Blog “Ciências Exatas Contemporâneas”, de autoria de Álaze Gabriel. Disponível em http://cienciasexatascontemporaneas.blogspot.com.br/
INTRODUÇÃO
O estudo da física está
relacionado à várias situações da nossa vida. Desde a Grécia Antiga o homem procura entender o funcionamento
das coisas e buscou na ciência estas explicações. Hoje em dia, a física moderna
atua em vários ramos da indústria, de tecnologia, de geração de energia entre outros.
Está importante ciência está
dividida em várias áreas : mecânica, termologia, óptica, ondas, eletricidade, eletrodinâmica, cinemática e
física nuclear.
A Física atua em parceria com outras áreas da ciência como, por exemplo, a matemática e a química. Muitos fenômenos físicos só podem ser explicados através de fórmulas matemáticas ou de reações químicas.
A Física atua em parceria com outras áreas da ciência como, por exemplo, a matemática e a química. Muitos fenômenos físicos só podem ser explicados através de fórmulas matemáticas ou de reações químicas.
HISTÓRICO RESUMIDO DA EVOLUÇÃO DA
FÍSICA (1)
480 a.C. - O grego Leucipo chega
a conclusão de que a matéria de todos os corpos é composta por partículas
microscópicas chamadas de átomos.
260 a.C. - O grego Arquimedes descobre
que os corpos flutuam, pois deslocam um pouco de líquido para os lados.
1269 - O francês Pèlerin de
Maricourt descobre o funcionamento dos dois pólos magnéticos de um imã.
1589 - O Galileu Galilei, cientista italiano, chega a conclusão de
que todos os corpos caem numa mesma velocidade independente de seu peso. É o
princípio da física moderna e da lei de queda livre dos corpos.
1648 - Blaise Pascal faz
importantes pesquisas sobre a pressão gerada pelo peso dos gases e da
água.
1666 - O pesquisador inglês Isaac
Newton chega a conclusão que a luz é
formada pela junção de várias cores.
1678 - O físico holandês
Christiaan Huygens é o primeiro a defender a idéia de que a luz se propaga como
se fosse uma onda.
1687 - O físico Isaac Newton
publica Princípios Matemáticos da Filosofia Natural. Neste livro, Newton define as principais
leis da mecânica e demonstra que os corpos se atraem pela força de
gravidade.
1752 - O pesquisador
norte-americano Benjamim Franklin divulga suas pesquisas sobre raios,
demonstrando que existem dois tipos de cargas elétricas, a negativa e a
positiva.
1800 - O astrônomo inglês William
Herschel faz uma importante descoberta sobre o Sol. O astro emite raios
infravermelhos.
1822 - O matemático francês
Jean-Baptiste Fourier desenvolve várias fórmulas sobre o fluxo de calor.
1847 - O físico Joule desenvolve
a Primeira Lei da Termodinâmica, comprovando que a energia não pode ser criada,
nem destruída.
1859 - O físico inglês James
Clerk Maxwell desenvolve a Teoria Cinética dos Gases, demonstra como
calcular a velocidade dos átomos de um gás.
1865 - O pesquisador inglês James
Clerk Maxwell descobre a força eletromagnética, estudando a ação da energia
elétrica e da magnética.
1888 - O cientista alemão
Heinrich Hertz produz em laboratório as primeiras ondas de rádio.
1895 - Pesquisas do cientista
alemão Wilheim Konrad Röntgen mostra a existência dos raios X.
1900 - O cientista alemão
Max Planck faz pesquisas importantes na campo da Física Quântica. Estes estudos
serviram de base para o desenvolvimento da Teoria da Relatividade.
1905 - O cientista alemão Albert Einstein cria a Teoria da Relatividade, onde conclui
que o tempo não é absoluto.
1911 - O físico australiano
Ernest Rutherford observa que quase toda a massa de um átomo se concentra
em seu núcleo que é muito duro.
1932 - O físico inglês James
Chadwick descobre a existência o nêutron, uma das partículas que forma o
núcleo do átomo junto com o próton.
1939 - Os físico-químicos alemães
Otto Hahn e Lise Meitner realizam experiência onde conseguem fazer a
fissão do núcleo do urânio, partindo seu núcleo.
1975 - O inglês Stephen
Hawking conclui que um buraco negro pode evaporar, perdendo uma
pequena quantidade de massa.
1999 - A física dinamarquesa Lene
Vestergaard, consegue reduzir a velocidade da luz, fazendo com que esta
ultrapasse uma matéria conhecida como condensado de Bose-Einsten. A velocidade
da luz é reduzida em 18 milhões de vezes.
2000 - Cientistas do Centro
Europeu de Pesquisas Nucleares comprovam que é possível tirar partículas
subatômicas, os quarks, dos prótons e nêutrons.
PRINCIPAIS ÁREAS DA FÍSICA
- Mecânica
- Termologia
- Ondulatória
- Acústica
- Óptica
- Eletromagnetismo
- Física de Particulas
- Teoria da Relatividade
- Física Atômica
- Física Molecular
- Física Nuclear
- Mecânica Quântica
- Física de Plasmas
- Astrofísica
- Física de Materiais
EVOLUÇÃO DA FÍSICA
Os
conhecimentos que temos hoje sobre o mundo físico resultaram de um longo
processo histórico de experiências, descobertas, acertos e erros. Na luta pela sobrevivência o
homem foi aprendendo a conhecer a natureza e desvendar seus segredos. Quando
o homem pré-histórico usou uma pedra para abrir o crânio de um animal ou fez um
arco para atirar uma flecha, ele estava incorporando conhecimentos de Mecânica.
Os primeiros povos civilizados, na Mesopotâmia e no
Egito, aprenderam, entre outras coisas, a bombear água para as plantações, a
transportar e levantar enormes blocos de pedra, a construir monumentos.
Mais tarde, com os gregos, nasceu a
Filosofia. Herdeiros de um longo processo de desenvolvimento cultural
ocorrido nas regiões próximas do Mediterrâneo, eles tentaram explicar o mundo
através unicamente da razão. Os conhecimentos anteriores aos gregos foram
obtidos na tentativa de resolver problemas práticos. Confundiam-se ainda com os
mitos e a religião.
Os gregos deram um enorme salto ao formular
racionalmente os princípios explicativos do movimento, da constituição da
matéria, do peso do comportamento da água, etc. Como na sociedade grega todo
trabalho físico era realizado por escravos, os gregos não se preocupavam em
resolver problemas práticos. Valorizavam muito as idéias e muito
pouco a experimentação.
A decadência do Mundo Antigo e o advento da Idade
Média representaram um enorme retrocesso para a ciência. Uma sociedade
basicamente rural, dominada pela religião, e fazendo uso restrito da escrita e
de livros, poucas possibilidades oferecia ao desenvolvimento científico.
O renascimento do comércio e da vida urbana, no
final da Idade Média, criou um ambiente próprio para a renovação cultural que
lançou as bases da ciência moderna. Foi nesse universo urbano em formação que viveu,
no século XVI, o personagem símbolo dessa ciência: Galileu Galilei.
Galilei introduziu um procedimento fundamental para
o cientista: a necessidade de testar, com experiências concretas, as
formulações teóricas. Além disso, o genial italiano mostrou, com sua
prática, que o cientista precisa criar situações favoráveis de observação,
eliminando fatores que interfiram ou prejudiquem a análise do fenômeno a ser
estudado.
Outro momento importante na constituição do
conhecimento ligado à Física ocorreu no século XVII com Isaac Newton. Ele
realizou a primeira grande síntese da história da Física através da formulação
de leis gerais. Com isso, criou-se a possibilidade de investigações novas em
diversos campos.
Newton criou, ainda, um sistema matemático para resolver
problemas de Física que antes não tinham solução.
A partir dos fundamentos lançados por Newton
ocorreram importantes inovações científicas e técnicas. Ao longo dos séculos
XVIII e XIX, o progresso material derivado dessas inovações foi notável.
O final do século XIX foi uma fase de excessivo
otimismo. Muitos estudiosos de Física achavam que já conheciam os princípios e
as leis fundamentais do funcionamento do universo.
A Teoria da Relatividade, publicada por
Einstein em 1905, provocou uma verdadeira revolução no campo científico. As
mais arraigadas certezas, baseadas nas leis mecânicas de Newton, passaram a ser
revistas.
De lá para cá, os avanços foram enormes. A
obtenção de energia a partir da desintegração atômica, os satélites e as
viagens espaciais são alguns dos resultados mais conhecidos do progresso
recente da Física.
Citamos alguns nomes importantes ligados à evolução
do conhecimento humano sobre o mundo físico. Centenas de outros poderiam ser
acrescentados. O mais importante é entendermos que essa evolução não é
resultado da ação individual de alguns homens notáveis e, sim, obra
coletiva. São as condições históricas de uma determinada sociedade que
favorecem ou não a ampliação do saber.
Ao estudar Física você provavelmente perceberá que
uma das lições da ciência é que a aparência é muito enganadora. Desconfie,
pois, da obviedade.
HISTÓRIA
DA FÍSICA
A Física é a ciência das propriedades da matéria e
das forças naturais. Suas formulações são em geral compactantes expressas em
linguagem matemática. A introdução da investigação experimental e a aplicação
do método matemático contribuíram para a distinção entre Física, filosofia e
religião, que , originalmente, tinham como objetivo comum compreender a origem
e a constituição do Universo.
A Física estuda a matéria nos níveis molecular,
atômico, nuclear e subnuclear. Estuda os níveis de organização ou seja os
estados sólido , líquido, gasoso e plasmático da matéria. Pesquisa também as
quatro forças fundamentais: a da gravidade ( força de atração exercida por
todas as partículas do Universo), a eletromagnética ( que liga os elétrons aos
núcleos), a interação forte (que mantêm a coesão do núcleo e a interação fraca
(responsável pela desintegração de certas partículas - a da radiatividade).
Física teórica e experimental - A Física
experimental investiga as propriedades da matéria e de suas transformações, por
meio de transformações e medidas, geralmente realizada em condições
laboratoriais universalmente repetíveis . A Física teórica sistematiza os
resultados experimentais, estabelece relações entre conceitos e grandezas
Físicas e permite prever fenômenos inéditos.
FATOS
HISTÓRICOS
A Física se desenvolve em função da necessidade do
homem de conhecer o mundo natural e controlar e reproduzir as forças da
natureza em seu benefício.
Física na Antigüidade
É na Grécia Antiga que são feitos os primeiros
estudos "científicos" sobre os fenômenos da natureza. Surgem os
"filósofos naturais" interessados em racionalizar o mundo sem
recorrer à intervenção divina.
Atomistas Gregos
A primeira teoria atômica começa na Grécia, no
século V a.C. Leucipo, de Mileto, e seu aluno Demócrito, de Abdera (460 a.C. -
370 a.C.) , formulam as primeiras hipóteses sobre os componentes essenciais da
matéria. Segundo eles, o Universo é formado de átomos e vácuo. Os átomos são
infinitos e não podem ser cortados ou divididos. São sólidos mas de tamanho tão
reduzido que não podem ser vistos. Estão sempre se movimentando no vácuo.
Física Aristotélica
É com Aristóteles que a Física e as demais ciências
ganham o maior impulso na Antigüidade . Suas principais contribuições para a
Física são as idéias sobre o movimento, queda de corpos pesados (chamados
"graves", daí a origem da palavra "gravidade" ) e o geocentrismo
. A lógica aristotélica irá dominar os estudos da Física até o final da Idade
Média.
Aristóteles - (384 a.C. - 322 a.C. ) Nasce
em Estagira, antiga Macedônia (hoje, Província da Grécia) . Aos 17 anos muda-se
para Atenas e passa a estudar na Academia de Platão, onde fica por 20 anos . Em
343 a.C. torna-se tutor de Alexandre, o grande, na Macedônia. Quando Alexandre
assume o trono, em 335 a.C. , volta a Atenas e começa a organizar sua própria
escola, localizada em um bosque dedicado a Apolo Liceu - por isso, chamada de
Liceu . Até hoje, se conhece apenas um trabalho original de Aristóteles (sobre
a Constituição de Atenas) . Mas as obras divulgadas por meio de discípulos
tratam de praticamente todas as áreas do conhecimento : lógica, ética, política,
teologia, metaFísica, poética, retórica, Física, psicologia, antropologia,
biologia. Seus estudos mais importantes foram reunidos no livro Órganom .
Geocentrismo
-
Aristóteles descreve o cosmo como um enorme ( porém finito) círculo onde
existem nove esferas concêntricas girando em torno da Terra, que se mantêm
imóvel no centro delas.
Gravidade - Aristóteles considera que os
corpos caem para chegar ao seu lugar natural. Na antiguidade, consideram-se
elementos primários a terra, a água, ar e fogo. Quanto mais pesado um corpo
(mais terra) mais rápido cai no chão. A água se espalha pelo chão porque seu
lugar natural é a superfície da Terra. O lugar natural do ar é uma espécie de
capa em torno da Terra. O fogo fica em uma esfera acima de nossas cabeças e por
isso as chamas queimam para cima.
PRIMÓRDIOS
DA HIDROSTÁTICA
A hidrostática, estudo do equilíbrio dos líquidos,
é inaugurada por Arquimedes. Diz a lenda que Hierão, rei de Siracusa, desafia
Arquimedes a encontrar uma maneira de verificar sem danificar o objeto, se era
de ouro maciço uma coroa que havia encomendado. Arquimedes soluciona o problema
durante o banho. Percebe que a quantidade de água deslocada quando entra na
banheira é igual ao volume de seu corpo. Ao descobrir esta relação sai gritando
pelas ruas "Eureka, eureka !" ( Achei, achei !) . No palácio, mede então
a quantidade de água que transborda de um recipiente cheio quando nele mergulha
sucessivamente o volume de um peso de ouro igual ao da coroa, o volume de um
peso de prata igual ao da coroa e a própria coroa. Este, sendo intermediário
aos outros dois, permite determinar a proporção de prata que fora misturada ao
ouro.
Princípio
de Arquimedes - A
partir dessas experiências Arquimedes formula o princípio que leva o seu nome:
todo corpo mergulhado em um fluído recebe um impulso de baixo para cima (
empuxo ) igual ao peso do volume do fluído deslocado. Por isso os corpos mais
densos do que a água afundam e os mais leves flutuam. Um navio, por exemplo,
recebe um empuxo igual ao peso do volume de água que ele desloca. Se o empuxo é
superior ao peso do navio ele flutua.
Arquimedes - ( 287 a.C. - 212 a.C.) - nasce
em Siracusa, na Sicília . Freqüenta a Biblioteca de Alexandria e lá começa seus
estudos de matemática. Torna-se conhecido pelos estudos de hidrostática e por
suas invenções, como o parafuso sem ponta para elevar água. também ganha fama
ao salvar Siracusa do ataque dos romanos com engenhosos artefatos bélicos.
Constrói um espelho gigante que refletia os raios solares e queimava a
distância os navios inimigos. É também atribuído a Arquimedes o princípio da
alavanca . Com base neste princípio, foram construídas catapultas que também
ajudaram a resistir aos romanos. Depois de mais de três anos, a cidade é
invadida é Arquimedes e assassinado por um soldado romano.
YIN E
YANG
Os chineses também iniciaram na Antiguidade estudos
relacionados à Física. Não se ocupam de teorias atômicas ou estrutura da
matéria. Procuram explicar o Universo como resultado do equilíbrio das forças
opostas Yin e Yang . Estas palavras significam o lado sombreado e ensolarado de
uma montanha e simbolizam forças opostas que se manifestam em todos os
fenômenos naturais e aspectos da vida. Quando Yin diminui, Yang aumenta e
vice-versa.
A noção de simetria dinâmica de opostos inaugurada
pela noção de Yin e Yang será retomada no inicio do século XX com a teoria
quântica (ver Princípio da incerteza neste capítulo) .
REVOLUÇÃO
COPERNICANA
Em 1510 Nicolau Copérnico rompe com mais de dez
séculos de domínio do geocentrismo. No livro Commentariolus diz pela primeira
vez que a Terra não é o centro do Universo e sim um entre outros tantos
planetas que giram em torno do Sol. Enfrenta a oposição da Igreja Católica, que
adotara o sistema aristotélico como dogma e faz da Física um campo de estudo
específico.
Para muitos historiadores, a revolução copernicana
se consolida apenas um século depois com as descobertas telescópicas e a
mecânica de Galileu Galilei (1564-1642) e as leis de movimentos dos planetas
dos planetas de Joannes Kepler ( 1571- 1630).
Heliocentrismo - "O centro da Terra não é
o centro do mundo ( Universo) e sim o Sol ". Este é o princípio do
heliocentrismo (que tem o Sol do grego hélio - como centro), formulado por
Nicolau Copérnico e marco da concepção moderna de Universo. Segundo o
heliocentrismo, todos os planetas, entre eles a Terra, giram em torno do Sol
descrevendo órbitas circulares.
Nicolau
Copérnico - ( 1473
- 1543) nasce em Torum, na Polônia. Estuda matemática, os clássicos gregos,
direito canônico ( em Bolonha, na Itália) e medicina (em Pádua, Itália) e só
depois se dedica exclusivamente à área que realmente lhe interessava: a
astronomia. Em 1513 constrói um observatório e começa a estudar o movimento dos
corpos celestes. A partir dessas observações, escreve Das revoluções dos corpos
celestes com os princípios do heliocentrismo. Copérnico revoluciona a idéia que
o homem tinha de si mesmo (visto como imagem de Deus e por isso centro de tudo)
e dá novo impulso a todas as ciências ao colocar a observação e a experiência
acima da autoridade e dos dogmas.
