Chadwick e o Nêutron

 Chadwick e o Nêutron

Atualmente, sabemos que o nêutron é uma das partículas fundamentais que, juntamente aos prótons, formam o núcleo dos átomos. Ao redor destes últimos existem as nuvens de elétrons, as quais são responsáveis pela condução de corrente elétrica nos materiais condutores, por exemplo.

A descoberta da existência dessa partícula foi possível graças ao grande sucesso da aplicação do Princípio da Conservação da Quantidade de Movimento. Segundo este, a conservação da quantidade de movimento total de um sistema ocorre se a resultante das forças externas que atuam sobre o sistema for nula. Esse princípio ganhou enorme importância, de forma que ficou conhecido como uma das leis fundamentais da natureza, sendo aplicado pelos cientistas em todos os campos da ciência Física.


A descoberta do nêutron aconteceu no ano de 1932 com o físico inglês James Chadwick. Utilizando a conservação da quantidade de movimento, realizou uma experiência que comprovou a existência do nêutron. No entanto, doze anos antes desse acontecimento, o célebre cientista inglês Rutherford já tinha previsto a existência dessa partícula. Segundo ele, uma possível ligação de um próton com um elétron originaria uma partícula sem carga elétrica, mas com massa igual a do próton. A essa partícula ele chamou de nêutron, mas não tinha certeza da sua existência.

A experiência que J. Chadwick realizou consistiu, basicamente, em fazer com que feixes de partículas alfa se colidissem com uma amostra de berílio (um elemento químico pertencente à família 2A da tabela periódica). Dessa colisão apareceu um tipo de radiação que levaram muitos cientistas a acreditar que se tratava de raios gama. Após realizar vários cálculos, James concluiu que não se tratava de raios gama, a radiação invisível era formada por nêutrons. Para comprovar que realmente se tratava de nêutrons, Chadwick mediu a massa dessas partículas, pois segundo Rutherford elas tinham massa igual à do próton. Com esse feito e por seus importantes trabalhos, em 1935 James foi premiado com o Prêmio Nobel da Física.

Maxwell e o Eletromagnetismo

Maxwell e o Eletromagnétismo     Para um físico dos nossos dias, a teoria eletromagnética de Maxwell, como foi publicada por ele no século XIX, é tão diferente do eletromagnetismo atual que deixaria qualquer físico contemporâneo perplexo. Ela não pode ser traduzida para termos utilizados atualmente pela física moderna, que se baseia na existência do elétron e ausência do éter. Apesar dessas diferenças, o método desenvolvido a partir dos trabalhos de Maxwell é muito eficiente para explicar vários fenômenos eletromagnéticos e ópticos e, por isso mesmo, é usado até hoje. Antes de apresentarmos os trabalhos de Maxwell sobre o assunto, vamos entender um pouco mais do contexto da física na época na qual Maxwell desenvolveu suas pesquisas.       A ideia de força à distância formava a base de uma das linhas de pesquisa sobre os fenômenos eletromagnéticos adotadas na Europa na segunda metade do século XIX. Essa linha, adotada principalmente fora da Grã Bretanha, buscava explicar os fenômenos eletromagnéticos a partir de forças proporcionais ao inverso do quadrado da distância entre os corpos. Além disso, considerava que estas forças agiam à distância, isto é, sem a necessidade de um meio para intermediar as interações.         Outros pesquisadores – em especial Michael Faraday (1791-1867), William Thomson e James Clerk Maxwell – passaram a adotar uma visão diferente. Ao invés de considerar ação à distância, dedicaram-se a explicar os fenômenos eletromagnéticos como um efeito que se propagaria através de um meio. Faraday supôs que a eletricidade e o magnetismo agiriam através de “linhas de força”. Essas linhas teriam uma existência real e seriam elas mesmas as responsáveis pelos fenômenos eletromagnéticos. Na abordagem de Faraday, não havia necessidade de matéria comum para explicar a existência das linhas de força. No entanto, as linhas de força eram interpretadas como estruturas físicas, mas estruturas do quê? A resposta a essa pergunta foi sendo desenvolvida ao longo do século XIX e foi fortemente influenciada pela concepção que os físicos tinham sobre a natureza da luz.       Em meados do século XIX a teoria ondulatória da luz era amplamente aceita em toda Grã-Bretanha. Da mesma forma que consideramos o som como uma onda que se propaga por diversos materiais, nessa época os físicos consideravam que a luz seria uma onda semelhante ao som. No entanto, o meio pelo qual a luz se propagava era diferente  – seria um meio elástico (capaz de sofrer deformações sem perder suas propriedades originais) imperceptível aos nossos sentidos que preencheria todo o espaço. Este meio era conhecido como “éter”.       Neste contexto, uma teoria de campo considera que as partes de um sistema não são independentes, mas sim participantes de um todo, e consideram que a interação se dá entre as partes vizinhas do sistema. Sendo assim, a interação entre duas cargas elétricas, por exemplo, seria explicada por uma ação que se propaga entre uma carga e outra através do éter existente entre elas. Uma carga modifica o éter, essa modificação vai se espalhando, e ao atingir outra carga, produz uma força. O próprio campo contém em si mesmo a capacidade de ação.       Os estudos de Maxwell sobre eletromagnétismo começaram em 1854 e terminaram um pouco antes de sua morte, em 1879. Eles podem ser divididos em duas grandes partes: antes de 1868, publicou os principais trabalhos sobre os fundamentos da teoria eletromagnética; e, após 1868, publicou seu mais famoso livro, o Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo, e uma dezena de artigos sobre outros assuntos.

