Contente
- Como Chadwick descobriu o nêutron?
- A importância da teoria atômica de Chadwick
- Contribuição de James Chadwicks à bomba atômica
- Nêutrons, radioatividade e além
Hoje, os cientistas imaginam os átomos como sendo compostos por núcleos minúsculos, pesados e com carga positiva, cercados por nuvens de elétrons extremamente leves e com carga negativa. Este modelo remonta à década de 1920, mas tem sua origem na Grécia antiga. O filósofo Demócrito propôs a existência de átomos por volta de 400 a.C. Ninguém realmente aceitou a idéia com fervor até que o físico inglês John Dalton introduziu sua teoria atômica no início do século XIX. O modelo de Daltons estava incompleto, mas persistiu basicamente inalterado durante a maior parte do século XIX.
Uma enxurrada de pesquisas sobre o modelo atômico ocorreu no final do século XIX e no século XX, culminando no modelo de átomo de Schrodinger, conhecido como modelo de nuvem. Logo depois que o físico Erwin Schrodinger o introduziu em 1926, James Chadwick - outro físico inglês - acrescentou uma peça crucial à imagem. Chadwick é responsável por descobrir a existência do nêutron, a partícula neutra que compartilha o núcleo com o próton carregado positivamente.
A descoberta de Chadwicks forçou uma revisão do modelo de nuvem, e os cientistas às vezes se referem à versão revisada como o modelo atômico de James Chadwick. A descoberta rendeu a Chadwick o Prêmio Nobel de 1935 em física e possibilitou o desenvolvimento da bomba atômica. Chadwick participou do projeto super-secreto de Manhattan, que culminou no envio de bombas nucleares em Hiroshima e Nagasaki. A bomba contribuiu para a rendição do Japão (muitos historiadores acreditam que o Japão teria se rendido de qualquer maneira) e o fim da Segunda Guerra Mundial. Chadwick morreu em 1974.
Como Chadwick descobriu o nêutron?
J.J. Thompson descobriu o elétron usando tubos de raios catódicos na década de 1890, e o físico britânico Ernest Rutherford, o chamado pai da física nuclear, descobriu o próton em 1919. Rutherford especulou que elétrons e prótons poderiam se combinar para produzir uma partícula neutra com aproximadamente o mesmo massa como próton, e os cientistas acreditavam que essa partícula existia por várias razões. Por exemplo, sabia-se que o núcleo de hélio tem um número atômico de 2, mas um número de massa de 4, o que significava que continha algum tipo de massa misteriosa neutra. Ninguém jamais havia observado um nêutron ou provado que ele existia.
Chadwick estava particularmente interessado em um experimento conduzido por Frédéric e Irène Joliot-Curie, que haviam bombardeado uma amostra de berílio com radiação alfa. Eles observaram que o bombardeio produziu uma radiação desconhecida e, quando permitiram que atingisse uma amostra de parafina, observaram prótons de alta energia sendo lançados do material.
Insatisfeito com a explicação de que a radiação era feita de fótons de alta energia, Chadwick duplicou o experimento e concluiu que a radiação tinha que ser composta de partículas pesadas sem carga. Ao bombardear outros materiais, incluindo hélio, nitrogênio e lítio, Chadwick conseguiu determinar que a massa de cada partícula era um pouco mais do que a de um próton.
Chadwick publicou seu artigo "A Existência de um Nêutron" em maio de 1932. Em 1934, outros pesquisadores haviam determinado que o nêutron era de fato uma partícula elementar e não uma combinação de prótons e elétrons.
A importância da teoria atômica de Chadwick
A concepção moderna do átomo mantém a maioria das características do modelo planetário estabelecido por Rutherford, mas com importantes modificações introduzidas por Chadwick e pelo físico dinamarquês Neils Bohr.
Foi Bohr quem incorporou o conceito de órbitas discretas nas quais os elétrons estavam confinados. Ele baseou isso em princípios quânticos que eram novos na época, mas que se estabeleceram como realidades científicas. De acordo com o modelo de Bohr, os elétrons ocupam órbitas discretas e, quando se deslocam para outra órbita, emitem ou absorvem não em quantidades contínuas, mas em feixes de energia, chamados quanta.
