-se definitivamente na Inglaterra. Por influência dos trabalhos de Becquerel, Rutherford começou a pesquisar radiatividade. Da mesma forma que o casal Curie, identificou diferentes tipos de emissões radiativas. Aos dois primeiros, deu os nomes de raios alfa e raios beta. Em 1900 foi descoberto o terceiro tipo, que Rutherford demonstrou serem radiações eletromagnéticas, dando-lhes o nome de raios gama . A partir de 1902, realizou trabalhos que levaram à demonstração de que o urânio e o tório se modificavam no processo radiativo, originando outros elementos. Cada nova forma assim originada permanecia estável por um tempo característico, o que o levou a formular o conceito de meia-vida de um isótopo radiativo. Com o alemão Hans Geiger, mostrou que os raios alfa eram, na verdade, átomos de hélio desprovidos de elétrons. Essa constatação o levaria a propor, em 1914, que os átomos também continham partículas positivas, a que chamou de prótons. Essas partículas contrabalançariam a carga negativa dos elétrons.
Mais tarde, ele conseguiria também transmutar artificialmente um elemento em outro (nitrogênio em oxigênio). Em 1919, sucedeu J. J. Thomson na direção do Laboratório Cavendish e tornou-se professor catedrático da Universidade de Cambridge. Foi, depois, presidente da Royal Society e também recebeu o título de barão. Apesar de todos os seus trabalhos, Rutherford não acreditava que a energia contida no núcleo atômico pudesse vir a ser utilizada sob controle. Entre 1913 e 1915, Niels Bohr, em Copenhague, estudando o problema da estabilidade do átomo de Rutherford, estabeleceu uma teoria na qual havia a aplicação de hipóteses quânticas no movimento dos elétrons. Ficaram célebres, em Ciência, os postulados de Bohr relativos às órbitas eletrônicas. O átomo de Bohr apresentou uma perfeita aplicação ao estudo da espectroscopia atómica de núcleos hidrogenóides. Os postulados de Bohr têm os seguintes enunciados: i ) — Um sistema atômico possui um número de estados (órbitas) nos quais os elétrons não emitem radiação. São chamados de estados estacionários do sistema, isto é, a energia permanece constante. O primeiro postulado contraria as leis da eletrodinâmica clássica; ii) — Qualquer emissão ou absorção de radiação deve corresponder à uma transição entre dois estados estacionários. A variação de energia entre dois estados estacionários é um número inteiro de quantum*. iii) — O momento angular do elétron em órbita é um número inteiro de h (constante de Planck) dividido por 211. *Quantum — produto da constante de Planck pela frequência da radiação. A ideia original da teoria de quantum é de Max Planck (1901) e foi utilizada no estudo da radiação do corpo negro. A idéia original de quantização da energia foi apresentada por Max Planck,em 1901. no estudo da radiação do corpo negro. A mecânica quântica ou mecânica ondulatória começou a ser estruturada por L. de Broglie, em 1924, com o seu postulado que resolvia o problema da dualidade onda-corpúsculo: — A toda onda está associado um corpúsculo e a todo corpúsculo está associada uma onda. A mecânica ondulatória deve seu desenvolvimento a Schrõdinger (1926) e a Heisemberg,com a mecânica das matrizes (1925). A mecânica quântica e a Teoria da Relatividade de A. Einstein (1905) constituem poderosas ferramentas para o desenvolvimento da micro física, tanto no campo da física atómica como da física nuclear. A partir dos estudos Niels Bohr, pelos desdobramentos que se obtiveram, temos um capítulo a parte na história da energia nuclear que iremos tratar a parte nos próximos posts. |
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