Modelo Atômico de Rutherford

 MODELO  ATÔMICO DE RUTHERFORD

Ele pegou um pedaço do metal polônio (Po) que emite partículas alfa (α) e colocou em uma caixa de chumbo com um pequeno orifício. As partículas alfa atravessavam outras placas de chumbo através de orifícios no seu centro. Depois atravessavam um lâmina muito fina (10-4mm) de ouro (Au).

Rutherford adaptou um anteparo móvel com sulfeto de zinco (fluorescente) para registrar o caminho percorrido pelas partículas.

O físico observou que a maioria das partículas alfa atravessava a lâmina de ouro e apenas algumas desviavam até mesmo retrocediam.

A partir destes resultados, concluiu que o átomo não era uma esfera positiva com elétrons mergulhados nesta esfera. Concluiu que:

- o átomo é um enorme vazio;
- o átomo tem um núcleo muito pequeno;
- o átomo tem núcleo positivo (+), já que partículas alfa desviavam algumas vezes;
- os elétrons estão ao redor do núcleo (na eletrosfera) para equilibrar as cargas positivas.

O modelo atômico de Rutherford sugeriu então, um átomo com órbitas circulares dos elétrons em volta do núcleo. Comparou o átomo com o Sistema Solar, onde os elétrons seriam os planetas e o núcleo seria o Sol.

Hoje, sabe-se que o átomo é 10.000 a 100.000 vezes maior que seu núcleo. Numa escala macroscópica, pode-se comparar um átomo com um estádio de futebol.  Se o átomo fosse o estádio do Maracanã, o seu núcleo seria uma formiga no centro do campo. Então o átomo é enorme em relação ao seu núcleo.

Porém, o átomo de Rutherford tem algumas falhas. Se o núcleo atômico é formado por partículas positivas, por que essas partículas não se repelem e o núcleo não desmorona? Se as partículas são de cargas opostas, por que elas não se atraem? Os elétrons iriam perder energia gradualmente percorrendo uma espiral em direção ao núcleo, e à medida que isso acontecesse, emitiriam energia na forma de luz. Mas como os elétrons ficam em movimento ao redor do núcleo sem que os átomos entrem em colapso?

Estas questões foram respondidas em 1932 por James Chadwick. Ele observou que o núcleo do berílio (Be) radioativo emitia partículas sem carga elétrica e com massa igual à dos prótons (+). Chamou esta partícula de nêutrons. Surgia então, a terceira partícula subatômica.

Agora sabemos que no núcleo do átomo há prótons e nêutrons e na eletrosfera há elétrons.

Então estabeleceu-se esta relação:

PARTÍCULA	MASSA	CARGA ELÉTRICA
p	1	+1
n	1	0
é	1/1836	-1

Na tabela acima, pode-se verificar que o elétron é 1.836 vezes menor que a massa de um próton.