FÍSICA
CLÁSSICA
O século XVII lança as bases para a Física da era
industrial. Simon Stevin desenvolve a hidrostática, ciência fundamental para
seus país, a Holanda, protegida do mar por comportas e diques. Na óptica,
contribuição equivalente é dada por Christiaan Huygens, também holandês, que
constrói lunetas e desenvolve teorias sobre a propagação da luz. Huygens é o
primeiro a descrever a luz como onda. Mas é Isaac Newton ( 1642-1727),
cientista inglês, o grande nome dessa época: são dele a teoria geral da
mecânica e da gravitação universal e o cálculo infinitesimal.
Isaac
Newton - (1642-
1727) nasce em Woolsthorpe, Inglaterra, no mesmo ano da morte de Galileu.
(começa a estudar na Universidade de Cambridge com 18 anos e aos 26 já se torna
catedrático. Em 1687 publica Princípios matemáticos da filosofia natural. Dois
anos depois é eleito membro do Parlamento como representante da Universidade de
Cambridge. Já em sua época é reconhecido como grande cientista que revoluciona
a Física e a matemática. Preside a Royal Society ( academia de ciência) por 24
anos. Nos últimos anos de vida dedica-se exclusivamente a estudos teológicos.
Cálculo
diferencial - por
volta de 1664, quando a universidade é fechada por causa da peste bubônica,
Newton volta à sua cidade natal. Em casa, desenvolve o teorema do binômio e o
método matemático das fluxões. Newton considera cada grandeza finita resultado
de um fluxo contínuo, o que torna possível calcular áreas limitadas por curvas
e o volume de figuras sólidas. Este método dá origem ao cálculo diferencial e
integral .
Decomposição
da luz - Newton
pesquisa também a natureza da luz. Demonstra que, ao passar por um prisma, a
luz branca se decompõe nas cores básicas do espectro luminoso: vermelho,
laranja, amarelo, verde, azul e violeta.
Leis da mecânica
- A
mecânica clássica se baseia em três leis.
·
Primeira
lei - É a da inércia. Diz que um objeto parado e um objeto em movimento tendem
a se manter como estão a não ser que uma força externa atue sobre eles.
·
Segunda
lei - Diz que a força é proporcional à massa do objeto e sua aceleração. A
mesma força irá mover um objeto com massa duas vezes maior com metade da
aceleração.
·
Terceira
lei - Diz que para toda ação há uma reação equivalente e contrária. Este é o princípio
da propulsão de foguetes: quando os gases "queimados"(resultantes da
combustão do motor) escapam pela parte final do foguete, fazem pressão em
direção oposta, impulsionando-o para a frente.
Gravitação
universal -
observando uma maçã que cai de uma árvore do jardim de sua casa, ocorre a
Newton a idéia de explicar o movimento dos planetas como uma queda. A força de
atração exercida pelo solo sobre a maçã poderia ser a mesma que faz a Lua
"cair" continuamente sobre a Terra.
Principia - Durante os 20 anos seguintes ,
Newton desenvolve os cálculos que demonstram a hipótese da gravitação universal
e detalha estudos sobre a luz, a mecânica e o teorema do binômio. Em 1687
publica Princípios matemáticos da filosofia natural, conhecida como Principia,
obra-prima científica que consolida com grande precisão matemática suas
principais descobertas. Newton prova que a Física pode explicar tanto fenômenos
terrestres quanto celestes e por isso é universal.
FÍSICA
APLICADA
No século XVIII, embora haja universidades e
academias nos grandes centros, mais uma vez é por motivos práticos que a Física
se desenvolve. A revolução industrial marca nova fase da Física. As áreas de
estudos se especializam e a ligação com o modo de produção torna-se cada vez
mais estreita.
TERMODINÂMICA
Estuda as relações entre calor e trabalho.
Baseia-se em dois princípios: o da conservação de energia e o de entropia.
Estes princípios são a base de máquinas a vapor, turbinas, motores de combustão
interna, motores a jato e máquinas frigoríficas.
A partir de uma máquina concebida para retirar a
água que inundava as minas de carvão, o inglês Thomas Newcomen cria em 1698 a
máquina a vapor, mais tarde aperfeiçoada pelo escocês James Watt. É em torno do
desempenho dessas máquinas que o engenheiro francês Sadi Carnot estabelece uma
das mais importantes sistematizações da termodinâmica, delimitando a
transformação de energia térmica (calor) em energia mecânica (trabalho).
Primeiro
princípio - É o da
conservação da energia. Diz que a soma das trocas de energia em um sistema
isolado é nula. Se, por exemplo, uma bateria é usada para aquecer água, a
energia da bateria é convertida em calor mas a energia total do sistema, antes
e depois de o processo começar, é a mesma.
Segundo
princípio - Em
qualquer transformação que se produza em um sistema isolado, a entropia do
sistema aumenta ou permanece constante. Não há portanto qualquer sistema
térmico perfeito no qual todo o calor é transformado em trabalho. Existe sempre
uma determinada perda de energia.
Entropia
- tendência natural da energia se dispersar e da ordem evoluir
invariavelmente para a desordem. O conceito foi sistematizado pelo austríaco
Ludwig Boltzmann ( 1844-1906) e explica o desequilíbrio natural entre trabalho
e calor.
Zero absoluto
- 0
Kelvin (equivalente a -273,15º C ou -459,6º F) ou "zero absoluto" não
existe em estado natural. A esta temperatura a atividade molecular (atômica) é
nula.
Lord
Kelvin - (1824-
1907) é como ficou conhecido o físico irlandês William Thomson, barão Kelvin of
Largs. Filho de matemático, forma-se em Cambridge e depois se dedica à ciência
experimental. Em 1832 descobre que a descompressão dos gases provoca
esfriamento e cria uma escala de temperaturas absolutas.
ELETROMAGNETISMO
Em 1820, o dinamarquês Hans Oersted relaciona
fenômenos elétricos aos magnéticos ao observar como a corrente elétrica
alterava o movimento da agulha de uma bússola. Michel Faraday inverte a
experiência de Oersted e verifica que os magnetos exercem ação mecânica sobre
os condutores percoridos pela corrente elétrica e descobre a indução
eletromagnética, que terá grande aplicação nas novas redes de distribuição de
energia.
Indução
eletromagnética - Um
campo magnético (variável) gerado por uma corrente elétrica (também variável) pode
induzir uma corrente elétrica em um circuito. A energia elétrica também pode
ser obtida a partir de uma ação mecânica: girando em torno de um eixo, um
enrolamento de fio colocado entre dois imãs provoca uma diferença de potencial
(princípio do dínamo).
Michael
Faraday -
(1791-1867) é um caso raro entre os grandes nomes da ciência. Nasce em
Newington, Inglaterra. Começa a trabalhar aos 14 anos como aprendiz de
encadernador. Aproxima-se das ciências como autodidata e depois torna-se
assistente do químico Humphy Davy. Apesar de poucos conhecimentos teóricos, o
espírito de experimentação de Faraday o leva a importantes descobertas para a
química e Física. Consegue liquefazer praticamente todos os gases conhecidos.
Isola o benzeno. Elabora a teoria da eletrólise, a indução eletromagnética e
esclarece a noção de energia eletrostática.
Raios
catódicos - São
feixes de partículas produzidos por um eletrodo negativo (cátodo) de um tubo
contendo gás comprimido. São resultado da ionização do gás e provocam luminosidade.
Os raios catódicos são identificados no final do século passado por Willian
Crookes. O tubo de raios catódicos é usado em osciloscópios e televisões.
Raios X - Em 1895 Wilhelm Konrad von
Röntgen descobre acidentalmente os raios X quando estudava válvulas de raios
catódicos. Verificou que algo acontecia fora da válvula e fazia brilhar no
escuro focos fluorescentes. Eram raios capazes de impressionar chapas
fotográficas através de papel preto. Produziam fotografias que revelavam moedas
nos bolsos e os ossos das mãos. Estes raios desconhecidos são chamadas
simplesmente de "x" .
Wilhelm
Konrad von Röntgen -
(1845-1923) nasce em Lennep, Alemanha, e estuda Física na Holanda e na Suíça .
Realiza estudos sobre elasticidade, capilaridade, calores específicos de gases,
condução de calor em cristais e absorção do calor por diferentes gases. Pela
descoberta dos raios X recebe em 1901 o primeiro prêmio Nobel de Física da
História.
Radiatividade
- É a desintegração espontânea do núcleo atômico de alguns elementos (urânio,
polônio e rádio), resultando em emissão de radiação. Descoberta pelo francês
Henri Becquerel ( 1852 - 1909) poucos meses depois da descoberta dos raios X.
Becquerel verifica que, além de luminosidade, as radiações emitidas pelo urânio
são capazes de penetrar a matéria.
Dois anos depois, Pierre Curie e sua mulher, a
polonesa Marie Curie, encontram fontes radiativas muito mais fortes que o
urânio. Isolam o rádio e o polônio e verificam que o rádio era tão potente que
podia provocar ferimentos sérios e até fatais nas pessoas que dele se
aproximavam.
Tipos de
radiação -
Existem três tipos de radiação; alfa, beta e gama. Á radiação alfa é uma
partícula formada por um átomo de hélio com carga positiva. Radiação beta é
também uma partícula, de carga negativa, o elétron. A radiação gama é uma onda
eletromagnética. As substâncias radiativas emitem continuamente calor e têm a
capacidade de ionizar o ar e torná-lo condutor de corrente elétrica. São
penetrantes e ao atravessarem uma substância chocam-se com suas moléculas.
ESTRUTURA
DO ÁTOMO
Em 1803 , John Dalton começa a apresentar sua
teoria de que a cada elemento químico corresponde um tipo de átomo . Mas é só
em 1897, com a descoberta do elétron, que o átomo deixa de ser uma unidade
indivisível como se acreditava desde a Antiguidade.
Descoberta
do elétron - Em
1897 Joseph John Thomson, ao estudar os raios X e raios catódicos, identifica
partículas de massa muito pequena, cerca de 1.800 vezes menores que a do átomo
mais leve. Conclui que o átomo não é indivisível mas composto por partículas
menores.
Modelo
pudim -
Thomson diz que os átomos são formados por uma nuvem de eletricidade positiva
na qual flutuam, como ameixas em volta de um pudim, partículas de carga
negativa - os elétrons.
Modelo
planetário - Em
1911 Ernest Rutherford bombardeia uma lâmina de ouro com partículas em alta
velocidade. Observa que algumas partículas atravessam o anteparo e outras
ricocheteiam. Descobre que existem espaços vazios no átomo, por isso algumas
partículas passaram pela lâmina. Verifica também que há algo consistente contra
o que outras partículas se chocaram e refletiram. Conclui que o átomo possui um
núcleo (de carga positiva) em volta do qual orbitam elétrons, como planetas
girando em torno do Sol. O modelo planetário é aperfeiçoado por Niels Bohr com
fundamentos da Física quântica.
Prótons - 1919 Rutherford desintegra o
núcleo de nitrogênio e detecta partículas nucleares de carga positiva. Elas
seriam chamadas de prótons. Segundo Rutherford, o núcleo é responsável pela maior
massa do átomo. Anuncia a hipótese de existência do nêutron, confirmada apenas
13 anos depois.
Nêutrons
- 1932
James Chadwick membro da equipe, de Rutherford, descobre os nêutrons,
partículas nucleares com a mesma massa do próton mas com carga elétrica neutra.
Ernest
Rutherford - (1871
- 1937) nasce em Nelson, na Nova Zelândia, onde começa a estudar Física. Suas
maiores contribuições foram as pesquisas sobre radiatividade e teoria nuclear.
Em 1908 cria um método para calcular a energia liberada nas transformações
radiativas e recebe o prêmio Nobel de química. Em 1919 realiza a primeira
transmutação induzida e transforma um núcleo de nitrogênio em oxigênio através
do bombardeamento com partículas alfa. A partir daí dedica-se a realizar
transmutações de vários tipos de elementos. Em 1931 torna-se o primeiro barão
Rutherford de Nelson
ERA
QUÂNTICA
A grande revolução que leva a Física à modernidade
e a teoria quântica, que começa a se definir no fim do século XIX . É a
inauguração de uma nova "lógica" resultante das várias pesquisas
sobre a estrutura do átomo, radiatividade e ondulatória.
Max Planck é quem define o conceito fundamental da
nova teoria - o quanta. Mas a teoria geral é de autoria de um grupo
internacional de físicos, entre os quais: Niels Bohr (Dinamarca), Louis De
Broglie (França), Erwin, Shrödinger e Wolfgang , Pauli (Áustria), Werner
Heisenberg (Alemanha), e Paul Dirac (Inglaterra).
Quanta - Em 1900 o físico alemão Max
Planck afirma que as trocas de energia não acontecem de forma continua e sim em
doses, ou pacotes de energia, que ele chama de quanta. A introdução do conceito
de descontinuidade subverte o princípio do filósofo alemão Wilhelm Leibniz
(1646-1716), "natura non facit saltus"( a natureza não dá saltos),
que dominava todos os ramos da ciência na época.
Max
Planck -
(1858-1947) nasce em Kiel, Alemanha. Filho de juristas, chega a oscilar entre a
carreira musical e os estudos científicos. Decide-se pela Física e se dedica à
carreira acadêmica até o fim da vida. Em 14 de dezembro de 1900, durante uma
reunião da Sociedade Alemã de Física, apresenta a noção de "quanta
elementar de ação". Em sua autobiografia Planck diz que na época não
previa os efeitos revolucionários dos quanta. Em 1918 recebe o prêmio Nobel de
Física.
Modelo
quântico do átomo - Surge
em 1913, elaborado por Niels Bohr (1885-1962). Segundo ele, os elétrons estão
distribuídos em níveis de energia característicos de cada átomo. Ao absorver um
quanta de energia, um elétron pode pular para outro nível e depois voltar a seu
nível original, emitindo um quanta idêntico.
Dualidade Quântica
A grande marca da mecânica quântica é a introdução
do conceito de dualidade e depois, com Werner Heisenberg, do princípio de
incerteza. Para a mecânica quântica, o universo é essencialmente
não-deterministico. O que a teoria oferece é um conjunto de prováveis
respostas. No lugar do modelo planetário de átomo, com elétrons orbitando em
volta de um núcleo, a quântica propõe um gráfico que indica zonas onde eles têm
maior ou menor probabilidade de existir. Toda matéria passa a ser entendida
segundo uma ótica dual: pode se comportar como onda ou como partícula. É o
rompimento definitivo com a mecânica clássica, que previa um universo
determinístico.
Princípio
da incerteza - Em
1927 Werner Heisenberg formula um método para interpretar a dualidade da
quântica, o princípio da incerteza. Segundo ele, pares de variáveis
interdependentes como tempo e energia, velocidade e posição, não podem ser
medidos com precisão absoluta. Quanto mais precisa for a medida de uma
variável, mais imprecisa será a segunda. "Deus não joga dados", dizia
Albert Einstein, negando os princípios na nova mecânica.
RELATIVIDADE
A teoria da relatividade surge em duas etapas e
altera profundamente as noções de espaço e tempo. Enquanto a mecânica quântica
é resultado do trabalho de vários físicos e matemáticos, a relatividade é fruto
exclusivo das pesquisas de Albert Einstein.
Relatividade
Restrita - Em
1905 ele formula a Teoria da Relatividade Restrita (ou especial), segundo a
qual a distância e o tempo podem ter diferentes medidas segundo diferentes
observadores. Não existe portanto tempo e espaço absolutos como afirmara Newton
no Principia, mas grandezas relativas ao sistema de referência segundo o qual
elas são descritas.
Raios
simultâneos -
Einstein dá o exemplo dos raios e o trem. Dois indivíduos observam dois raios
que atingem simultaneamente as extremidades de um trem (que anda em velocidade
constante em linha reta) e chamuscam o chão. Um homem está dentro do trem,
exatamente na metade dele. O segundo indivíduo está fora, bem no meio do trecho
entre as marcas do raio. Para o observador que está no chão, os raios caem
simultaneamente. Mas o homem no trem dirá que os raios caíram em momentos
sucessivos, porque ele, ao mesmo tempo que se desloca em direção ao relâmpago
da frente, se afasta do relâmpago que cai na parte traseira. Este último
relâmpago deve percorrer uma distância maior do que o primeiro para chegar até
o observador. Como a velocidade da luz é constante, o relâmpago da frente
"chega" antes que o de trás.
Relatividade
Geral - Dez anos
depois, Einstein estende a noção de tempo-espaço à força da gravidade. A Teoria
Geral da Relatividade (1916), classificada pelo próprio Einstein como
"bonita esteticamente", é também uma teoria da gravidade capaz de
explicar a força de atração pela geometria tempo-espaço .
A fórmula
relativa - A
"revolução" de Einstein Torna popular a fórmula Física E= mc2
(energia é igual a massa vezes o quadrado da velocidade da luz). A equivalência
entre massa e energia (uma pequena quantidade de massa pode ser transformada em
uma grande quantidade de energia) permite explicar a combustão das estrelas e
dar ao homem maior conhecimento sobre a matéria. É a expressão teórica das
enormes reservas de energia armazenadas no átomo na qual se baseiam os
artefatos nucleares.
