Descoberta do Nêutron
- Nêutrons são partículas atômicas, ou seja, fazem parte da composição dos átomos. Os nêutrons foram identificados pela primeira vez em 1932, pelo físico inglês James Chadwick (1891-1974). Esse cientista realizava experimentos com radioatividade quando constatou a presença de uma partícula que não possuía carga elétrica, ele a batizou de Nêutron (carga nula).
O nome não podia ser mais apropriado, uma vez que a falta de carga elétrica torna essa partícula neutra. Ela se faz presente no núcleo do átomo juntamente com os prótons (que possuem carga positiva). Os nêutrons possuem valores de massa próximos aos da massa de prótons.
- Em 1922 Neils Bohr recebeu o prêmio Nobel por suas contribuições na Teoria Atômica. A partir daí (esta é uma data de referência) vários cientistas empreendem uma corrida cujo intuito é penetrar cada vez mais no interior do átomo e desvendar os mistérios que envolvem este segmento da matéria.
Uma das grandes questões que havia era se, além do próton, existiam outras partículas no núcleo e como elas deveriam se comportar. A problemática era subjacente ao seguinte fato: o núcleo de Hidrogênio tem metade da carga de um núcleo de Hélio, no entanto o Hélio tem o quádruplo da massa do Hidrogênio. A mesma relação se repete para o Carbono e o Oxigênio, além de outros átomos estudados na época. Qual o motivo desta relação?
- Desde 1920, Ernest Rutherford já “previa” a existência de partículas grandes e sem carga (daí o nome Nêutron) em seus estudos. A partir daí empreende estudos na tentativa de comprová-los. Apesar de seus esforços, James Chadwick, seu aluno, é quem consegue confirmar a existência do nêutron a partir dos estudos de Irène Curie e Frédéric Juliot (filha e genro do casal Curie), os quais descobriram um tipo de radiação altamente energética, contudo sem carga. Este fato foi decisivo na descoberta de Chadwick. Irene e Juliot estavam pesquisando acerca do bombardeio de Berílio com partículas alfa. Acreditavam, erroneamente, havia como resultado partículas alfa, no entanto Chadwick esclarece a presença do nêutron na situação, o que lhe rendeu o prêmio Nobel de Física de 1935.
A descoberta do aluno de Rutherford dá um passo extremamente importante no estudo do núcleo atômico e, consequentemente, abre discussões acerca do que pode ainda haver nesta misteriosa região.
- A massa inercial de um Nêutron é 1,008664904 unidades de massa atômica, cerca de 0,1% mais pesado que o próton.
Como a carga de um Nêutron é nula, sua interação com campos eletromagnéticos é desprezível. Sendo assim, a sua interação com a matéria se dá com a interação direta entre os núcleos o que o faz uma “peça chave” quando se pretende investigar acerca de núcleos atômicos sem a interferência das camadas.
De acordo com a literatura, estas partículas são classificadas em três faixas (de acordo com a sua energia cinética): nêutrons térmicos, nêutrons epitérmicos e nêutrons rápidos.Os dois usos tecnológicos mais conhecidos do nêutron são a bomba atômica e os reatores nucleares, ambos fundamentados no evento da fissão nuclear
Átomo
- Em 1897, J.J. Thomson descobriu o elétron, cujas carga e massa foram posteriormente determinadas. O mesmo Thomson observou a importância que tais partículas deveriam ter na constituição do átomo, tidos à época como os elementos básicos formadores da matéria. No entanto, o átomo é eletricamente neutro e a carga do elétron, recém determinada naquela época, é negativa.
Por outro lado, a massa de um átomo é sabidamente muito maior que a massa do elétron. Thomson imaginou então que o átomo deveria ser formado por uma espécie de “pasta” com carga positiva e muito mais pesada que os elétrons, os quais ficariam distribuídos de forma mais ou menos uniforme dentro desta “pasta”. Era o chamado Modelo de Pudim de Ameixas, onde os elétrons representariam as ameixas e a carga positiva seria o pudim. Poucos anos mais tarde, este modelo foi no entanto refutado por um famoso experimento realizado pelo físico neozelandês Rutherford, cujos resultados foram apresentados à comunidade em 1911.