Goldstein e o Próton

 Goldstein e o Próton

Ao estudar os raios catódicos em uma ampola de Crookes, Eugen Goldstein  introduziu em 1886 uma nova variante na experiência: perfurou o cátodo  da ampola e percebeu um feixe de raios de luz (os quais deu o nome de raios canais) na direção oposta ao feixe dos raios catódicos. Se os raios catódicos eram negativos, este novo raio deveria ter um caráter positivo. No entanto, Goldstein não compreendeu exatamente o que acontecia e o assunto foi esquecido por alguns anos.

Eugen Goldstein

Mais tarde, exatamente 12 anos depois, Wilhelm Wien retomou os experimentos com um diferencial: submeteu o raio à um campo eletrostático muito mais intenso que o de seu antecessor.  Com os experimentos, Wien concluiu que os raios eram compostos por Hidrogênio ionizado.
No entanto, apenas em 1919 Ernest Rutherford publica os seus estudos acerca de desintegração artificial e, consequentemente, a conclusão inequívoca acerca da descoberta do próton (termo de origem grega que significa primeiro).
A massa do próton é cerca de 1,673.10^-27kg  (duas mil vezes maior que a massa do elétron) e carga igual (em módulo) à carga do elétron. Pesquisas recentes mostram que o tamanho do próton 0,00000000000003 milímetro menor do que, pelo menos em teoria, deveria ser.

Ao contrário do que ainda é normalmente difundido em vários materiais de nível médio, o próton não é uma partícula elementar. Ele é formado por outras partículas chamadas de quarks (são dois quarks do “tipo” up e um quark do tipo down).
Com a descoberta do próton, fica explicada a questão dos isótopos: o número de nêutrons de um átomo pode variar, mas o número de prótons deve permanecer o mesmo. Caso haja dois elementos com número de prótons diferentes, estes elementos serão diferentes entre si.  Um dos exemplos é o Hidrogênio: a maioria dos átomos de Hidrogênio não tem nêutron, no entanto, alguns átomos têm um ou dois nêutrons. Respectivamente, são chamados de deutério e trítio. Todos (hidrogênio, deutério e trítio) são, em sua essência, Hidrogênio pelo fato de possuírem um próton.

Mendeleiev e a Tabela Periódica

Tabela Periódica de Mendeleiev

Das diversas contribuições de Mendeleiev à Química, apesar de não ter descoberto nenhum elemento, podemos mencionar que previu diversos deles, inclusive com suas propriedades físicas e químicas. Sua tabela tinha lacunas entre os elementos Silício e Estanho e ao elemento faltante chamou de Ekasilício que depois foi descoberto e denominado Germânio. Além deste, havia outra lacuna após o elemento Alumínio e ao elemento faltante chamou de Ekaalumínio, que depois de descoberto foi chamado de Gálio. O Escândio também foi previsto por Mendeleev, tendo sido chamado por este de Ekaboro.

Com a Tabela Periódica dos Elementos Químicos de Mendeleev, algumas perguntas sobre a constituição de nosso universo material começavam a ser respondidas pelos Químicos, como quais eram as substâncias simples que o constituía. Com esta tabela pode-se ter certeza pela primeira vez que a matéria não era constituída de um único elemento como acreditavam Tales, Anaxímenes e Heráclito, ou de quatro elementos como supunha Aristóteles, e nem de um número infinito deles, e sim de aproximadamente uma centena. 

Passou desapercebida por Mendeleev em sua tabela, uma família inteira de elementos químicos gasosos que além de serem não reativos e se encontrarem em pequenas concentrações no ar atmosférico, somente puderam ser descobertos, espectroscopicamente, no final do século XIX por William Ramsay (1852-1916). Ramsay descobriu a família inteira de gases nobres como o Hélio, o Neônio, o Criptônio e o Xenônio. Um passo importante para a complementação dos elementos químicos ainda a serem descobertos foi dado pelo francês Antoine Henri Becquerel (1852 -1908), que descobriu a radioatividade no elemento Urânio. A descoberta desta propriedade do Urânio e da capacidade de como medi-la permitiu a diversos cientistas descobrirem outros elementos presentes em quantidades diminutas nos minerais radioativos, como o Rádio, o Polônio, o Actínio, o Protactínio e o Radônio.