Bomba
atômica -
Artefato nuclear explosivo que atinge seu efeito destrutivo através da energia
liberada na quebra de átomos pesados (urânio 235 ou plutônio 239). Armas
atômicas foram superadas pelas bombas termonucleares, que têm maior poder
destrutivo. As bombas termonucleares (bomba H e bomba de nêutrons) agem por
meio de ondas de pressão ou ondas térmicas. Produzem essencialmente radiação,
mortal para os seres vivos, sem destruir bens materiais. São bombas de fusão
detonadas por uma bomba atômica e podem ter o tamanho de um paralelepídedo.
Velocidade
relativa - A
relatividade também revoluciona a noção de velocidade. Ao demostrar que todas
as velocidades são relativas, explica que, apesar do movimento, nenhuma
partícula poderia se deslocar a uma velocidade superior à da luz ( 299.792.458
metros por segundo). À medida que se aproximasse dessa velocidade, a energia e
a massa da partícula também aumentariam, tomando cada vez mais difícil a
aceleração.
Geometria
espaço-tempo -
Enquanto Newton descrevera a gravitação como uma queda, para Einstein é uma
questão espacial. Quando um corpo está livre, isto é, sem influência de
qualquer força, seus movimentos apenas exprimem a qualidade de espaço-tempo. A
presença de um corpo em determinado local causa uma distorção no espaço
próximo.
Espaço
curvo - Um raio
de luz proveniente de uma estrela distante parece sofrer uma alteração de
trajetória ao passar perto do Sol. Isto não é causado por qualquer força de
atração, diz Einstein. Em função da enorme massa do Sol, o espaço a sua volta
está deformado. É como se ele estivesse " afundado". O raio apenas
acompanha esta curvatura, mas segue sua rota natural. E se a matéria encurva o
espaço, é possível admitir que todo o Universo é curvo. A confirmação
experimental do espaço curvo só acontece em 1987, com a observação de galáxias
muito distantes.
Albert
Einstein -
(1879-1955) nasce um Ulm, Alemanha, em 1879. Chega a ser considerado deficiente
mental porque até 4 anos não fala fluentemente. Durante o secundário, é
considerado pelos professores um estudante medíocre. Mas, fora da escola,
Einstein mostra desde jovem interesse pela matemática. Começa seus estudos de
matemática e Física na Alemanha e depois assume nacionalidade suíça. Em 1921
recebe o prêmio Nobel. No apogeu do nazismo vai para os EUA e se naturaliza
norte-americano. Depois da 2a guerra, passa a defender o controle internacional
de armas nucleares. Morre em Princeton, EUA.
PARTÍCULAS
SUBATÔMICAS
A história das partículas que compõem o átomo é
bastante recente. Só em 1932 confirma-se que os átomos são formados por
nêutrons, prótons e elétrons. Em seguida são encontradas partículas ainda
menores como o pósitron, o neutrino e o méson - uma partícula internuclear de
vida curtíssima (um décimo milésimo milionésimo de segundo).
Quarks e
léptons - Hoje
já se conhecem 12 tipos de partículas elementares. Elas são classificadas em
duas famílias: quarks e léptons. Estes são os tijolos da matéria. Há seis
gerações de partículas quark e seis de léptons. A primeira geração de quarks é
a dos upe down (alto e baixo), que formam, por exemplo, os nêutrons e os
prótons.
Os quarks de segunda e terceira geração, os charm e
strange (charme e estranho) e os bottom e top (base e topo), existiram em
abundância no início do Universo. Hoje, são partículas muito raras e só
recentemente foram identificadas. O quark top foi detectado pela primeira vez
em abril do ano passado. Os mésons também são formados por quarks . A família
dos leptons reúne gerações de partículas mais leves. Entre eles, os mais
conhecidos são o elétron e o neutrino.
O tamanho
do átomo - O
diâmetro de um átomo é de aproximadamente 10-10 m, ou um centésimo milionésimo
de centímetro. Se uma laranja fosse ampliada até ter o tamanho da Terra, seus
átomos teriam o tamanho de cerejas. Uma proporção semelhante é a que existe
entre o átomo e o núcleo dele. Se um átomo pudesse ser ampliado e ter o tamanho
de uma sala de aula, ainda assim o núcleo não seria visível a olho nu.
Estudo do
núcleo - Apesar
de todo avanço tecnológico, nunca foi possível ver o interior do átomo. Para
descobrir características e propriedades das partículas, os físicos usam
métodos indiretos de observação. Bombardeiam núcleos atômicos e depois
verificam os "estragos". Registram as ocorrências e fazem curvas de
comportamento. Depois fazem abstrações matemáticas (modelos) que serão testados
para confirmação.
Aceleradores
de partículas - Os
aceleradores são os aparelhos desenvolvidos para "olhar " o núcleo
atômico. São eles que fornecem altas doses de energia para que partículas
possam romper o campo de força que envolve o núcleo e atingi-lo. Essas
partículas podem ser elétrons, prótons, antiprótons. Em grandes anéis
circulares ou túneis, as partículas são aceleradas em direção oposta e produzem
milhares de colisões por segundo. Um detector registra o rastro das partículas
que resultam de cada choque e um computador seleciona as colisões a serem
analisadas.
TENDÊNCIAS
ATUAIS
A fusão nuclear controlada e a Física dos primeiros
instantes do Universo são atualmente os campos mais desafiantes da fisica.
Fusão
Nuclear Controlada - A
fusão nuclear é um processo de produção de energia a partir do núcleo do átomo.
Este fenômeno ocorre naturalmente no interior do Sol e da estrelas. Núcleos
leves como o do hidrogênio e seus isótopos - o deutério e o trítio -se fundem e
criam elementos de um núcleo mais pesado, como o hélio. Neste processo, há uma
enorme liberação de energia. Até hoje, só foi possível produzir energia nuclear
pela fissão (quebra) do núcleo dos átomos. Esta "quebra"resulta em
energia, mas libera resíduos radiativos e por isso não pode ser considerada uma
fonte segura.
Combustível
nuclear - Um dos
desafios da Física atual é reproduzir o processo de fusão de maneira controlada
e obter combustível nuclear. Será uma alternativa mais econômica e limpa. Pode
ser obtida a partir de matéria-prima abundante (água) e sem efeitos poluidores
(como o monóxido de carbono, resultante da queima de combustíveis, ou a
radiação).
Deutério
- O combustível para a fusão, o deutério, é um isótopo de hidrogênio abundante
na água. Na fusão nuclear, uma única gota de deutério (obtida a partir de 4
litros de água comum) produziria energia equivalente à queima de 1.200 litros
de petróleo.
Teoria do
Campo Unificado - Neste
campo, as teorias sobre a evolução do Universo a partir do seu momento inicial,
o Big Bang (Grande Explosão), se encontra com as teorias das partículas
elementares. A hipótese aceita hoje em dia é que, logo após o Big Bag, teria se
formado uma espécie de "sopa" superquente de partículas básicas das
quais se constitui toda a matéria e que, ao se resfriarem, teriam dado origem à
matéria em seu estado atual. O grande desafio é estabelecer uma teoria do campo
unificado que descreva a ação das forças fundamentais (gravitacionais,
eletromagnéticas e nucleares) num único conjunto de equações ou a partir de um
princípio geral, que seria a "força" presente no início dos tempos.
ESPECIALIZAÇÕES
DA FÍSICA
Cosmologia
e Astrofísica - Tratam
da natureza do universo físico, sua origem, evolução e possíveis extensões
espaço-temporais.
Física
atômica, molecular e de polímeros - Dedicam-se à descrição da estrutura e das
propriedades de sistemas de muitos elétrons, como os átomos complexos, ou como
moléculas e compostos orgânicos.
Física da
matéria condensada e do estado sólido - Ocupa-se das propriedades gerais dos materiais,
como cristais, vidros ou cerâmicas. Tem como subespecializações a Física de
semicondutores e a Física de superfícies.
Física
nuclear - Estuda
a estrutura nuclear e os mecanismos de reação, emissão de radiatividade
natural, de fissão e fusão nuclear.
Física
dos plasmas - Estuda
a matéria a centenas de milhares de graus ou mesmo a milhões de graus de
temperatura, estado em que a estrutura atômica regular é desfeita em íons e
elétrons ou em que ocorrem fusões nucleares, como no Sol e nas demais estrelas.
Física
das partículas elementares - Trata dos constituintes fundamentais da matéria.
Física
das radiações - Estuda
os efeitos produzidos pela absorção da energia da radiação eletromagnética em
geral ou da radiação ionizante em particular.
Gravitação
e relatividade geral - Tratam
das propriedades geométricas do espaço/tempo, como decorrentes das
concentrações de massa no Universo.
Mecânica
dos fluídos - Estuda
as propriedades gerais e as leis de movimento dos gases e dos líquidos.
Óptica - Estuda propriedades e efeitos
de fontes de luz (como os raios laser), de transmissores de luz (como as fibras
ópticas) e de fenômenos e instrumentos ópticos (como o arco-íris e os
microscópios).
A
DESCOBERTA DA RADIOATIVIDADE
Introdução
Quase todos já ouviram falar sobre a descoberta da
radioatividade, que é um fenômeno pelo qual os núcleos atômicos sofrem
transformações e emitem radiações, podendo, nesse processo, formar novos
elementos químicos. Costuma-se dizer que esse fenômeno foi descoberto,
acidentalmente, por Henri Becquerel, em 1896. Tudo aconteceu porque Becquerel
guardou, em uma gaveta, um composto de urânio juntamente com uma chapa
fotográfica, havendo depois revelado a chapa e notado nela os sinais da
radiação.
A
história não é bem assim. Dificilmente se poderia afirmar que Becquerel
descobriu a radioatividade; e aquilo que ele de fato descobriu não foi fruto do
acaso.
Este
capítulo mostrará qual foi o trabalho de Becquerel, o longo e tortuoso caminho
que levou à descoberta da radioatividade e discutirá as dificuldades de
compreensão dos fatos que eram observados. Esse episódio é muito instrutivo,
por mostrar claramente como as expectativas teóricas podem influenciar as
próprias observações, levando o pesquisador a ver coisas que não existem.
A radiação dos corpos luminescentes
A descoberta dos raios X suscitou quase
instantaneamente um grande número de trabalhos na Academia de Ciências de Paris,
e foi a principal motivação para o trabalho inicial de Becquerel. Nesse
sentido, destaca-se, em particular, a hipótese levantada por Poincaré, de que
havia uma relação entre a emissão dos raios X e a fluorescência do vidro de que
era feito o tubo de raios X. Nas suas próprias palavras:
"É, portanto, o vidro que emite os raios
Roentgen, e ele os emite tornando-se fluorescente. Podemos nos perguntar se
todos os corpos cuja fluorescência seja suficientemente intensa não emitiriam,
além de raios luminosos, os raios X de Roentgen, qualquer que seja a causa de
sua fluorescência. Os fenômenos não seriam então associados a uma causa
elétrica. Isso não é muito provável, mas é possível e, sem dúvida, fácil de
verificar".
É a busca dessa relação entre fluorescência e raios
X que irá levar aos estudos de Becquerel. Na verdade, de acordo com os nossos
conhecimentos atuais, não existe relação direta entre a emissão de raios X e a
luminescência. Mas é graças a essa pista falsa que muitas descobertas serão
feitas.
Vários trabalhos relacionados com a descoberta de
Roentgen foram apresentados na Academia nas primeiras sessões de 1896. Na
sessão de 03/02/1896, Nodon informa que um arco voltaico não produz raios X,
mas Moreau comunica que eles são emitidos pela descarga de alta voltagem de uma
bobina de indução, sem a utilização de um tubo de vácuo e, portanto, sem raios
catódicos. Benoist e Hurmuzescu observam que os raios X são capazes de
descarregar um eletroscópio. Na outra semana (10/02/1896) aparece o primeiro
trabalho destinado a testar a sugestão de Poincaré.
Nessa sessão, Poincaré apresenta à Academia um
trabalho de Charles Henry. Ele testa inicialmente se o sulfeto de zinco
fosforescente é capaz de aumentar o efeito dos raios X e conclui que sim: se um
objeto metálico é parcialmente recoberto com uma camada de sulfeto de zinco, a
radiografia desse objeto fica mais forte e nítida na região recoberta do que na
região sem sulfeto de zinco. Ainda mais: utilizando a luz produzida pela queima
de uma fita de magnésio, em laboratório, Henry afirma ter conseguido obter
efeitos iguais aos de uma radiografia, bastando recobrir o objeto com uma
camada de sulfeto de zinco. A hipótese de Poincaré parecia estar confirmada.
Na semana seguinte (17/02/1896), entre a já usual
profusão de estudos sobre os raios X, surge um trabalho de Niewenglowski que
confirma e amplia os resultados de Henry. Ele utiliza outro material
fosforescente - o sulfeto de cálcio. Eis sua descrição:
"Tendo envolvido uma folha de papel
sensível ordinário (papel fotográfico) com diversas camadas de papel agulha
negro ou vermelho, coloquei acima dela duas moedas e recobri uma das metades
(da folha) com uma placa de vidro com pó fosforescente (sulfeto de cálcio).
Depois de quatro ou cinco horas de exposição ao Sol, a metade do papel sensível
que havia recebido diretamente as radiações solares havia permanecido intacta e
não apresentava nenhum sinal da moeda colocada acima dela, indicando assim que
o papel negro ou vermelho não havia sido atravessado pela luz. A metade que só
recebia os raios solares através da placa fosforescente estava completamente
enegrecida, exceto pela porção correspondente a uma das moedas, da qual foi
produzida uma silhueta branca sobre (um fundo) negro. Colocando apenas uma
camada de papel vermelho fino, permitindo a passagem dos raios solares,
constatei que a porção do papel sensível que só recebia as radiações solares
após sua passagem pela camada fosforescente enegrecia muito mais rapidamente do
que a outra".
As observações de Niewenglowski corroboravam as de
Charles Henry: os materiais fosforescentes pareciam emitir raios X, quando
iluminados. Ainda mais: Niewenglowski estuda o efeito da fosforescência do
sulfeto de cálcio colocado em um local escuro, depois de ter recebido a luz do
Sol, concluindo que também nesse caso o material continuava a emitir radiações
capazes de atravessar o papel negro:
"Pude também observar que a luz emitida
pelo pó fosforescente, previamente iluminado pelo Sol, na obscuridade, era
capaz de atravessar várias camadas de papel vermelho e obscurecer um papel
sensível que dele estava separado por essas camadas de papel".
Passa-se mais uma semana. Na sessão de 24/02/1896,
Piltchikof anuncia que, utilizando uma substância fortememente fluorescente
dentro do tubo de Crookes, no local onde os raios catódicos atingem a parede de
vidro, observou um grande aumento da intensidade dos raios X, permitindo a
realização de radiografias em 30 segundos (anteriormente, eram necessários
vários minutos). A sugestão de Poincaré já estava, portanto, resultando em
importantes aplicações técnicas. Todos esses resultados espantarão a qualquer
físico moderno. Não se conhece, atualmente, nenhum efeito semelhante a esse
descrito por tais autores. As experiências não deveriam ter proporcionado os
resultados observados. O que aconteceu? Não se sabe.
Nessa mesma sessão da Academia, aparece o primeiro
trabalho de Henri Becquerel sobre o assunto.
A CONTRIBUIÇÃO DE
HENRI BECQUEREL
Henri
Becquerel pertencia a uma ilustre família de cientistas. Seu avô, Antoine
Becquerel, nascido em 1788, foi um importante investigador dos fenômenos
elétricos e magnéticos, tendo publicado um grande tratado sobre o assunto. O
pai de Henri, Edmond Becquerel (1821-1891), notabilizou-se por seus estudos a
respeito das radiações ultravioleta e dos fenômenos de fosforescência e
fluorescência. Especialmente de 1859 a 1861, estudara os sulfetos de cálcio, de
bário, de estrôncio e outros. Entre os materiais que estudou estavam incluídos
alguns sais de urânio.
No
laboratório de seu pai, Henri Becquerel desenvolveu seu treino cientifico e
realizou suas primeiras pesquisas - quase todas sobre óptica e muitas delas, no
período de 1882 a 1897, sobre fosforescência. Entre outras coisas, estudou a
fosforescência invisível (no infravermelho) de várias substâncias. Estudou, em
particular, os espectros de fluorescência de sais de urânio, utilizando
amostras que seu pai havia acumulado ao longo dos anos.