- Mais ou menos na mesma época em que o elétron foi detectado pela primeira vez, foi descoberto um importante fenômeno conhecido como Radioatividade, segundo o qual alguns elementos conhecidos emitiam partículas de carga elétrica positiva ou negativa com energia várias ordens de grandeza superior às energias observadas na escala atômica ou molecular. Rutherford utilizou um destes elementos, o qual emitia partículas eletricamente positivas (as chamadas partículas N ) para bombardear uma fina placa de ouro colocada perpendicularmente ao feixe de partículas alfa. Observando o desvio destas partículas ao atravessar a placa, Rutherford pode concluir que o átomo, ao contrário do que imaginara Thomson, deve ser formado por uma distribuição de carga positiva e de pequena dimensão (cerca de dezenas de milhares de vezes menor), quando comparada com as dimensões totais do átomo. Esta importante observação serviu para a formulação do chamado Modelo Planetário do Átomo, proposto mais tarde por Niels Bohr. Mas não menos importante foi o fato de que este experimento pode ser considerado
Os pequenos pontos representam os elétrons enquanto que o ponto maior ao centro, o núcleo atômico. As linhas contínuas representam as trajetórias prováveis das partículas, para cada um dos modelos (de Thomson e de Rutherford). Observe que de acordo com os resultados de Rutherford, a partícula será fortemente desviada em relação à trajetória original ao passar próxima do núcleo devido à repulsão Coulombiana entre ambos.
- Para termos uma idéia de como este ramo da Física se desenvolveu, devemos começar dizendo que, no início da década de 1930, sabia-se que o núcleo atômico, descoberto 20 anos antes por Rutherford, era composto por duas partículas diferentes: o próton, cuja carga era a mesma do elétron porém com sinal positivo e com uma massa cerca de 2000 vezes maior, e o nêutron, cuja massa é muito próxima à do próton e com carga elétrica nula. De acordo com o modelo de Bohr, citado acima, os elétrons orbitam em torno do núcleo graças à ação da força eletromagnética.
Tudo se encaixaria perfeitamente não fosse uma questão simples, mas fundamental: as mesmas forças eletromagnéticas que mantêm os elétrons em volta do núcleo devem causar uma violenta repulsão entre os prótons dentro do núcleo, já que estes ocupam um volume muito menor que o átomo como um todo. A resposta óbvia é que prótons e nêutrons devem sentir dentro do núcleo uma força suficientemente forte para evitar a repulsão entre os prótons e ao mesmo tempo esta força deve ser de curto alcance, ou seja, deve agir apenas para distâncias da ordem do tamanho do núcleo, já que elas são imperceptíveis no nosso dia-a-dia do mundo macroscópico, ao contrário do que ocorre com as forças eletromagnéticas, de longo alcance e responsáveis por toda a estrutura molecular que constitui a matéria tangível.
- Nesta altura, já se conhecia o papel que o fóton ou quantum de energia eletromagnética, possuía dentro de nossa compreensão das forças eletromagnéticas. De fato, de acordo com a concepção moderna do conceito de força, cada uma das interações básicas da natureza se manifesta através da troca entre partículas (ou campos) conhecidas como “bósons de gauge”. No caso da força eletromagnética, o fóton é o “bóson de gauge” correspondente e pode ser visto como uma espécie de mediador da força eletromagnética (ou partícula transportadora de força) sentida por duas partículas eletricamente carregadas.
Assim, dois elétrons a uma dada distância um do outro, interagem por que estão constantemente trocando fótons entre si. Em 1934, baseado nesta mesma idéia, Yukawa propôs a existência de uma nova partícula capaz de fazer esta mesma mediação para o caso da força nuclear ou força forte. Yukawa previu inclusive a massa que tal partícula deveria ter e a chamou de méson. Aproximadamente 10 anos mais tarde, mais precisamente em 1946, o méson de Yukawa foi detectado experimentalmente e verificou-se que sua massa era de fato muito próxima ao valor estimado por ele. Surgia assim a primeira teoria para a força forte. Atualmente, o méson de Yukawa é conhecido como méson ou simplesmente pion, e de lá para cá mais de algumas dezenas de tipos diferentes de mésons foram observados experimentalmente.
- No caso do pion, sua determinação experimental foi feita usando-se uma técnica de observação dos chamados raios cósmicos, que chegam constantemente ao nosso planeta provenientes do espaço. É importante lembrar o papel que o físico brasileiro César Lattes teve nesta descoberta.
Mais recentemente, a observação de mésons pode ser feita com o auxílio de grandes aceleradores de partículas, através de reações nucleares produzidas a altas energias. As técnicas empregadas nestes grandes aceleradores modernos não são fundamentalmente muito diferentes da técnica empregada no experimento pioneiro de Rutherford, embora a tecnologia usada hoje seja bem mais sofisticada.
Estrela de nêutrons podem ajudar no entendimento de leis físicas e da Relatividade Geral.