Para finalizar, após a descoberta dos dois últimos elementos naturais estáveis, o Háfnio em 1923 e o Rênio em 1925, só restava a possibilidade de novos elementos serem descobertos pelo emprego da fissão nuclear prevista por Enrico Fermi (1901-1954) e obtida conjuntamente por Lise Meitner (1878-1968), Otto Hahn (1879-1968) e Fritz Strassmann (1902-1980) ou pela utilização do ciclotron inventado por Ernest Lawrence (1901-1958) em 1929, que permitiu em 1937 a descoberta do Tecnécio, o primeiro elemento sintetizado pelo homem. Hoje a Tabela Periódica conta com 118 elementos, mas oficialmente somente 113 são reconhecidos atualmente pela Comissão Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), já que para muitos dos elementos chamadosPassou desapercebida por Mendeleev em sua tabela, uma família inteira de elementos químicos gasosos que além de serem não reativos e se encontrarem em pequenas concentrações no ar atmosférico, somente puderam ser descobertos, espectroscopicamente, no final do século XIX por William Ramsay (1852-1916). Ramsay descobriu a família inteira de gases nobres como o Hélio, o Neônio, o Criptônio e o Xenônio. Um passo importante para a complementação dos elementos químicos ainda a serem descobertos foi dado pelo francês Antoine Henri Becquerel (1852 -1908), que descobriu a radioatividade no elemento Urânio. A descoberta desta propriedade do Urânio e da capacidade de como medi-la permitiu a diversos cientistas descobrirem outros elementos presentes em quantidades diminutas nos minerais radioativos, como o Rádio, o Polônio, o Actínio, o Protactínio e o Radônio.

Para finalizar, após a descoberta dos dois últimos elementos naturais estáveis, o Háfnio em 1923 e o Rênio em 1925, só restava a possibilidade de novos elementos serem descobertos pelo emprego da fissão nuclear prevista por Enrico Fermi (1901-1954) e obtida conjuntamente por Lise Meitner (1878-1968), Otto Hahn (1879-1968) e Fritz Strassmann (1902-1980) ou pela utilização do ciclotron inventado por Ernest Lawrence (1901-1958) em 1929, que permitiu em 1937 a descoberta do Tecnécio, o primeiro elemento sintetizado pelo homem. Hoje a Tabela Periódica conta com 118 elementos, mas oficialmente somente 113 são reconhecidos atualmente pela Comissão Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), já que para muitos dos elementos chamados Transurânicos e para todos os Transférmicos, poucos átomos foram obtidos com "meia-vidas" extremamente curtas e propriedades físicas e químicas incapazes de serem determinadas com precisão. Transurânicos e para todos os Transférmicos, poucos átomos foram obtidos com "meia-vidas" extremamente curtas e propriedades físicas e químicas incapazes de serem determinadas com precisão.

Modelo Atômico de Leucipo e Demócrito

Modelo Atômico de Leucipo e Demócrito

O primeiro modelo atômico de que se tem notícias é o de Leucipo e Demócrito. Ou seja, eles foram os primeiros que se propuseram a pensar na estrutura da matéria e a tirar conclusões a respeito disso.

É importante ter em mente que, na época em que Leucipo e Demócrito viveram e desenvolveram seu modelo atômico, não podiam contar com os auxílios que os pesquisadores têm hoje. Não havia tecnologia e nem dados, já que o assunto nunca tinha sido abordado antes, de modo que os dois puderam recorrer praticamente apenas à observação.

Antes de falar sobre a descoberta do átomo, vamos saber mais sobre quem foram esses dois filósofos.

• Leucipo

Viveu durante o século V a.C. e ficou conhecido como o filósofo atomista da Grécia Antiga, justamente por uma de suas descobertas mais importantes. Também é considerado misterioso, já que ninguém tem informações exatas sobre o ano em que nasceu, quando morreu e onde viveu. Não se sabe nem ao certo onde foi que ele nasceu, mas o mais provável é que tenha sido em Mileto.