Nada
era mais natural do que o interesse de Henri Becquerel pelos raios X e, mais
particularmente, pela conjectura de Poincaré e pelos trabalhos de Henry e
Niewenglowski. De fato: parecia simplesmente que, além de poderem emitir
radiação visível e infravermelha, os corpos luminescentes podiam também emitir
raios X. Becquerel resolve fazer experimentos sobre o assunto. Reproduziremos,
abaixo, o texto completo da primeira nota de Henri sobre o assunto, apresentada
à Academia no dia 24/02/1896 (dois meses após a divulgação da descoberta dos
raios X):
"Em
uma reunião precedente [da Academia de Ciências Francesa], Charles
Henry notificou que, ao se colocar sulfeto de zinco fosforescente no caminho
dos raios que saem de um tubo de Crookes, aumentava a intensidade das radiações
que penetram o alumínio. Além disso, Niewenglowski descobriu que o
sulfeto de cálcio fosforescente, comercial, emite radiações que penetram em
substâncias opacas. Esse comportamento se estende a várias substâncias
fosforescentes e, em particular, aos sais de urânio, cuja fosforescência tem
uma duração muito curta. Com o sulfato duplo de urânio e potássio, de
que possuo alguns cristais sob a forma de uma crosta transparente, fina,
realizei a seguinte experiência: Envolve-se uma chapa fotográfica de Lumiére em
duas folhas de papel negro muito espesso, de tal forma que a chapa não se
escureça mesmo exposta ao Sol durante um dia. Coloca-se uma placa da substância
fosforescente sobre o papel, do lado de fora, e o conjunto é exposto ao Sol
durante várias horas. Quando se revela a chapa fotográfica, surge a silhueta da
substância fosforescente, que aparece negra no negativo. Se for colocada uma
moeda ou uma chapa metálica perfurada, entre a substância fosforescente e o
papel, a imagem desses objetos poderá ser vista no negativo. As mesmas
experiências podem ser repetidas colocando-se uma chapa fina de vidro entre a
substância fosforescente e o papel; e isso exclui a possibilidade de qualquer
ação química por vapores que pudessem sair da substância ao ser aquecida pelos
raios do Sol. Pode-se concluir dessas experiências que a substância
fosforescente em questão emite radiações que penetram um papel opaco à luz e
reduzem sais de prata [sensibilizam o papel fotográfico]".
Note-se
que Becquerel conhece os trabalhos anteriores de Henry e Niewenglowski e que
reproduz, sem grande alteração, o experimento do segundo. Apenas testou uma
nova substância - o sulfato duplo de uranila e potássio - confirmando, também
nesse caso, a hipótese de Poincaré.
Na
semana seguinte (02/03/1896), d’Arsonval descreve ter obtido radiografias
utilizando uma lâmpada fluorescente e recobrindo os objetos a serem
radiografados com um vidro fluorescente contendo um sal de urânio. Conclui
nesse artigo que todos os corpos que emitem radiações fluorescentes amarelo-esverdeadas
são capazes de impressionar chapas fotográficas recobertas por papel opaco à
luz.
É
nessa mesma sessão da Academia que Becquerel apresenta uma segunda nota, que é
comumente descrita como representando a descoberta da radioatividade. Cortés
Pla é um dos que comete esse erro, apesar de haver lido (e traduzido) os
artigos de Becquerel: "Uma semana depois, no dia 2 de março, a
Academia escuta o resultado de novas investigações que imortalizariam o nome de
Becquerel, já que nelas se descreve a existência de um novo fenômeno: a
radioatividade..." [ref. 6, p. 32].
Nessa
segunda nota, Becquerel prossegue o estudo dos efeitos produzidos pelo sulfato
duplo de uranila e potássio. Varia o experimento anterior, observando que as
radiações emitidas por esse material são menos penetrantes do que os raios X
comuns. Nota também que a emissão da radiação penetrante ocorre tanto no caso
em que o material fosforescente é iluminado diretamente pelo Sol quanto ao ser
iluminado por luz refletida ou refratada. Observa também que, mesmo no escuro,
o material estudado sensibiliza chapas fotográficas (como o sulfeto de cálcio
de Niewenglowski). Eis a transcrição dessa parte do artigo:
"Insistirei
particularmente sobre o seguinte fato, que me parece muito importante e alheio
ao domínio dos fenômenos que se poderia esperar observar. As mesmas lamelas
cristalinas, colocadas junto a chapas fotográficas, nas mesmas condições,
isoladas pelos mesmos anteparos, mas sem receber excitação por incidência de
radiação e mantidas na obscuridade, ainda produzem as mesmas impressões
fotográficas. Eis de que maneira fui levado a fazer essa observação: dentre as
experiências precedentes, algumas foram preparadas na quarta-feira, 26, e na
quinta-feira, 27 de fevereiro; e como, nesses dias, o Sol apareceu apenas de
modo intermitente, conservei as experiências que havia preparado e coloquei as
placas com seus envoltórios na obscuridade de uma gaveta de um móvel, deixando
as lâminas do sal de urânio em seu lugar”.
“Como
o Sol não apareceu de novo nos dias seguintes, revelei as placas fotográficas a
1o de março, esperando encontrar imagens muito fracas. Ao contrário, as
silhuetas apareceram com grande intensidade. Pensei logo que a ação devia ter
continuado na obscuridade e preparei a experiência seguinte: No fundo de uma
caixa de cartão opaco coloquei uma placa fotográfica; depois, sobre o lado
sensível, coloquei uma lamela de sal de urânio, lamela convexa [com a
parte central mais alta] e que tocava a gelatina apenas em poucos pontos;
então, ao lado, na mesma placa, coloquei outra lâmina do mesmo sal, separada da
gelatina por uma fina lâmina de vidro. Após realizar essa operação, na sala
escura, a caixa foi fechada, então colocada dentro de outra caixa de papelão e
por fim dentro de uma gaveta. Repeti o processo com um receptáculo
fechado por uma folha de alumínio, em que coloquei uma chapa fotográfica, e, do
lado de fora, uma lamela do sal de urânio”.
“O
conjunto foi fechado em uma caixa de papelão opaco e depois em uma gaveta. Após
cinco horas, revelei as placas e as silhuetas das lâminas cristalinas
apareceram em negro, como nas experiências precedentes, como se tivessem se
tornado fosforescentes pela luz. Em relação à lamela colocada diretamente sobre
a gelatina, praticamente não havia diferença entre os efeitos nos pontos de
contato e das partes da lamela que estavam separadas da gelatina por cerca de
um milímetro; a diferença pode ser atribuída às diferentes distâncias das
fontes das radiações ativas. A ação da lamela colocada sobre o vidro estava um
pouco enfraquecida, mas a forma da lamela foi muito bem reproduzida.
Finalmente, através da folha de alumínio, a ação foi consideravelmente
enfraquecida, mas apesar disso, era muito nítida”.
“É
importante notar que este fenômeno não parece dever ser atribuído a radiações
luminosas emitidas por fosforescência, já que após 1/100 de segundo estas
radiações se tornam tão fracas que são quase imperceptíveis”.
“Uma
hipótese que surge muito naturalmente ao espírito seria a suposição de que
essas radiações, cujos efeitos possuem uma forte analogia com os efeitos
produzidos pelas radiações estudadas por Lenard e Roentgen, poderiam ser
radiações invisíveis emitidas por fosforescência, cuja duração de persistência
fosse infinitamente maior do que a das radiações luminosas emitidas por essas
substâncias. No entanto, as experiências presentes, sem serem contrárias a essa
hipótese, não permitem formulá-la. As experiências que estou desenvolvendo
agora poderão, espero, contribuir com algum esclarecimento sobre esse novo tipo
de fenômeno".
Note-se
que não há quase nada de novo nesse "novo tipo de fenômeno". A única
novidade é que a fosforescência invisível parecia durar muito mais do que a
fosforescência visível (o que não era, de modo algum, contrário ao que se
conhecia).
Em
outro artigo de revisão sobre os raios X, publicado nesse mesmo mês, Raveau
descreve os estudos de Charles Henry, Niewenglowski, Piltchikof, d’Arsonval e
Becquerel como sendo, todos eles, casos especiais do fenômeno previsto por
Poincaré e descoberto por Charles Henry.
Na
semana seguinte (09/03/1896), em meio à quota usual de artigos sobre raios X,
Battelli e Gambasso estudam o papel de substâncias fluorescentes no aumento do
efeito dos raios de Roentgen. Troost estuda o sulfeto de zinco fosforescente
(blenda) e repete e confirma as observações de Charles Henry, obtendo fortes
imagens radiográficas ao excitar a fosforescência por meio da luz do magnésio.
Troost cita também os trabalhos de Niewenglowski e Becquerel. Por sua vez,
Henri Becquerel apresenta uma terceira comunicação. Nela, afirma que a radiação
emitida pelo sal de urânio estudado é capaz de descarregar um eletroscópio
(como os raios X). Era natural tentar repetir com essa radiação todos os tipos
de experimentos já realizados com a radiação de Roentgen, para testar se eram
iguais ou não. No entanto, a principal analogia que parecia atuar na mente de
Becquerel era outra: o fenômeno era muito semelhante à fosforescência invisível
(que ele havia estudado) na qual havia emissão de radiação infravermelha. Ora,
a radiação infravermelha é da mesma natureza da luz e, ao contrário do que
havia sido descrito no caso dos raios X, ela se reflete e refrata. Becquerel
estuda a radiação do sulfato de uranila e potássio e conclui que ela se reflete
em superfícies metálicas e se refrata no vidro comum. Sabe-se, atualmente, que
essa radiação não se reflete, nem se refrata no vidro.
No
mesmo artigo, Becquerel descreve observações nas quais os sais de urânio
continuam a sensibilizar chapas fotográficas mesmo quando o material
fosforescente fica guardado na obscuridade durante 7 dias e observa: "Talvez
esse fato possa ser comparado à conservação indefinida, em certos corpos, da
energia que absorveram e que é emitida quando são aquecidos, fato sobre o qual
já chamei atenção em um trabalho [de 1891] sobre a fosforescência pelo
calor". Nota-se que Becquerel continua a se basear nos fenômenos que
já conhece, não reconhecendo nada de fundamentalmente novo naquilo que estuda.
No
mesmo artigo, Becquerel estuda outros materiais fosforescentes. Alguns deles
são sais de urânio. Com todos eles são observados os mesmos efeitos. Com o
sulfeto de zinco, ao contrário do que Henry e Troost haviam observado,
Becquerel não nota nenhum efeito. No entanto, Becquerel faz observações na
obscuridade - e Henry e Troost haviam feito experimentos enquanto o sulfeto de
zinco era iluminado. Outros materiais fosforescentes (sulfeto de estrôncio e de
cálcio) são examinados. O primeiro não proporciona nenhum efeito, no escuro.
Uma amostra de sulfeto de cálcio que produzia fosforescência alaranjada também
não produz efeitos, mas dois sulfetos de cálcio com luminescências azul e
azul-esverdeado "produziam efeitos muito fortes, os mais intensos que
já obtive nessas experiências. O fato relativo ao sulfeto de cálcio azul está
de acordo com a observação do Sr. Niewenglowski através do papel negro."
Por
nossos conhecimentos atuais, é muito difícil compreender como podem ter
ocorrido os efeitos descritos por Becquerel. As radiações emitidas pelos sais
de urânio, na verdade, não se refletem nem se refratam; e o sulfeto de cálcio
não deveria emitir radiações semelhantes às dos sais de urânio (e, pior ainda,
mais fortes!). Ou existiram efeitos que não podem ser explicados por nossos
conhecimentos, ou Becquerel se enganou em suas observações - e, neste caso,
pode ter sido induzido por suas expectativas teóricas a ver fenômenos
inexistentes. A menos que essas experiências sejam repetidas, com os mesmos
materiais por ele utilizados, não será possível, no entanto, excluir a existência
de fenômenos físicos atualmente ignorados e diferentes da radioatividade.
Passam-se
duas semanas e Becquerel publica novo trabalho (23/03/1896). Nele, descreve
observações de que alguns compostos de urânio que não são luminescentes também
produzem os efeitos antes descritos. Assim sendo, essa fosforescência invisível
parece não ter ligação com a fosforescência ou fluorescência visível. Mas
parece, segundo Becquerel, tratar-se realmente de um caso de fosforescência,
pois ele afirma que a radiação aumenta quando os cristais que estavam no escuro
são expostos à luz solar ou quando são iluminados por uma descarga elétrica -
novamente, o fenômeno descrito não deveria ocorrer, pelo que sabemos. Há outra
observação curiosa, neste artigo. Becquerel afirma que as amostras de sulfeto
de cálcio, que haviam produzido efeitos no escuro, agora não impressionavam
mais as chapas fotográficas.
Como
já se viu, Becquerel acreditava que a radiação que estudava era semelhante à
luz, pois se refletia e refratava, ao contrário dos raios X. No seu artigo
seguinte, descreve experiências com finas lâminas de turmalina e afirma haver
notado efeitos de polarização de sua radiação (outro resultado estranho!).
Continua também a afirmar que o efeito se torna mais forte quando o material é
excitado pela luz (e repete isso também no trabalho seguinte).
Passam-se
agora 7 semanas. Só então Becquerel apresenta nova comunicação. Depois de ter
observado que todos os compostos de urânio (luminescentes ou não) emitiam essas
mesmas radiações invisíveis, Becquerel resolve testar o urânio metálico. Obtém
uma amostra preparada por Moissan (químico que nesse mesmo ano havia isolado o
metal) e verifica que ele também emite a radiação. Ora, isso poderia ter
mostrado que não se tratava de um fenômeno de fosforescência e sim algo de
outra natureza. Mas Becquerel conclui que esse é o primeiro caso de um metal
que apresenta uma fosforescência invisível. Seria natural, a partir daí,
pesquisar a existência de outros elementos que emitissem radiações semelhantes,
mas Becquerel não o faz. Após esse trabalho, de 18 de maio, ele parece se
desinteressar e abandona esse estudo.
Os dois primeiros anos
Como
se pode perceber pela descrição feita até aqui, os trabalhos de Becquerel não
estabeleceram nem a natureza das radiações emitidas pelo urânio nem a natureza
subatômica do processo. Seu trabalho, originado, como o de Charles Henry e
outros, pela hipótese de Poincaré, era apenas um dos muitos, da época, que
apresentavam resultados de difícil interpretação. Visto no contexto da época,
eram pesquisas que não tiveram o impacto nem a fecundidade da descoberta dos
raios X.
Poucos
pesquisadores se dedicaram ao estudo dos "raios de Becquerel" ou
"raios do urânio" até início de 1898. Por um lado, os próprios
compostos luminescentes do urânio (ou o urânio metálico) eram de difícil
obtenção. Por outro lado, Becquerel parecia ter esgotado o assunto. Além disso,
muitos outros fenômenos anunciados na mesma época desviavam a atenção e
apontavam igualmente para aspectos delicados desse tipo de estudos.
No
Japão, em 1896, Muraoka investigou se certos vermes luminescentes eram capazes
de emitir radiações invisíveis penetrantes, capazes de sensibilizar placas
fotográficas. Parecia que sim, mas os resultados eram estranhos: o efeito só
surgia quando os vermes eram mantidos úmidos e quando havia um cartão entre
eles e a placa fotográfica. Concluiu-se, depois, que o efeito era devido apenas
à umidade (pois papel umedecido produzia o mesmo resultado). No mesmo ano,
observou-se que algumas placas metálicas recentemente polidas (de zinco,
magnésio e cádmio) também sensibilizavam chapas fotográficas. Um pesquisador
norte-americano, McKissic, divulgou no mesmo ano que muitas outras substâncias
pareciam emitir raios de Becquerel: cloreto de lítio, sulfeto de bário, sulfato
de cálcio, cloreto de quinina, açúcar, giz, glicose e acetato de urânio. Várias
outras alegações semelhantes surgiram no mesmo período - quase todas sem
fundamento. Tudo isso ajudava a confundir a situação.
Em
um artigo de revisão do assunto publicado em 1898, Stewart descreveu todos os
tipos de trabalhos publicados na época. Chegou à conclusão (provavelmente a
mais aceita, na época) de que os raios de Becquerel eram ondas eletromagnéticas
transversais (como a luz) de pequeno comprimento de onda e que o processo de
emissão era um tipo de fosforescência. Repete os resultados de Becquerel
relativos à reflexão, refração e polarização dos raios de urânio e o aumento de
intensidade da radiação após exposição à luz. Adota, essencialmente, a mesma
concepção que Becquerel. É verdade que, em 1897, Gustave le Bon havia repetido
os experimentos de Becquerel e não havia notado nenhum sinal de reflexão,
refração ou polarização, mas ninguém lhe deu atenção. Todos imaginaram que se
tratava de um tipo de radiação ultravioleta.
Pode-se
dizer que, de maio de 1896 ao início de 1898, esse campo de estudos ficou
estagnado. O único resultado novo, durante esse tempo, foi o de que a radiação
do urânio permanecia forte ao longo de meses, apesar de não haver recebido luz.
Embora Becquerel ainda afirmasse que a excitação pela luz aumentava a radiação
emitida, Elster e Geitel não encontraram esse efeito (que, é claro, não
existe).
A descoberta de novos materiais radioativos
No
início de 1898, dois pesquisadores, independentemente, tiveram a idéia de
tentar localizar outros materiais, diferentes do urânio, que emitissem
radiações do mesmo tipo. A busca foi feita, na Alemanha, por G.C. Schmidt e, na
França, pela Madame Curie. Em abril de 1898, ambos publicaram a descoberta de
que o tório emitia radiações, como o urânio. O método de estudo não foi
fotográfico e sim com o uso de uma câmara de ionização, observando-se a
corrente elétrica produzida, no ar, entre duas placas eletrizadas, quando se
colocava um material que emitia radiações entre as placas. Esse método de
estudos era mais seguro do que o uso de chapas fotográficas, já que estas, como
vimos, podem ser afetadas por muitos tipos de influências diferentes.
A
radiação emitida pelo tório era observada em todos os seus compostos
examinados, como ocorria com o urânio. Ela produzia efeitos fotográficos e era
um pouco mais penetrante do que a do urânio. Schmidt afirmou ter observado a
refração dos raios do tório (como Becquerel fizera anteriormente), mas não
conseguiu notar nem reflexão nem polarização dos raios.