Incorporando o trabalho de Bohr e Chadwick, a imagem moderna do átomo é assim: A maior parte do átomo é de espaço vazio. Elétrons com carga negativa orbitam um núcleo pequeno, porém pesado, composto de prótons e nêutrons. Como a teoria quântica, baseada no princípio da incerteza, considera os elétrons como ondas e partículas, eles não podem ser localizados definitivamente. Você só pode falar sobre a probabilidade de um elétron estar em uma posição específica, de modo que os elétrons formam uma nuvem de probabilidade em torno do núcleo.
O número de nêutrons no núcleo é geralmente o mesmo que o número de prótons, mas pode ser diferente. Os átomos de um elemento que possui um número diferente de nêutrons são chamados isótopos desse elemento. A maioria dos elementos possui um ou mais isótopos, e alguns possuem vários. O estanho, por exemplo, possui 10 isótopos estáveis e pelo menos o dobro de instáveis, dando-lhe uma massa atômica média significativamente diferente do dobro do seu número atômico. Se a descoberta do nêutron por James Chadwicks nunca tivesse ocorrido, seria impossível explicar a existência de isótopos.
Contribuição de James Chadwicks à bomba atômica
A descoberta de Chadwicks do nêutron levou diretamente ao desenvolvimento da bomba atômica. Como os nêutrons não têm carga, eles podem penetrar mais profundamente nos núcleos dos átomos alvo do que os prótons. O bombardeio de nêutrons de núcleos atômicos se tornou um método importante para obter informações sobre as características dos núcleos.
No entanto, não demorou muito para os cientistas descobrirem que bombardear o super-pesado urânio-235 com nêutrons era uma maneira de separar os núcleos e liberar uma enorme quantidade de energia. A fissão do urânio produz mais nêutrons de alta energia que quebram outros átomos de urânio, e o resultado é uma reação em cadeia incontrolável. Uma vez que isso era conhecido, era apenas uma questão de desenvolver uma maneira de iniciar a reação de fissão sob demanda em um revestimento de entrega. Fat Man e Little Boy, as bombas que destruíram Hiroshima e Nagasaki, foram o resultado do esforço secreto de guerra conhecido como Projeto Manhattan, realizado para fazer exatamente isso.
Nêutrons, radioatividade e além
A Teoria Atômica de Chadwick também possibilita o entendimento da radioatividade. Alguns minerais que ocorrem naturalmente - assim como os produzidos pelo homem - emitem radiação espontaneamente, e a razão tem a ver com o número relativo de prótons e nêutrons no núcleo. Um núcleo é mais estável quando possui um número igual e se torna instável quando possui mais um que outro. Em um esforço para recuperar a estabilidade, um núcleo instável libera energia na forma de radiação alfa, beta ou gama. A radiação alfa é composta de partículas pesadas, cada uma composta por dois prótons e dois nêutrons. A radiação beta consiste em elétrons e radiação gama de fótons.
Como parte do estudo de núcleos e radioatividade, os cientistas dissecaram ainda mais prótons e nêutrons para descobrir que eles próprios são compostos de partículas menores chamadas quarks. A força que mantém prótons e nêutrons juntos no núcleo é chamada de força forte, e a força que mantém quarks juntos é conhecida como força da cor. A força forte é um subproduto da força da cor, que depende da troca de glúons, que são outro tipo de partícula elementar.
O entendimento possibilitado pelo modelo atômico de James Chadwick trouxe o mundo para a era nuclear, mas a porta para um mundo muito mais misterioso e intrincado está aberta. Por exemplo, os cientistas podem um dia provar que o universo inteiro, incluindo os núcleos atômicos e os quarks de onde são feitos, é composto de seqüências infinitesimais de energia vibratória. O que quer que eles descubram, o farão sobre os ombros de pioneiros como Chadwick.