Leucipo se dedicou essencialmente à chamada filosofia natural, para compreender melhor como ocorria a composição dos elementos. Foi assim que desenvolveu a sua teoria a respeito do átomo.

Embora não se saiba muito sobre ele, escritos deixados por outras pessoas, especialmente Diógenes Laércio, dão conta de que ele havia viajado muito, conhecido povos e culturas, o que contribuiu para que tivesse um amplo conhecimento sobre vários assuntos.

Foi ele quem realmente construiu o modelo atômico.

• Demócrito

Viveu de 460 até 360 a.C. e não são conhecidos mais do que 200 manuscritos com as suas ideias. Apesar de não ser muito numeroso, seu trabalho é muito rico, abrangendo meteorologia, história, linguística e outros ramos. Viajava muito para aprofundar seus conhecimentos e os destinos favoritos eram o Egito, a Pérsia, Índia e Etiópia.

Muitas vezes, Demócrito recebe o crédito pela criação do primeiro modelo atômico praticamente sozinho, mas não foi isso que aconteceu. Ele era um dos mais fiéis discípulos de Leucipo, desenvolvendo e detalhando a teoria criada por seu tutor.

Demócrito acreditava que tudo aquilo que existia no universo era composto por dois elementos: “o átomo e o vazio”, complementando ainda dizendo que o vazio era o espaço no qual os átomos podiam se movimentar.

A teoria atômica, para Demócrito, servia também para explicar a origem de tudo: os átomos, antes dispersos, haviam se unido, para compor toda a matéria.

Modelo atômico de Leucipo e Demócrito

Para entender o modelo, vamos analisar o significado da palavra “átomo”, que foi escolhida justamente pelos filósofos gregos e permanece sendo utilizada até hoje:

Átomo significa algo que não pode ser dividido e era justamente nisso que consistia o modelo atômico de Leucipo e Demócrito: o átomo era colocado como a menor partícula da matéria e, por conta disso, não podia ser dividido. Era como se você pegasse qualquer objeto e começasse a reparti-lo em pedaços cada vez menores, até que chegasse um momento em que não pudesse mais ser dividido. Isso era o átomo dos gregos.

De acordo com Leucipo e Demócrito, os átomos eram as partículas elementares de qualquer matéria, mas que poderiam ter formatos e tamanhos distintos. Isso explicaria a imensa diversidade de substâncias que existem.

Eles pensavam ainda que cada substância teria um tipo específico de átomo, que daria a ela a forma que possuía. Por exemplo: a água deveria ser formada por um conjunto de átomos redondos, para que pudesse escoar, permanecer no estado líquido.

Uma analogia que facilita o entendimento sobre esse modelo atômico é pensar na matéria como um quebra-cabeça, em que cada uma das peças corresponderia a um átomo.

Por fim, Leucipo e Demócrito ainda que acreditavam que o átomo era eterno, não havendo nada que o pudesse destruir.

Toda essa teoria já está ultrapassada, no entanto, foi de fundamental importância. O modelo atômico de Leucipo e Demócrito lançou as bases para que outros cientistas pudessem repensar sobre o assunto e renovar aquele modelo, de acordo com as ideias e recursos da sua época.

Modelo Atômico de Thomson

O Modelo Atômico de Thomson foi o primeiro modelo de estrutura atômica a indicar a divisibilidade do átomo. De acordo com Thomson, o átomo era formado por elétrons presos a uma esfera onde havia carga elétrica positiva.

Quando Joseph John Thomson (1856-1940) estudava a existência de partículas subatômicas, conseguiu comprovar que existiam partículas com carga negativa menores do que o átomo (os elétrons).
O experimento de J.J. Thomson sugeria que os elétrons situavam-se numa parte do átomo que apresentava carga positiva.
Desse modo, o átomo de Thomson teria o aspecto de ameixas em um pudim. Por esse motivo, o seu modelo, que surgiu por volta de 1898, ficou conhecido como o “modelo pudim de ameixa” ou “pudim com passas”.
O cientista inglês Thomson acreditava que a carga do átomo era nula. Isso porque o átomo era composto por cargas positivas e negativas que se anulavam pelo fato de o número de ambas as cargas ser igual.
As experiências de Thomson foram úteis na evolução da teoria atômica. O modelo proposto por ele substituiu o modelo atômico de Dalton, conhecido como "modelo bola de bilhar", pois, segundo esse químico e físico inglês, era esse o aspecto apresentado pelo átomo.
O Modelo Atômico de Thomson, por sua vez, foi substituído pelo Modelo Atômico de Rutherford. O físico neozelandês Rutherford (1871-1937) havia sido aluno de Thomson.
Thomson, professor de Física Experimental da Universidade de Cambridge, é considerado o “pai do elétron” pelo fato de ter descoberto essa partícula subatômica em 1887. Anos depois, Rutherford descobriu o próton e, mais tarde, foi a vez do cientista inglês James Chadwick (1891-1974) descobrir o nêutron.