Marie
Curie estudou vários minerais, além de substâncias químicas puras. Notou, como
era de se esperar, que todos os minerais de urânio e de tório emitiam
radiações. Mas observou um fato estranho:
"Todos
os minerais que se mostraram ativos contêm os elementos ativos. Dois minerais
de urânio - a pechblenda [óxido de urânio] e a calcolita [fosfato
de cobre e uranila] são muito mais ativos do que o próprio urânio. Esse
fato é muito notável e leva a crer que esses minerais podem conter um elemento
muito mais ativo do que o urânio. Reproduzi a calcolita pelo processo de Debray
com produtos puros; essa calcolita artificial não é mais ativa do que outros
sais de urânio".
Nesse
mesmo trabalho, Marie Curie chama a atenção para o fato de que o urânio e o
tório são os elementos de maior peso atômico (dos que eram conhecidos).
Especula também sobre a causa do fenômeno. Diante da enorme duração da
radiação, parecia absurdo, na época, que toda a energia emitida (que parecia
infinita) pudesse provir do próprio material. Marie Curie supõe que a fonte
seria externa, ou seja, que todo o espaço estaria permeado por uma radiação
muito penetrante, imperceptível, que seria absorvida pelos elementos mais
pesados e reemitida sob uma forma observável.
A
descoberta do efeito produzido pelo tório deu novo impulso à pesquisa dos
"raios de Becquerel". Agora, percebia-se que esse não era um fenômeno
isolado, que ocorria só no urânio. Marie Curie é quem dá a esse fenômeno o nome
"radioatividade":
"Os
raios urânicos foram freqüentemente chamados raios de Becquerel. Pode-se
generalizar esse nome, aplicando-o não apenas aos raios urânicos, mas também
aos raios tóricos e a todas as radiações semelhantes.
Chamarei
de radioativas as substâncias que emitem raios de Becquerel. O nome de
hiperfosforescência que foi proposto para o fenômeno, parece-me dar uma falsa
idéia de sua natureza".
Vê-se
que Marie Curie estava consciente de que se tratava de um fenômeno muito mais
geral.
Poucos
meses depois da descoberta do efeito produzido pelo tório, Marie e Pierre Curie
apresentarão um trabalho de ainda maior importância. No trabalho anterior,
Marie Curie havia sugerido que a pechblenda talvez contivesse outro material
radioativo, desconhecido. Ela se empenha no trabalho de tentar isolar essa
substância. Para isso, dedica-se a um trabalho de química analítica, separando
progressivamente os constituintes da pechblenda, testando-os pelo método
elétrico, de modo a separar as frações radioativas das inativas. Primeiramente,
partindo da pechblenda que era duas vezes e meia mais ativa do que o urânio,
foi feita a dissolução do mineral em ácido. Depois, borbulhou-se ácido
sulfídrico (H2S) pelo líquido, havendo formação de vários sulfetos insolúveis,
que se precipitavam. O urânio e o tório permaneciam dissolvidos. O precipitado
era muito ativo. Adicionando-lhe sulfeto de amônia, os sulfetos de arsênico e
de antimônio (não ativos) se dissolvem. O resíduo passa por outros processos de
separação. Por fim, o material ativo fica unido ao bismuto, não sendo separável
dele pelos processos usuais. Não era, portanto, nenhum elemento conhecido.
Através de processos de sublimação fracionada foi possível obter um material
(ainda unido ao bismuto) que era 400 vezes mais ativo do que o urânio puro. O
casal Curie sugere:
"Cremos
portanto que a substância que retiramos da pechblenda contém um metal ainda não
identificado, vizinho ao bismuto por suas propriedades analíticas. Se a
existência desse novo metal for confirmada, propomos dar-lhe o nome de polônio,
nome do país de origem de um de nós".
Não
se pode dizer que estivesse, de fato, estabelecida a existência de um novo
elemento. O suposto novo metal se comportava como o bismuto e não tinha raias
espectrais que pudessem ser notadas. Houve por isso certo ceticismo em relação
a essa descoberta, inicialmente.
Em artigo escrito após o trabalho relativo ao polônio, Marie Curie faz uma revisão dos conhecimentos sobre o assunto. Nele, coloca em dúvida a existência de reflexão, refração e polarização dos raios de Becquerel e nega, com base nos estudos de Elster e Geitel, a possibilidade de intensificar a radioatividade pela exposição ao Sol. Marie Curie defende claramente a idéia de que a radioatividade é uma propriedade atômica.
Em artigo escrito após o trabalho relativo ao polônio, Marie Curie faz uma revisão dos conhecimentos sobre o assunto. Nele, coloca em dúvida a existência de reflexão, refração e polarização dos raios de Becquerel e nega, com base nos estudos de Elster e Geitel, a possibilidade de intensificar a radioatividade pela exposição ao Sol. Marie Curie defende claramente a idéia de que a radioatividade é uma propriedade atômica.
Na
última reunião de 1898 da Academia de Ciências, os Curie e Bémont apresentavam
um novo trabalho. Nele, apresentam evidências de um novo elemento radioativo,
quimicamente semelhante ao bário, extraído também da pechblenda. Também nesse
caso, não foi possível separar o novo elemento do metal conhecido; mas foi
possível obter um material 900 vezes mais ativo do que o urânio. Além disso,
desta vez a análise espectroscópica permitiu notar uma raia espectral
desconhecida. Os autores do artigo dão a esse novo elemento o nome de
"rádio", por parecer mais radioativo do que qualquer outro elemento.
Etapas posteriores
Faltava
muita coisa, ainda, a ser compreendida. O que eram as radiações emitidas:
iguais aos raios X, ou não? Até essa época, parecia que sim. De onde saía a
energia desprendida desses materiais? Por que alguns elementos são radioativos
e outros não? Nada disso havia sido esclarecido. Não havia, também, suspeita de
que a radioatividade acarretava transformações de um elemento químico em outro.
O nome "radioatividade" existia, mas não se conhecia ainda o complexo
fenômeno ao qual damos hoje esse nome.
A
história restante é longa e rica. Não é possível descrevê-la em detalhes, aqui.
O objetivo central deste capítulo era mostrar que Becquerel ficou longe de
estabelecer a existência da radioatividade, tal como a concebemos hoje. Vamos,
por isso, apenas indicar alguns dos episódios posteriores, para dar uma idéia
sobre o que faltava ainda descobrir.
A
natureza e diversidade das radiações emitidas por materiais radioativos foram
estabelecidas gradualmente. No início de 1899, Rutherford notou a existência de
dois tipos de radiação de urânio - uma mais penetrante e outra facilmente
absorvida. Chamou-as de a (a menos penetrante) e b. No entanto, imaginou que
ambas eram diferentes tipos de raios X. No final de 1899, Geisel observou que
as radiações de polônio eram desviáveis por um ímã. Esses raios não podiam,
portanto, ser raios X. O casal Curie verificou que alguns raios eram defletidos
pelo ímã e outros não. Os que eram defletidos correspondiam à radiação b de
Rutherford. O sentido da deflexão mostrou que eram semelhantes aos raios
catódicos, ou seja, dotados de carga elétrica negativa. Posteriormente, o casal
Curie observou, por medidas elétricas, que essa radiação transportava de fato
uma carga negativa. A radiação não defletida foi identificada como radiação a
(que, na verdade, é pouco desviada, por sua grande razão massa/carga).
Becquerel,
nessa fase, fez alguns estudos sobre a deflexão dessas radiações. Tentou
defletir a radiação b por um campo elétrico, mas não conseguiu, inicialmente.
Isso foi conseguido em 1900, por E. Dorn. No mesmo ano, Villard descobriu que
os raios não desviáveis eram de dois tipos: os raios a (pouco penetrantes) e
outros raios muito penetrantes, que foram denominados "raios g".
Apenas em 1903, Rutherford observou que a radiação a podia ser defletida
elétrica e magneticamente, verificando então tratar-se de partículas com carga
positiva. Só então ficou mais clara a noção a respeito da natureza dessas três
radiações.
Outro
aspecto da radioatividade - a transformação dos elementos radioativos - emergiu
também aos poucos. Em 1899, Rutherford observou a existência de uma emanação
radioativa do tório. Dorn verificou que o rádio também produzia uma emanação
semelhante. Depois de vários meses, verificou-se tratar-se de um novo elemento
químico, gasoso (radônio). Esse gás estava sendo produzido pelo material
radioativo. Além disso, os Curie haviam notado, no final de 1899, que o rádio
podia tornar radioativos os corpos próximos. No ano seguinte, Rutherford
descobriu que a radioatividade induzida era devido a um depósito criado pela
emanação gasosa. No entanto, esse depósito não era idêntico à emanação.
Descobriu-se
também que a emanação e o depósito perdiam rapidamente suas radioatividades, o
que mostrou tratar-se de uma mudança atômica gradual. Após esses e outros
estudos, Rutherford e Soddy apresentaram a teoria das transformações
radioativas em 5 artigos publicados de novembro de 1902 a maio de 1903. Com
esses trabalhos, as linhas gerais da nova visão sobre a radioatividade haviam
já sido estabelecidas. Muitos aspectos foram esclarecidos nos anos seguintes.
Comentários finais
Mais
do que diminuir o papel de Becquerel na descoberta da radioatividade, o
objetivo deste capítulo foi mostrar a grande dificuldade existente no
estabelecimento de fenômenos que não são esperados teoricamente. É fácil
observar o que se prevê - aliás, como se viu, pode-se observar o que foi
previsto até quando a previsão é falsa. Muito mais difícil é ver aquilo que
contraria todas as expectativas.
O
estudo aprofundado de episódios como esse deveria fazer parte da educação de
todo cientista experimental, pois a visão estereotipada do experimentador
rebaixa e banaliza o trabalho experimental - quando, na verdade, o bom trabalho
experimental é extremamente difícil, criativo e instigante, desde que se tenha
coragem de enfrentar, no laboratório, fenômenos que se recusam a respeitar as
teorias estabelecidas.
SURGIMENTO
DA TELEVISÃO
O aparecimento da televisão deve-se a grandes
matemáticos e físicos, pertencentes às ciências exatas que entregaram para as
ciências humanas um grande e poderoso veículo. Desde o início do século XIX, os
cientistas estavam preocupados com a transmissão de imagens à distância e foi
com invento de Alexander Bain, em 1842, que se obteve a transmissão telegráfica
de uma imagem (fac-símile), atualmente conhecido como fax.
Em 1817, o químico sueco Jons Jacob Berzelius
descobriu o selênio, mas só 56 anos depois, em 1873, que o inglês Willoughby
Smith comprovou que o selênio possuía a propriedade de transformar energia
luminosa em energia elétrica. Através desta descoberta pode-se formular a
transmissão de imagens por meio da corrente elétrica.
Em 1884, o jovem alemão Paul Nipkow inventou um
disco com orifícios em espiral com a mesma distância entre si que fazia com que
o objeto se subdividisse em pequenos elementos que juntos formam uma imagem.
Em 1892, Julius Elster e Hans Getiel inventaram a
célula fotoelétrica sinal elétrico. Em que transformou cada subdivisão em 1906,
Arbwehnelt desenvolveu um sistema de televisão por raios catódicos, sendo que o
mesmo ocorreria na Rússia por Boris Rosing. O sistema empregava a exploração
mecânica de espelho somada ao tubo de raios catódicos. Em 1920, realizaram-se
as verdadeiras transmissões, graças ao inglês John Logie Baird, através do
sistema mecânico baseado no invento de Nipkow. Quatro anos depois, em 1924,
Baird transmitiu contornos de objetos à distância e no ano seguinte,
fisionomias de pessoas. Já em 1926, Baird fez a primeira demonstração no Royal
Institution em Londres para a comunidade científica e logo após assinou
contrato com a BBC para transmissões experimentais. O padrão de definição
possuía 30 linhas e era mecânico.
Nesse período, em 1923, o russo Wladimir Zworykin
descobriu o iconoscópio, invento que utilizava tubos de raios catódicos. Em
1927, também Philo Farnsworth descobriu um sistema dissecador de imagens por
raios catódicos, mas com nível de resolução não satisfatório. Zworykin foi
convidado pela RCA a encabeçar a equipe que produziria o primeiro tubo de
televisão, chamado orticon, que passou a ser produzido em escala industrial a
partir de 1945. Em Março de 1935, emite-se oficialmente a televisão na
Alemanha, e em Novembro na França, sendo a Torre Eiffel o posto emissor. Em
1936, Londres utiliza imagens com definição de 405 linhas e inaugura-se a
estação regular da BBC. No ano seguinte, três câmaras eletrônicas transmitem a
cerimônia da Coroação de Jorge VI, com cerca de cinquenta mil telespectadores.
Na Rússia, a televisão começa a funcionar em 1938 e
nos Estudos Unidos, em 1939. Durante a Segunda Guerra Mundial, a Alemanha foi o
único país europeu que a manter a televisão no ar.
Paris voltou com as transmissões em Outubro de
1944, Moscou em Dezembro de 1945 e a BBC em Junho de 1946, com a transmissão do
desfile da vitória. Em 1950, a França possuía uma emissora com definição de 819
linhas, a Inglaterra com 405 linhas, os russos com 625 linhas e Estados Unidos
e Japão com 525 linhas. Em Setembro desse mesmo ano, inaugura-se a TV Tupi de
São Paulo, pertencente ao jornalista Assis Chateaubriand, dono dos Diários
Associados, com sistema baseado no americano.
Em resumo pode-se dizer que a câmara de TV
capta as imagens, decompondo-as em sinais elétricos que são mandados para um
centro eletrônico, o modelador (aparelho que modula as ondas em um oscilador).
Os sinais são enviados em forma de ondas por uma grande antena transmissora que
é encaminhada ao aparelho receptor que desfaz os sinais, recompondo-os na sua
posição original, reproduzindo na tela a imagem transmitida.
A
formação da imagem é instantânea. O dispositivo eletrônico utiliza-se de
pontinhos, ao invés de linhas, conseguindo desenhar o frame (imagem) inteiro a
cada 1/25 de segundo. Para transmitir a imagem de um lugar para o outro
utilizou-se antenas, mas como mas como as ondas são em linha reta ficou difícil
transmitir para o outro lado do globo terrestre, devido à curvatura, procurando
deste modo uma solução espacial. Em 23 de Julho de 1962, a primeira transmissão
via satélite, o satélite artificial Telstar, lançado pela NASA dos E.U.A.
O
progresso da engenharia espacial e das telecomunicações permitiu lançar satélites
em órbita à volta da Terra. São eles que garantem as transmissões televisivas e
as comunicações telefônicas intercontinentais que permitem comunicar um mesmo
sinal em todo o mundo ao mesmo tempo.
Início das transmissões em cores
As transmissões regulares a cores nos E.U.A.,
começaram em 1954. Mas já em 1929, Hebert Eugene Ives realizou, em Nova Iorque,
as primeiras imagens coloridas com 50 linhas de definição por fio, cerca de 18
frames por segundo. Peter Goldmark aperfeiçoou o invento mecânico fazendo
demonstrações com 343 linhas, a 20 frames por segundo, em 1940.
Vários
sistemas foram criados, mas todos iam de encontro a uma forte barreira: se um
sistema novo surgisse, o que fazer com os aparelhos antigos a preto e branco
que já eram cerca de 10 milhões no início dos anos 50? Criou-se nos Estados
Unidos um comitê especial para, no sentido literal, colocar cor no sistema
preto e branco. Esse comitê recebeu o nome de National Television System
Committee (também conhecido como National Television Standards Committee),
cujas iniciais serviam para dar nome ao novo sistema, NTSC. O sistema
desenvolvido baseava-se em utilizar o padrão a preto e branco que trabalhava
com níveis de luminância (Y) e acrescentaram a cronomância (C), ou seja, a cor.
O princípio de captar e receber as imagens em cores está na decomposição da luz
branca em três cores primárias que são o vermelho (R de red), o verde (G de
green) e o azul (B de blue). Numa proporção de níveis de 30% de R, 59% de G e
11% de B. Na recepção o processo é inverso, a imagem compõem-se através das
somatórias das cores de pixel, ou seja, nos pontos da tela do televisor.
Em 1967, entra em funcionalidade, na Alemanha, uma
variação do sistema americano, resolvendo algumas debilidades desse sistema que
recebeu o nome de Phase Alternation Line, dando as iniciais para o sistema PAL.
Nesse mesmo ano, entrou na França o SECAM
(Séquentille Coleur à Memoire), mas não compatível com o sistema a preto e
branco francês.
A primeira transmissão oficial a cores no Brasil
deu-se em 31 de Março de 1972. O desenvolvimento da TV foi tão grande que os
canais disponíveis de VHF (Very High Frequency, isto é, frequência bastante
alta) ficaram saturados, ampliando assim a utilização da faixa de UHF (Ultra
High Frequency, isto é, frequência ultra-alta). Assim os fabricantes de
televisores foram obrigados a construir um aparelho capaz de captar todos os
canais para que os programas da faixa de UHF ficassem acessíveis.
A transmissão de um programa ao vivo exige a
participação de uma equipe numerosa e altamente qualificada que se pode dividir
em quatro grupos: pessoal da cena, controle de cor e iluminação, controle de
som e direção. Todos figuram nesse esquema de um estúdio atual.
HISTÓRIA
DA ELETRICIDADE
Foi descoberta por um filósofo grego chamado Tales
de Mileto que, ao esfregar um âmbar a um pedaço de pele de carneiro, observou
que pedaços de palhas e fragmentos de madeira começaram a ser atraídas pelo
próprio âmbar.
Do âmbar (gr. élektron) surgiu o nome eletricidade.
No século XVII foram iniciados estudos sistemáticos sobre a eletrificação por
atrito, graças a Otto von Guericke. Em 1672, Otto inventa uma maquina geradora
de cargas elétricas onde uma esfera de enxofre gira constantemente atritando-se
em terra seca. Meio século depois, Stephen Gray faz a primeira distinção entre
condutores e isolantes elétricos.
Durante o século XVIII as maquinas elétricas
evoluem até chegar a um disco rotativo de vidro que é atritado a um isolante
adequado. Uma descoberta importante foi o condensador, descoberto
independentemente por Ewald Georg von Kleist e por Petrus van Musschenbroek. O
condensador consistia em uma maquina armazenadora de cargas elétricas. Eram
dois corpos condutores separados por um isolante delgado.
Mas uma invenção importante, de uso prático foi o
pára-raios, feito por Benjamin Franklin. Ele disse que a eletrização de dois
corpos atritados era a falta de um dos dois tipos de eletricidade em um dos
corpos. esses dois tipos de eletricidade eram chamadas de eletricidade resinosa
e vítrea.
No século XVIII foi feita a famosa experiência de
Luigi Aloisio Galvani em que potenciais elétricos produziam contrações na perna
de uma rã morta. Essa diferença foi atribuída por Alessandro Volta ao fazer
contato entre dois metais a perna de uma outra rã morta. Essa experiência foi
atribuída a sua invenção chamada de pilha voltaica. Ela consistia em um serie
de discos de cobre e zinco alterados, separados por pedaços de papelão
embebidos por água salgada.
Com essa invenção, obteve-se pela primeira vez uma
fonte de corrente elétrica estável. Por isso, as investigações sobre a corrente
elétrica aumentaram cada vez mais.
Depois de um tempo, são feitas as experiências de
decomposição da água. Em 1802, Humphry Davy separa eletronicamente o sódio e
potássio.
Mesmo com a fama das pilhas de Volta, foram criadas
pilhas mais eficientes. John Frederic Daniell inventou-as em 1836 na mesma
época das pilhas de Georges Leclanché e a bateria recarregável de
Raymond-Louis-Gaston Planté.
O físico Hans Christian Örsted observa que um fio
de corrente elétrica age sobre a agulha de uma bússola. Com isso, percebe-se
que há uma ligação entre magnetismo e eletricidade.
Em 1831, Michael Faraday descobre que a variação na
intensidade da corrente elétrica que percorre um circuito fechado induz uma
corrente em uma bobina próxima. Uma corrente induzida também é observada ao se
introduzir um ímã nessa bobina. Essa indução magnética teve uma imediata
aplicação na geração de correntes elétricas. Uma bobina próxima a um imã que
gira é um exemplo de um gerador de corrente elétrica alternada.
Os geradores foram se aperfeiçoando até se tornarem
as principais fontes de suprimento de eletricidade empregada principalmente na
iluminação.
Em 1875 é instalado um gerador em Gare du Nord,
Paris, para ligar as lâmpadas de arco da estação. Foram feitas maquinas a vapor
para movimentar os geradores, e estimulando a invenção de turbinas a vapor e
turbinas para utilização de energia hidrelétrica. A primeira hidrelétrica foi
instalada em 1886 junto as cataratas do Niágara.
Para ocorrer a distribuição de energia, foram
criados inicialmente condutores de ferro, depois os de cobre e finalmente, em 1850,
já se fabricavam os fios cobertos por uma camada isolante de guta-percha
vulcanizada, ou uma camada de pano.
A Publicação do tratado sobre eletricidade e
magnetismo, de James Clerk Maxwell, em 1873, representa um enorme avanço no
estudo do eletromagnetismo. A luz passa a ser estendida como onda
eletromagnética, uma onde que consiste de campos elétricos e magnéticos
perpendiculares à direção de sua propagação.
Heinrich Hertz, em suas experiências realizadas a
partir de 1885, estuda as propriedades das onde eletromagnéticas geradas por
uma bobina de indução; nessas experiências observa que se refletidas,
refratadas e polarizadas, do mesmo modo que a luz. Com o trabalho de Hertz fica
demonstrado que as ondas de radio e as de luz são ambas ondas eletromagnéticas,
desse modo confirmando as teorias de Maxwell; as ondas de radio e as ondas
luminosas diferem apenas na sua freqüência.
Hertz não explorou as possibilidades práticas
abertas por suas experiências; mais de dez anos se passam, até Guglielmo
Marconi utilizar as ondas de radio no seu telegrafo sem fio. A primeira
mensagem de radio é transmitida através do Atlântico em 1901. Todas essas
experiências vieram abrir novos caminhos para a progressiva utilização dos
fenômenos elétricos sem praticamente todas as atividades do homem.
A
DESCOBERTA DOS RAIOS X
Introdução
No fim da tarde de 8 de novembro de 1895, quando
todos haviam encerrado a jornada de trabalho, o físico alemão Wilhelm Conrad
Roentgen (1845-1923) continuava no seu pequeno laboratório, sob os olhares
atentos do seu servente. Enquanto Roentgen, naquela sala escura, se ocupava com
a observação da condução de eletricidade através de um tubo de Crookes, o
servente, em alto estado de excitação, chamou-lhe a atenção: "Professor,
olhe a tela!".
Nas proximidades do tubo de vácuo havia uma tela
coberta com platino-cianeto de bário, sobre a qual se projetava uma inesperada
luminosidade, resultante da fluorescência do material. Roentgen girou a tela,
de modo que a face sem o material fluorescente ficasse de frente para o tubo de
Crookes; ainda assim ele observou a fluorescência. Foi então que resolveu
colocar sua mão na frente do tubo, vendo seus ossos projetados na tela.
Roentgen observava, pela primeira vez, aquilo que passou a ser denominado raios
X.
O parágrafo acima pode ser uma dramatização do que
de fato ocorreu naquele dia, mas o fato que a história registra é que esta
fantástica descoberta teve estrondosa repercussão, não apenas na comunidade
científica, como também nos meios de comunicação de massa. Por exemplo, em
1896, menos de um ano após a descoberta, aproximadamente 49 livros e panfletos
e 1.000 artigos já haviam sido publicados sobre o assunto. Um levantamento
feito por Jauncey no jornal norte-americano St. Louis Post-Dispatch,
mostra que, entre 7 de janeiro e 16 de março de 1896, quatorze notas foram
publicadas sobre a descoberta e outros estudos relacionados.
Todavia, as mais conhecidas referências a essa
descoberta tendem a minimizar o mérito do seu autor, enfatizando o aspecto
fortuito da observação. Essa visão distorcida que se tem do trabalho de
Roentgen só é eliminada quando se toma conhecimento dos seus relatos. Com 50
anos de idade na época da descoberta dos raios X, e menos de 50 trabalhos
publicados, Roentgen tinha como temas prediletos as propriedades físicas dos
cristais e a física aplicada (em 1878 apresentou um alarme para telefone, e em
1879, um barômetro aneróide). Sobre os raios X publicou apenas três trabalhos,
e ao final da sua vida não chegou a ultrapassar a marca dos 60. Para um
detentor do Prêmio Nobel de Física, esta é uma quantidade relativamente
inexpressiva. Essa "pequena" produção talvez seja conseqüência do seu
rigoroso critério de avaliação dos resultados obtidos. Pelo que se sabe, ele
era tão cuidadoso, que jamais teve de revisar os resultados publicados. Lendo
seus dois primeiros artigos sobre os raios X, percebe-se a acuidade do seu
trabalho.
Além da
inegável importância na medicina, na tecnologia e na pesquisa científica atual,
a descoberta dos raios X tem uma história repleta de fatos curiosos e
interessantes, e que demonstram a enorme perspicácia de Roentgen. Por exemplo,
Crookes chegou a queixar-se da fábrica de insumos fotográficos Ilford, por lhe
enviar papéis "velados". Esses papéis, protegidos contra a luz, eram
geralmente colocados próximos aos seus tubos de raios catódicos, e os raios X
ali produzidos (ainda não descobertos) os velavam. Outros físicos observaram
esse "fenômeno" dos papéis velados, mas jamais o relacionaram com o
fato de estarem próximos aos tubos de raios catódicos! Mais curioso e
intrigante é o fato de que Lenard "tropeçou" nos raios X antes de
Roentgen, mas não percebeu. Assim, parece que não foi apenas o acaso que
favoreceu Roentgen; a descoberta dos raios X estava "caindo de
madura", mas precisava de alguém suficientemente sutil para identificar
seu aspecto iconoclástico. Para entender por que, é necessário acompanhar a
história dos raios catódicos.
Raios Catódicos e Raios Lenard versus Raios
X
Em 1838, Faraday realizou uma série de experimentos
com descargas elétricas em gases rarefeitos, ligando definitivamente seu nome à
descoberta dos raios catódicos. Todavia, devido às dificuldades técnicas com a
produção de vácuo de boa qualidade, esses trabalhos só tiveram novo impulso
vinte anos depois. Essa nova fase, iniciada por volta de 1858, pelo físico
alemão Julius Plücker (1801-1868), produziu resultados que desafiaram a
inteligência humana durante quase quarenta anos, até que um bom entendimento do
fenômeno fosse obtido. A denominação raios catódicos (Kathodenstrahlen)
foi introduzida pelo físico alemão Eugen Goldstein (1850-1931), em 1876,
ocasião em que ele apresentou a interpretação de que esses raios eram ondas no éter.
Uma interpretação contrária, defendida pelos ingleses, também chamava a atenção
do mundo científico da época. Para Crookes, os raios catódicos eram moléculas
carregadas, as quais constituíam o quarto estado da matéria (essa
denominação é hoje usada quando nos referimos ao plasma, que é exatamente o que
se tem quando se produz uma descarga elétrica num gás rarefeito!). Em 1897,
Thomson encerrou a polêmica, demonstrando que os raios catódicos eram elétrons.
Ao longo desses 40 anos, diversas observações, comentários e hipóteses sugerem
que vários pesquisadores andaram "rondando a porta da descoberta dos raios
X". Anderson relaciona algumas dessas indicações; nos seus dois primeiros
trabalhos, Roentgen se refere às possibilidades que Lenard teve de fazer a
descoberta.
Num artigo publicado em 1880, Goldstein menciona
que uma tela fluorescente podia ser excitada, mesmo quando protegida dos raios
catódicos. Publicado em alemão e em inglês, este trabalho deve ter chegado ao
conhecimento de quase todos os pesquisadores envolvidos nesses estudos, no entanto,
nos quinze anos seguintes ninguém questionou o fato de que a tela fluorescia,
mesmo sem ser atingida pelos raios catódicos! Também Thomson chegou perto; um
ano antes da descoberta dos raios X, ele relatou que havia observado
fosforescência em peças de vidro colocadas a vários centímetros de distância do
tubo de vácuo.
Entre todos os pesquisadores, Lenard parece ter
sido aquele que mais se aproximou da descoberta de Roentgen. Dando continuidade
aos trabalhos do seu professor, Heinrich Hertz, Lenard realizou experiências
para verificar se os raios catódicos produzidos no interior de um tubo de
Crookes poderiam ser observados no exterior. Para tanto, construiu um tubo de
Crookes com uma pequena janela de alumínio (espessura de aproximadamente 0,0025
mm) no lado oposto ao catodo, e passou a observar os raios catódicos fora do
tubo, através da sua interação com materiais fosforescentes. Posteriormente
esses raios ficaram conhecidos como raios Lenard. Em 1894 Lenard
publica, na revista alemã Annalen der Physik, suas primeiras
observações, entre as quais se destacam:
1. Os raios Lenard sensibilizavam
uma chapa fotográfica.
2. Um disco de alumínio
eletricamente carregado descarregava-se quando era colocado no trajeto desses
raios, mesmo quando este disco era colocado a uma distância superior a 8 cm (o
alcance máximo dos raios catódicos no ar). Quando a mão era colocada na frente
do feixe, o efeito de descarga elétrica desaparecia. Comentando esses
resultados, Lenard escreveu: "Não se pode afirmar se estamos observando
uma ação dos raios catódicos sobre a superfície da janela de alumínio, ou sobre
o ar, ou finalmente sobre o disco carregado! Todavia, a última ação é bastante
improvável a grandes distâncias da janela".
3. Os raios eram defletidos
continuamente por um campo magnético; isto é, alguns raios eram defletidos mais
do que outros, e existiam alguns que não se defletiam.
De tudo que se sabe hoje, conclui-se que os raios
Lenard eram constituídos de raios catódicos (elétrons) e de raios X, mas ele
acreditava que eram apenas raios catódicos! Bastava que ele tivesse usado uma
janela de alumínio bastante espessa, de tal modo que os elétrons não pudessem
atravessá-la, para ter um feixe de raios X! De acordo com Anderson, Lenard
ficou profundamente desapontado por ter deixado escapar essa descoberta, e
jamais usou o nome de Roentgen quando se referia aos raios X.
O fortuito 8 de novembro de 1895
Na última década do século passado, as pesquisas
sobre os raios catódicos constituíam o tema mais efervescente em toda a Europa,
de modo que parece natural o desejo de Roentgen, então diretor do Instituto de
Física da Universidade de Würzburg, de repetir algumas das experiências
divulgadas. De acordo com Fuchs e Romer, os experimentos de Roentgen tiveram
início em 1894, mas quase toda a literatura histórica dá conta de que esses
trabalhos iniciaram em 1895. Mais adiante discutiremos esse pequeno mistério.
Apresentaremos aqui o que se sabe dos fatos ocorridos a partir daquela
sexta-feira, 8 de novembro de 1895.
A literatura sobre a evolução dos fatos apresenta
algumas controvérsias, mas uma coisa parece certa: Roentgen não trabalhou com
os raios X mais do que 3 anos. Além disso, em menos de 8 semanas ele descobriu
praticamente todas as propriedades fundamentais desses, escreveu três trabalhos
sobre o assunto, e já em 1897 estava de volta aos seus temas favoritos,
abandonando um assunto de tanta fertilidade, que proporcionou a obtenção do
Prêmio Nobel de Física, não apenas a ele (1901), como também a Lenard (1905),
Thomson (1906), Laue (1914), W.H. Bragg e W.L. Bragg (1915), Barkla (1917) e
Siegbahn.(1924).
Numa carta enviada em fevereiro de 1896 ao seu
grande amigo Ludwig Zehnder, Roentgen diz que, durante os experimentos, não
falou a ninguém sobre o seu trabalho, exceto à sua esposa. Assim, o parágrafo
que inicia o presente artigo, extraído de um relato de Manes, pode ser falso;
ele foi usado aqui como força de expressão dramática. O que se sabe é que em 28
de dezembro de 1895 Roentgen encaminhou ao presidente da Sociedade de Física e
Medicina de Würzburg (SFMW) um manuscrito, intitulado "Sobre um novo tipo
de raios" ("On a new kind of rays", ou, em alemão, "Ueber
eine neue art von strahlen"), que ele considera como uma
"comunicação preliminar". Pela profundidade e concisão com que os
resultados são apresentados, não surpreende que este tenha sido o mais
importante dos três trabalhos publicados por Roentgen. Em 9 de março de 1896
ele envia, à mesma sociedade, sua segunda comunicação, com o mesmo título da
primeira. Em seu artigo, Watson transcreve essas duas comunicações; as versões
originais, em alemão, e as traduções, em inglês. Segundo Jauncey, o terceiro
artigo é datado de 10 de março de 1897. Na edição de 23 de janeiro de 1896, Nature
publica uma versão inglesa da primeira comunicação, sendo imediatamente
reproduzida em Science, Scientific American Supplement, Journal of the
Franklin Institute e na revista popular Review of Reviews
(semelhante a Reader’s Digest). A revista alemã Annalen der Physik,
em sua edição de 1o de janeiro de 1898, reproduz os três artigos. Cópias
do primeiro trabalho, com a radiografia de uma mão, foram enviadas, entre o
final de dezembro e o início de janeiro, aos principais cientistas da Europa,
que assim tomaram conhecimento da grande descoberta, uma vez que os anais da
SFMW tinham circulação bastante limitada, praticamente local.
Roentgen recebeu inúmeros convites para
conferências, mas parece que declinou de todas, excepto uma, apresentada na
SFMW, em 23 de janeiro de 1896, na qual obteve enorme sucesso, apesar da sua
reconhecida timidez. Nessa conferência, ele tirou várias radiografias,
inclusive uma que ficou famosa, da mão do grande anatomista, professor da
Universidade de Würzburg, A. von Kölliker. A cada radiografia que ele conseguia,
a audiência reagia com entusiasmo e estrondoso aplauso.
As duas primeiras comunicações
As duas primeiras comunicações de Roentgen, que ele
considerava como uma única, são belos exemplos de objetividade e concisão, sem
deixar de lado a profundidade que o tema requer. Impressiona a quantidade de
dados obtidos em tão pouco tempo, mas frustra a expectativa do leitor
interessado na heurística da investigação e na montagem do equipamento; não há
qualquer informação detalhada nesse sentido. Ele informa que usou uma grande
bobina de Ruhmkorff, mas não especifica que tipo de tubo de vácuo usou; mais
adiante discutiremos essa questão.