Modelo Atômico de Dalton

O Modelo Atômico de Dalton encerra a ideia de que todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas indivisíveis chamadas átomos.

Os átomos dos diferentes elementos têm diferentes propriedades, mas todos os átomos do mesmo elemento são exatamente iguais.

Nas alterações químicas o átomo participa como um todo. Os átomos não se alteram quando formam compostos químicos. Eles não podem ser criados nem destruídos.

O Estudo da Atmosfera

Foi o sistemático estudo da atmosfera que levou Dalton à teoria atômica da matéria. O cientista colhera centenas de amostras de ar de vários lugares da Inglaterra, de montanhas , de vales, da cidade e do campo.

Depois das análises concluiu que o ar tinha a mesma composição. Isso preocupou Dalton. Por que o bióxido de carbono, mais pesado, não fica embaixo? Por que se mostraram tão misturados os gases?

Dalton, que não era um grande experimentador, tentou verificar o assunto no laboratório. Colocou um frasco de gás pesado sobre a mesa e inverteu sobre ele um frasco de gás leve, de modo que as bocas dos frascos se tocaram. Logo os gases estavam totalmente misturados.

Dalton explicou esse fato afirmando o que passou a ser conhecido como teoria das pressões parciais: “As partículas de um gás não repelem as de outro gás, mas apenas as de sua própria espécie”.

Isso levou à suposição de que um gás consiste em pequeníssimas partículas separadas uma das outras por grandes distâncias.

Dalton definiu a Química e a análise química. Segundo ele, tudo que a química pode fazer é separar partículas uma das outras, ou juntá-las entre si.

Essas partículas eram para ele as porções indestrutíveis da matéria que formavam todas as substâncias. E na verdade elas continuaram indestrutíveis até a descoberta da radioatividade e da quebra dos átomos.

Saber quanto de cada substância deve entrar num processo para produzir a quantidade necessária de um composto é de máxima importância para qualquer químico.

Por meio de tentavas e erros, foi Dalton quem usou os dados assim coligidos para obter o peso relativo das partículas finais. Chamado hoje de peso atômico.

Os erros cometidos por Dalton decorreram de defeituosas técnicas de laboratório. Estabeleceu os seus pesos atômicos atribuindo peso um à partícula de hidrogênio.

Dizia ele, que uma “simples” de hidrogênio combina-se com uma “simples” de oxigênio e produz um composto de água. O peso do oxigênio é sete vezes o do hidrogênio, então o peso relativo da partícula de oxigênio é sete vezes o do hidrogênio.

Não sabia que são precisos dois átomos de hidrogênio para combinar-se com o oxigênio, e cometeu um erro ao pesar as substâncias. Hoje, sabe-se que o peso do átomo de oxigênio é dezesseis, isto é, o peso do átomo de oxigênio e seis vezes o do átomo de hidrogênio.

A fim de explicar a combinação de seus “simples”, desenhou pequenos círculos com diferentes símbolos centrais para o átomo de cada elemento. O modelo atômico de Dalton, ou teoria atômica de Dalton, foi logo aceito por todos os seus colegas cientistas.

John Dalton foi um químico, meteorologista e físico inglês, nasceu em Eaglesfield, Inglaterra, no dia 6 de setembro de 1766. Foi eleito para a Academia de Ciências. Ganhou a medalha da Sociedade Real da Inglaterra, em 1826. Descobriu a anomalia da visão das cores, pois sofrera com esse defeito, hoje chamado de daltonismo.