Os resultados são apresentados em 21 tópicos,
muitos dos quais contendo um único parágrafo, ao longo dos quais Roentgen
discute praticamente todas as propriedades fundamentais dos raios X. Na ordem
em que aparecem nas comunicações, são as seguintes essas propriedades. Em
primeiro lugar, os raios podem ser detectados através de cintilações numa tela
fosforescente, ou de impressões numa chapa fotográfica. Diferentemente dos
raios catódicos, os raios X podem ser observados mesmo quando a tela é colocada
a uma distância de aproximadamente dois metros do tubo de vácuo (os raios
catódicos não ultrapassam mais do que oito centímetros no ar). Roentgen testa a
transparência de uma quantidade enorme de materiais, verificando que duas
propriedades são importantes: a densidade do material e a espessura; quanto mais
denso e mais espesso, menos transparente. Depois de testar a transparência,
Roentgen investiga efeitos de refração e de reflexão. Não observa nem um nem
outro, embora tenha ficado em dúvida quanto à reflexão. Tenta defletir os raios
X com o auxílio de um campo magnético, mas não consegue, e aqui estabelece uma
das fundamentais diferenças, do ponto de vista experimental, entre os raios X e
os raios catódicos, pois estes são facilmente defletidos por uma campo
magnético.
No tópico 12 ele discute uma das questões mais
fundamentais para a identificação dos raios X. Ele conclui que esses raios são
produzidos pelos raios catódicos na parede de vidro do tubo de descarga! Na
seqüência ele informa que observou raios X produzidos pelo choque de raios
catódicos numa chapa de alumínio, e promete testar outros materiais. Um ano
depois, em 17 de dezembro de 1896, o físico inglês Sir George Stokes demonstrou
que os raios X são produzidos pela desaceleração de partículas carregadas, um
fenômeno que ocorre quando, por exemplo, elétrons com alta energia penetram num
material pesado! Ou, na linguagem da época, quando os raios catódicos penetram
num material pesado!
No tópico 17, que encerra a primeira comunicação,
ele discute a natureza dos raios X. Obviamente descarta a identidade com os
raios catódicos. Sugere que poderia ser algo como a luz ultravioleta, devido
aos efeitos fluorescentes e à impressão de chapas fotográficas, mas no
cotejamento de outras propriedades chega à conclusão de que os raios X não
podem ser da mesma natureza da luz ultravioleta usual. Finaliza o artigo
sugerindo que os raios X poderiam ser vibrações longitudinais no éter. Como se
sabe, essa hipótese era usada pelos alemães (Goldstein, Hertz, Lenard, e
outros) para explicar os raios catódicos.
No início da segunda comunicação, tópico 18,
Roentgen examina a questão do efeito dos raios X sobre os corpos eletrizados,
fazendo referência aos resultados publicados por Lenard. De imediato sugere que
os efeitos atribuídos por Lenard aos raios catódicos, eram, de fato, devidos
aos raios X produzidos na janela de alumínio do seu tubo de vácuo. (Lenard
estava com os raios X ali, na sua frente, e não sabia!)
Nos tópicos finais, 19, 20 e 21, discute questões
de ordem prática: operação da bobina de indução, manutenção do vácuo e
diferença entre alumínio e platina, no que concerne à intensidade do feixe
produzido.
O que mais, além do acaso?
Para se entender a descoberta dos raios X como
fruto de um planejado trabalho científico, muito mais do que um evento fortuito,
seria necessário o conhecimento da heurística que orientou o planejamento da
pesquisa. Infelizmente, Roentgen não dá qualquer esclarecimento sobre essa
heurística. Como vimos acima, seus relatos descrevem objetivamente os
resultados obtidos, sem grandes elucubrações ou conjecturas teóricas. Ao
historiador resta a alternativa de especular, a partir de fatos conhecidos, na
tentativa de montar um esquema racional plausível para a grande descoberta.
Duas dúvidas jamais foram esclarecidas na literatura:
Teria Roentgen usado vários tipos de tubos de
vácuo? Se as informações de Fuchs e Romer estão corretas, por que Roentgen
substituiu o tubo de Lenard por um tubo convencional (Hittorf ou Crookes)?
Por que envolver o tubo com uma cartolina preta?
Numa entrevista concedida ao jornalista Dam, em
janeiro de 1896, Roentgen informa que estava usando um tubo de Crookes no
momento da descoberta (8 de novembro de 1895). Numa carta enviada a Zehnder
(fevereiro de 1896), ele diz que usou uma bobina de Ruhmkorff 50/20 centímetros,
com interruptor Deprez, e aproximadamente 20 ampères de corrente primária. O
sistema é evacuado com uma bomba Raps, ao longo de vários dias. Os melhores
resultados são obtidos quando os eletrodos da descarga estão afastados por uma
distância de aproximadamente 3 cm. Mais uma vez, não especifica o tipo de tubo
usado; diz apenas que o fenômeno pode ser observado em qualquer tipo de tubo de
vácuo, inclusive em lâmpadas incandescentes.
Que Roentgen descobriu os raios X por acaso, parece
não haver dúvida. De que outra forma algo tão inesperado poderia ser
descoberto? Agora, sobre o que não se tem certeza é qual foi o acidente que
proporcionou a descoberta, e em que momento ele ocorreu. É difícil de imaginar
que no primeiro arranjo experimental Roentgen tenha envolvido o tubo com a
cartolina. O que ele esperava ver atravessando a cartolina preta, senão raios
X? Como é possível, em menos de dois meses, alguém abordar aquela enorme
quantidade de aspectos fundamentais de um fenômeno desconhecido, por mais
genial que seja? Por outro lado, se o "verdadeiro" momento da
descoberta não é o 8 de novembro, qual a razão para Roentgen fazer-nos crer que
esta é a data correta?
Puro acidente ou não, o fato é que a repercussão da
descoberta foi de tal ordem que, com muita justiça, o primeiro Prêmio Nobel de
Física (1901) foi concedido a Roentgen.
A repercussão imediata
Em termos de repercussão imediata, a descoberta dos
raios X parece ser um caso único na história da ciência. A observação do
eclipse solar de 1919, que comprovou parte da teoria da relatividade geral de
Einstein, é um rival de respeito quando se considera a repercussão na imprensa,
mas não chega a competir, nem de leve, quando se considera a repercussão no
meio científico (A recente descoberta das cerâmicas supercondutores também teve
forte impacto na imprensa e na comunidade científica, mas não temos
conhecimento quantitativo desse impacto). As notáveis aplicações na medicina
foram imediatamente percebidas pelo próprio Roentgen, que fez uma radiografia
da sua mão. Pesquisadores em todo o mundo passaram a repetir a experiência de
Roentgen, não apenas na tentativa de descobrir novas aplicações, como também
com o objetivo de compreender o fenômeno, uma tarefa que desafiou a
inteligência humana ao longo de quase três décadas.
A primeira grande questão referia-se à natureza da
radiação. Aliás, o levantamento do noticiário feito por Jauncey mostrou a
confusão que se fazia entre raios X e raios catódicos. Não apenas os jornais
usavam indistintamente esses dois termos, mas também alguns físicos. É
importante salientar que a descoberta de que os raios catódicos eram elétrons
foi feita por Thomson dois anos após a descoberta de Roentgen. Mesmo os
cientistas que não confundiam raios catódicos com raios X, não sabiam do que se
tratava essa coisa descoberta por Roentgen. Existiam duas escolas de
pensamento. Uma, à qual pertenciam os ingleses Thomson e Stokes, acreditava que
os raios X eram vibrações transversais no éter, da mesma forma como a luz
ordinária. A outra escola, à qual pertencia o alemão Lenard, defendia que os
raios X eram vibrações longitudinais no éter. Depois de extensivos
experimentos, a polêmica foi decidida favoravelmente à escola inglesa.
Quando, em 1905, Einstein propôs a idéia do fóton
de energia, um conceito que admitia um caráter corpuscular para a luz, foi
possível calcular o comprimento de onda associado aos raios X, mas evidências
experimentais do caráter corpuscular só surgiram com os trabalhos de Bragg,
depois de 1908. Por volta de 1912, mais confusão veio à tona. Naquele ano, Laue
e seus estudantes W. Friedrich e P. Knipping descobriram a difração dos raios X
em cristais de sulfeto de zinco (ZnS), uma experiência definitiva para o
estabelecimento do caráter ondulatório dos raios X. A confusão causada por essa
dualidade só foi resolvida com os trabalhos de de Broglie, a partir de
1923. Portanto, a visão que se tem hoje dos raios X, é que eles pertencem ao
espectro eletromagnético, e como tal apresentam a dualidade partícula-onda:
dependendo das circunstâncias, evidenciam propriedades corpusculares ou
ondulatórias. Ao espectro eletromagnético pertencem a luz visível, as ondas de
rádio, o ultravioleta, o infravermelho e as radiações gama. Fundamentalmente, o
que diferencia uma radiação de outra é o comprimento de onda. Para se ter uma
idéia, o comprimento de onda da luz visível é mil vezes maior do que o dos
raios X.
Além desse enorme interesse despertado na
comunidade científica, é interessante avaliar o interesse despertado na
comunidade leiga, que muito contribuiu para a criação de um folclore em torno
do fenômeno. A título de ilustração, vejamos algumas das mais pitorescas
notícias publicadas pelo jornal norte-americano St. Louis Post-Dispatch.
No dia 11 de fevereiro de 1896, saiu uma nota dando conta de uma invenção de um
professor de Perugia (Itália), que permitia ao olho humano ver os raios X. No
dia 13 de fevereiro, o jornal informava que Roentgen havia iluminado seu
cérebro e visto sua pulsação. No dia seguinte, uma matéria relatava a opinião
defendida por alguns cientistas, segunda a qual a descoberta de Roentgen
poderia estabelecer novas teorias sobre a criação do mundo.
Outras notícias extravagantes são relatadas no
artigo de Jaucey. Em um jornal não identificado, uma matéria alertava para a
vulnerabilidade a que todos estavam sujeitos depois da descoberta dos raios X.
Qualquer um armado com um tubo de vácuo, dizia o jornal, podia ter uma visão
completa do interior de uma residência. Outras notícias sugeriam aplicações
fantásticas para os raios X, como a de ressucitar pessoas eletrocutadas. Um
famoso engenheiro eletricista, defendendo a hipótese de que os raios X ou os
raios catódicos eram ondas de som, afirmava ter ouvido a emissão desses raios.
Outro engenheiro eletricista fez tentativas para fotografar o cérebro humano,
mas não obteve sucesso.
O caráter sensacionalista que o assunto estava
despertando, motivou o New York Times a alertar, em 15 de março de 1896:
"Sempre que algo extraordinário é descoberto, uma multidão de
escritores apodera-se do tema e, não conhecendo os princípios científicos
envolvidos, mas levados pelas tendências sensacionalistas, fazem conjecturas
que não apenas ultrapassam o entendimento que se tem do fenômeno, como também
em muitos casos transcendem os limites das possibilidades. Este tem sido o
destino dos raios X de Roentgen".
Essa enorme curiosidade levou muita gente a correr
sérios riscos de saúde ao realizar suas tentativas de novas aplicações dos
raios X. No dia 29 de março de 1896, o jornal St. Louis Globe-Democrat
fazia o primeiro alerta público sobre o perigo dos raios X para os olhos. A
propósito, há uma história, aparentemente folclórica, segunda a qual uma
sapataria de Nova York tinha como grande apelo mercadológico o fato de que os
sapatos sob encomenda eram testados com o auxílio dos raios X!
Como os raios X são produzidos
Nas suas publicações Roentgen não especifica o tipo
de equipamento utilizado, mas não é difícil imaginar os possíveis componentes
do seu arranjo experimental: uma bateria de corrente contínua, uma bobina de
indução, um tubo de vácuo e uma bomba de vácuo. Incrementados por fantásticos
desenvolvimentos tecnológicos, e recebendo diferentes denominações, esses
componentes continuam em uso na moderna pesquisa científica. Na época de
Roentgen, eles eram conhecidos pelos nomes dos seus descobridores. Assim, as
principais baterias eram as de Volta (inventada em 1800) e as de Bunsen (1843).
Entre as bobinas de indução, as de Ruhmkorff (1851) eram as mais famosas.
No que se refere à utilização do vácuo, a primeira
experiência que se tem notícia foi realizada pelo italiano Gasparo Berti, por
volta de 1640. A partir desses experimentos, passando pelo barômetro de
Torriceli (1644) e pela primeira bomba de vácuo construída por Guericke (1650),
chegamos às diversas bombas disponíveis no final do século passado, entre as
quais se destacam: a bomba de pistão-duplo de Hauksbee (1709), as bombas de
mercúrio de Geissler (1855), de Toepler (1862) e de Sprengel (1873), e a bomba
de óleo de Fluess (1892). Na carta enviada a Zehnder, Roentgen informa que usou
uma bomba Raps, cuja descrição não se encontra na literatura pertinente.
A elaboração de tubos de vácuo para observação de
descarga elétrica teve início com os trabalhos de William Morgan, por volta de
1785, e consistência experimental com os resultados obtidos por Faraday, por
volta de 1833. Todavia, foi somente depois dos desenvolvimentos das bombas de
vácuo, ocorridos depois de 1850, que as pesquisas sobre descargas elétricas em
gases rarefeitos tiveram considerável impulso. Em conseqüência, os tubos de
vácuo mais conhecidos levam os nomes dos pesquisadores dessa época. Destacam-se
os tubos de: Geissler, Pluecker, Hittorf, Crookes e Lenard.
A título de recuperação histórica, apresentaremos
breves descrições dos possíveis equipamentos utilizados por Roentgen.
A bobina de Ruhmkorff, funcionando segundo o
princípio do transformador de corrente, é capaz de produzir altas voltagens.
Ela contém duas bobinas enroladas em um núcleo de ferro, e isoladas entre si. A
bobina interna (primária) é feita com um fio relativamente curto (de 30 a 50
metros), enquanto a externa (secundária) é feita com um fio muito longo
(centenas de quilômetros). Para o funcionamento do equipamento, usa-se uma
bateria de corrente contínua (p. ex. bateria de Volta) para fornecer uma
determinada voltagem à bobina primária. Quando a corrente é subitamente
interrompida, uma voltagem maior é induzida na bobina secundária. O fator de
transformação da voltagem é proporcional à razão dos comprimentos dos fios. As
bobinas utilizadas no final do século passado produziam tensões de milhares de
volts. A interrupção da corrente pode ser realizada, por exemplo, com o auxílio
de um interruptor usado nas transmissões telegráficas de código Morse. As
potências dessas bobinas, medidas pelo comprimento da centelha que elas
produziam, serviam para classificar os laboratórios da época. Para se ter uma
idéia da ordem de grandeza, a Royal Institution of London preserva uma
grande bobina de Ruhmkorff com 280 milhas de fio na bobina secundária, e capaz
de produzir centelhas com 42 polegadas de comprimento.
Parece certo que o primeiro tubo de vácuo utilizado
por Roentgen foi um tubo de Lenard, mas, aparentemente, ele comprou outros
tubos de raios catódicos convencionais. A diferença essencial entre um e outro
tipo de tubo, é que o de Lenard possui uma janela de alumínio, projetada para
permitir o estudo dos raios catódicos no seu exterior. Confeccionados em vidro,
esses tubos possuíam apenas dois eletrodos no seu interior. Com o uso cada vez
mais freqüente dos raios X, outros tubos passaram a ser construídos. Até 1913,
o mais usado era o tubo de focalização, mas logo depois passou a ter larga
aceitação o tubo de Coolidge, um modelo ainda usado nos dias atuais.
Do que se sabe, podemos imaginar o seguinte
procedimento adotado por Roentgen: os terminais da bobina de Ruhmkorff foram
ligados aos eletrodos do tubo de vácuo; com a manipulação de um interruptor do
tipo telégrafo alta voltagem era produzida entre os terminais; o choque do
feixe de raios catódicos (elétrons) com o anodo (eletrodo positivo) produzia os
raios X. Na essência, o procedimento utilizado atualmente é o mesmo. Costuma-se
distinguir dois tipos de raios X produzidos nesse processo. Um deles constitui
o espectro contínuo, bremsstrahlung em alemão, e resulta da
desaceleração do elétron durante a penetração no anodo. O outro tipo é o raio X
característico do material do anodo. Assim, cada espectro de raios X é a
superposição de um espectro contínuo e de uma série de linhas espectrais
características do anodo.
Os Raios X e a Tabela Periódica
Por volta de 1913, Moseley mediu as freqüências das
linhas espectrais dos raios X característicos de cerca de 40 elementos. A
partir do gráfico da raiz quadrada da freqüência versus o número atômico
Z do elemento, ele obteve uma relação que passou a ser conhecida como lei de
Moseley (veja detalhes no texto sobre os conceitos elementares de raios X). A
repercussão imediata deste resultado foi a alteração da tabela periódica. Esse
trabalho de Moseley teve papel importantíssimo na consolidação e aceitação
internacional do modelo de Bohr. Na verdade, foi o primeiro dos trabalhos
experimentais a confirmar as predições de Bohr. Em carta escrita a Bohr no dia
16 de novembro de 1913, Moseley observa que a sua fórmula poderia ser escrita
numa forma idêntica àquela obtida com o modelo de Bohr.
Antes do trabalho de Moseley o número atômico era
associado à posição do átomo na tabela periódica de Mendelev, a qual distribuía
os elementos de acordo com o seu peso. Moseley mostrou, por exemplo, que o
argônio deveria ter Z=18, ao invés de Z=19 (conforme a tabela de Mendelev). Por
outro lado, o potássio deveria ter Z=19, ao invés de Z=18. Ele também mostrou
que o cobalto deve preceder ao níquel, apesar do peso atômico do Co ser maior
do que o do Ni. De acordo com Mendelev, o número atômico era aproximadamente
igual à metade do peso atômico. Moseley definiu o peso atômico como igual ao
número de elétrons do átomo eletricamente neutro.
Comparando-se as expressões obtidas por Moseley com
a fórmula de Balmer-Rydberg deduzida por Bohr, vê-se que elas diferem pela
presença de uma constante subtrativa ao valor de Z. Moseley explicou-a como
sendo devido ao efeito de blindagem da carga nuclear pelos elétrons orbitais
mais intensos.
A lei de Moseley apresentava resultados bastante
diferentes daqueles do paradigma científico vigente. Através dela Moseley
deduziu que entre o hidrogênio e o urânio, deveria haver exatamente 92 tipos de
átomos, cujas propriedades químicas eram governadas por Z, e não pelo peso
atômico. Isto significava dizer que a tabela periódica devia seguir a ordem
crescente do número atômico e não a do peso atômico. Obedecida essa seqüência,
alguns lugares daquela tabela ficaram vagos, os correspondentes a Z = 43, 61,
75, 85 e 87. Por essa época, havia uma grande polêmica entre os químicos a
respeito do número exato de terras raras; discutia-se se estas iam de Z=58 a
Z=71 ou a Z=72.
O grande estudioso das terras raras era Georges
Urbain, sendo ele inclusive o descobridor de uma delas, o lutécio (Z=71), em
1907. Em 1911, Urbain pensou ter isolado outra terra rara, com Z=72, a que
chamou de céltio. No entanto, os métodos químicos de análise até então usados
eram complicados e incertos. Ao ouvir falar, em 1914, do método de Moseley,
Urbain deslocou-se da França para a Inglaterra, levando amostras de terras
raras, inclusive uma do provável céltio. Em poucas horas Moseley as examinou e
as classificou sem, no entanto, confirmar o céltio. A amostra deste, observou
Moseley, nada mais era do que uma mistura de terras raras conhecidas. Urbain
ficou tão impressionado com o trabalho de Moseley que resolveu divulgá-lo na
comunidade dos químicos. Apesar dessa postura, Urbain continuou acreditando ser
o elemento Z=72 uma terra rara, e prosseguiu em sua busca. Essa crença foi
fortemente renovada quando em maio de 1922, Alexandre Dauvillier anunciou ter
isolado o céltio, através de uma análise do espectro de raios-X do tipo L de
amostras contendo as terras raras ytérbio (Z=70) e lutécio. Essa notícia foi
tão fantástica que chegou a impressionar Rutherford, pois desde 1914 ele
acompanhava com grande interesse a polêmica sobre ser ou não ser uma terra
rara, o elemento 72. Convicto de que essa polêmica havia encerrado, Rutherford
escreveu uma carta à Nature (17/06/1922) na qual dizia que um dos
lugares vagos da tabela periódica de Moseley acabara de ser preenchido.
Os físicos dinamarqueses, com base no modelo de
Bohr, afirmavam que o elemento 72 devia ser um metal similar ao zircônio. O
próprio Bohr fizera esta afirmação em sua sexta "lecture"
Wolfskehl, ministrada em Göttingen, no dia 21 de junho de 1922. Ao ler a
carta de Rutherford, na Nature do dia 17, Bohr chegou a pensar que sua
afirmativa estava errada, tanto que manifestou essa opinião em carta enviada a
James Franck em 15 de julho do mesmo ano. No entanto, ao saber que Dirk Coster,
um especialista em espectroscopia de raios-X, não concordava com a
interpretação de Dauvillier, Bohr resolveu convidá-lo a trabalhar em Copenhague
para que, juntamente com von Hevesy, os três pudessem dirimir tão polêmica
questão. Coster chegou a Copenhague em setembro, iniciando imediatamente a
busca do elemento 72 em minérios de zircônio. No dia 11 de dezembro, poucos
minutos antes de proferir sua "Nobel lecture", Bohr recebeu um
telefonema de Coster dando conta de resultados positivos. No final da sua
"aula Nobel", Bohr anunciou a importante descoberta. No volume 111 de
Nature (20/01/1923), em carta assinada por Coster e von Hevesy, o mundo
científico fica sabendo da descoberta do háfnio, o elemento com número atômico
72. O nome foi dado em homenagem a Copenhague, que em latim significa hafniae.
Segundo Mehra e Rechenberg, essa descoberta constituiu-se no maior triunfo de
Niels Bohr.
Com relação aos elementos previstos por Moseley, é
oportuno salientar que o elemento 75, o rénio, foi descoberto em 1925, pelo
casal Noddack. O elemento 87, descoberto em 1939, por Marguerite Perey, recebeu
o nome de frâncio e pertence a uma família radioativa natural. Os demais
elementos (43, 61 e 85) foram obtidos artificialmente. Sendo suas vidas-médias
muito curtas, esses elementos não podiam ser naturalmente produzidos, ou pelo
menos observados.
HISTÓRICO
RESUMIDO DA EVOLUÇÃO DA FÍSICA (2)
Os primeiros estudos dos fenômenos naturais são
datados de centenas de anos antes de Cristo. Desde a Grécia Antiga o homem
procura entender o funcionamento da natureza e busca na ciência estas
explicações. Atualmente, a física atua em vários ramos da indústria, de
tecnologia, de geração de energia entre outros.
Segue abaixo um histórico de alguns dos tópicos
mais importantes da evolução da física desde Leucipo à detecção dos quarks:
·
Séc. V a.C. - O
filósofo grego Leucipo desenvolve a teoria de que a matéria de todos os corpos
é formada por partículas infinitamente pequenas chamadas de átomos.
·
Séc. III a.C. –
Aristóteles elaborou um sistema filosófico para a explicação do movimento dos
corpos e do mundo físico que o cercava. Para Aristóteles, toda e qualquer matéria
era composta de quatro elementos: Terra, Água, Ar e Fogo, e esses elementos
tinham posições determinadas no Universo. O lugar natural do fogo e do ar era
sempre acima do lugar natural da água e da terra. Desse modo explicava porque
uma pedra e a chuva caem: seus lugares naturais eram terra e água.
Analogamente, a fumaça e o vapor sobem em busca de seus lugares naturais acima
da terra. Aristóteles também elaborou várias outras teorias sobre ciências
naturais que foram aceitas até a renascença.
·
Séc. III a.C - o
pensador grego Arquimedes deduziu muitas descrições corretas da hidrostática
quando, como a história conta, ele notou que seu próprio corpo deslocava um
volume de água enquanto ele estava tomando um banho um dia.
·
1025 - O árabe
Alhazen (965-1039), estuda fenômenos óticos e propõe que os olhos humanos
funcionem como lentes captadoras de luz. Afirma que as pessoas só vêem porque
são capazes de detectar a luz que é refletida por outros objetos. Escreveu
numerosas obras notáveis pelo estilo e pelas observações sobre os fenômenos da
refração da luz, com especial incidência na refração atmosférica ao nascer e ao
pôr do Sol.
·
1269 - Datado
de 8 de agosto de 1269, Pierre Pèlerin de Maricourt escreveu um trabalho
conhecido como Epístola do Magneto, com a qual explica como identificar os
pólos de uma bússola. Também descreve as leis da atração e repulsa magnética,
bem como a descrição de bússolas, uma dos quais poderia direcionar seus passos
para cidades e ilhas e qualquer lugar do mundo.
·
1510 – Pela
primeira vez de que se têm registros, a teoria Heliocêntrica de Nicolau
Copérnico é apresentada em sua obra Commentariolus.
·
1543 – Nicolau
Copérnico publica uma obra que trata sobre as revoluções dos corpos celestes em
torno do Sol.
·
1589 – Galileu
Galilei inicia o estudo do movimento do pêndulo tendo determinado que o seu
período não depende da massa, mas apenas do comprimento do fio. Foi o primeiro
a pensar que este fenômeno permitiria fazer relógios muito mais precisos, e
chegou já no final da sua vida a trabalhar no mecanismo de escapo que mais
tarde originaria o relógio de pêndulo. Também em Pisa realizou as suas famosas
experiências de queda de corpos em planos inclinados. Nestas demonstra que a
velocidade de queda não depende do peso.
·
1647 – Blaise
Pascal enuncia os primeiros trabalhos sobre o vácuo e demonstrou as variações
da pressão atmosférica.
·
1648 – O
italiano Evangelista Torricelli, inventa um barômetro de mercúrio, que mais
tarde levaria seu nome.
·
1657 - Robert Hooke
comprova a teoria de Galileu de que todos os corpos caem com a mesma velocidade
no vácuo.
·
1662 - Robert
Boyle demonstra que o ar pode ser comprimido, formulando a lei que relaciona
volume e pressão de um gás, que passaria a se chamar Lei de Boyle.
·
1665 - Isaac
Newton faz as primeiras hipóteses sobre gravitação, segundo crenças, após ser
atingido por uma maçã.
·
1666 - Isaac
Newton descobre o espectro da luz branca, chegando à conclusão de que a luz
branca é na verdade a composição de todas as cores do espectro que são as cores
do arco-íris.
·
1676 - Olaus
Römer propõe que a luz tem uma velocidade finita.
·
1678 -
Christiaan Huygens defende a idéia de que a luz se propaga como onda. Mas não
consegue demonstrar, na prática, o que afirma. Também descobre a polarização da
luz.
·
1687 - Isaac
Newton publica o livro Principia, no qual apresenta as três leis que
regem a física clássica e a lei da gravitação universal.
·
1690 -
Christiaan Huygens formula a teoria ondulatória da luz.
·
1738 - Daniel
Bernoulli levanta a hipótese de que os gases são compostos de uma infinidade de
partículas minúsculas, sempre em movimento. E que a temperatura de um gás
reflete a velocidade dessas partículas. Também publica estudos sobre a pressão
e a velocidade dos fluidos.
·
1752 -
Benjamim Franklin publica o resultado de suas observações sobre raios, propondo
que existem dois tipos de carga elétrica, a positiva e a negativa. Propõe
também a lei da atração e repulsa das cargas de acordo com seu sinal.
·
1785 - Charles
Augustin Coulomb enuncia a lei das forças eletrostáticas.
·
1800 - William
Herschel descobre que o Sol emite, além de luz, outro tipo de raio: os raios
infravermelhos.
·
1801 - Thomas
Young demonstra que a luz é, ou pode se comportar como uma onda.
·
1801 - Carl
Ritter descobre a radiação ultravioleta.
·
1820 - Hans
Oersted aproxima uma bússola de um fio eletrificado, mostrando que a corrente
elétrica podia mover o ponteiro da bússola dando uma demonstração prática de
que as forças elétricas e magnéticas têm propriedades comuns.
·
1820 -
André-Marie Ampère formula leis da eletrodinâmica.
·
1821 - Michael
Faraday propõe os fundamentos da indução eletromagnética.
·
1824 -
Nicolas-Leonard-Sadi Carnot dá início à termodinâmica em uma tentativa de
avaliar e aumentar a eficiência das máquinas a vapor.
·
1827 - Georg
Simon Ohm formula a lei que relaciona o potencial, a resistência e a corrente
elétrica.
·
1831 –
Michael Faraday propõe a indução eletromagnética.
·
1831 - James
Maxwell descreve a luz como uma onda eletromagnética.
·
1839 - Antoine
Becquerel descobre um dispositivo capaz de captar energia da luz, a célula
fotovoltaica.
·
1842 -
Christian Doppler formula as bases do efeito Doppler.
·
1843 - James
Prescott Joule constrói uma máquina capaz de medir a equivalência mecânica do
calor, determinando assim a quantidade de trabalho mecânico necessária para
produzir uma unidade de calor.
·
1847 – A
experiência de Joule torna possível a afirmação da chamada Lei de Conservação
da Energia, ou Primeira Lei da Termodinâmica. Definida por Hermann Ludwig
Ferdinand von Helmholtz.
·
1848 - William
Thomson, o Lorde Kelvin, verifica que a temperatura dos corpos não pode
diminuir indefinidamente. Chegando a um limite a partir do qual ela não cai
mais, denominado zero absoluto.
·
1849 - Armand
Fizeau mede a velocidade da luz.
·
1850 – Rudolf
Julius Emanuel Clausius cria a Segunda Lei da Termodinêmica.
·
1859 – Gustav
Robert Kirchhoff descobre as linhas espectrais, diferentes para cada elemento
químico.
·
1865 – James
Clerk Maxwell unifica as leis das forças elétricas e magnéticas. Descobre
também que a luz é apenas energia eletromagnética em movimento. Ou seja,
Maxwell unifica três ciências: a eletricidade, o magnetismo e a ótica.
·
1884 - A
mecânica estatística, desenvolvida pelo alemão Ludwig Eduard Boltzmann,
aprofunda a Teoria Cinética dos Gases, de Maxwell.
·
1887 - Heirich
Rudolf Hertz descobre o efeito fotoelétrico.
·
1895 - Wilheim
Konrad Röntgen revela a existência dos raios X.
·
1896 - Henri
Becquerel descobre a radiatividade.
·
1896 -
Rutherford descobre os raios alfa e beta produzidos nos átomos radiativos.
·
1900 - Max
Planck propõe a existência de minúsculos "pacotes" de luz e chama
esses pacotes de quanta.
·
1905 - Albert
Einstein declara que os quanta são uma nova espécie de partículas: os
átomos de luz.
·
1905 – Albert
Einstein desenvolve a Teoria da Relatividade.
·
1907 - Hermann
Minkowski desenvolve uma formulação matemática mais elegante e mais prática
para a Teoria da Relatividade, adicionando uma quarta dimensão ao espaço, a
dimensão do tempo.
·
1908 -
Jean-Baptiste Perrin observa pela primeira vez o tamanho dos átomos.
·
1911 - Ernest
Rutherford verifica que o átomo tem um núcleo central, duríssimo, no qual fica
concentrada quase toda sua massa.
·
1913 - Niels
Bohr dá a primeira descrição de um átomo. No centro ficaria o núcleo, cerca de
100 mil vezes menor que o átomo todo. A sua volta girariam os elétrons da mesma
forma como os planetas orbitam o Sol.
·
1916 - Albert
Einstein propõe a Teoria da Relatividade Geral que amplia sua Teoria da
Relatividade, que então passa a ser conhecida como Teoria da Relatividade
Restrita, para englobar os efeitos da força da gravidade.
·
1923 -
Louis-Victor-Pierre-Raymond de Broglie demonstra que as partículas podem agir
como ondas. Ele descobre que o elétron aparece como uma partícula, ou seja, um
concentrado de matéria, e, também, como onda, como se sua massa estivesse
espalhada pelo espaço, oscilando.
·
1926 - Partindo
da idéia de que as partículas, como o elétron, às vezes agem como ondas, Erwin
Schrödinger reformula imagem dos átomos. Os elétrons, agora, não seriam mais
partículas girando em torno do núcleo e sim como se cada elétron fosse uma onda
vibrando ao redor do núcleo.
·
1927 - Werner
Carl Heisenberg define o Princípio da Incerteza, sobre o qual se baseia quase
toda a mecânica quântica.
·
1932 - James
Chadwick detecta o nêutron, a segunda partícula componente do núcleo dos
átomos.
·
1932 - Carl
David Anderson observa o pósitron, que é a antimatéria do elétron, ou seja, uma
partícula igual ao elétron em todos os aspectos, exceto na carga elétrica, que
é positiva no pósitron e negativa no elétron.
·
1934 - Enrico
Fermi descobre a força que mais tarde seria chamada de nuclear fraca.
·
1935 - Hideki
Yukawa descobre a força nuclear forte.
·
1939 - Pela
primeira vez um núcleo atômico é fissionado, o do Urânio.
·
1947 – São
detectados outros dois tipos de partículas subatômicas, os mésons e os
hípedrons.
·
1956 – Mais uma
partícula subatômica é detectada, o neutrino, pelo Laboratório de Los Angeles.
·
1967 – John
Wheeler propõe o termo “buraco negro”.
·
1972 - Murray
Gell-mann propõe a teoria de que os componentes do núcleo atômico são compostos
de partículas ainda menores, os quarks.
·
1986 - Bednorz
e K.A. Müller produzem um supercondutor a "alta" temperatura, ou
seja, um material que sob temperaturas baixas, mas alcançáveis, apresenta
resistividade elétrica nula.
·
1987 - Johannes
Georg Bednorz e Karl Alex Müller descobrem as chamadas cerâmicas
supercondutoras, capazes de conduzir eletricidade sem perda de energia.
·
1999 - A física dinamarquesa Lene
Vestergaard, consegue reduzir a velocidade da luz, fazendo com que esta
ultrapasse uma matéria conhecida como condensado de Bose-Einsten. A velocidade
da luz é reduzida em 18 milhões de vezes.
·
2000 - Cientistas do Centro Europeu
de Pesquisas Nucleares comprovam que é possível tirar partículas subatômicas,
os quarks, dos prótons e nêutrons.
Fontes:
excelente produto aqui passado
ResponderExcluirBardzo fajnie napisane. Pozdrawiam serdecznie !
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