a fisica do seculo_xx - Física em Sala de Aula

UNIDADE 6 – A FÍSICA DO SÉCULO XX
6.1 - BECQUEREL E A DESCOBERTA DA RADIOATIVIDADE
H. Becquerel (1954-1912). Ilustração do livro
“Century of the Atom”
Segundo o físico inglês e, também filosofo da ciência, John Desmond Bernal
(1901-1971), na celebre obra Science in History, publicada em 1954, diz: se
Becquerel tivesse feito suas experiências com sulfeto de zinco ao invés de
nitrato de urânio, talvez a descoberta da radioatividade tivesse sofrido um
atraso de pelo menos cinqüenta anos.
6.2 - RUTHERFORD E A RADIOATIVIDADE
A descoberta dos raios-X por Roentgen, em 1895, levou Rutherford a medir a
ionização provocada pelos mesmos, trabalho esse feito em colaboração com
Thomson, de quem era pesquisador estudante no Laboratório Cavendish, em
Londres, Inglaterra. Quando Becquerel descobriu a radioatividade do urânio,
em 1896, Rutherford utilizou sua experiência na medida da ionização produzida
pelo urânio. No desenvolvimento desse trabalho, descobriu Rutherford, em
1896 que o urânio. No desenvolvimento emitia suas espécies de radiação: alfa
e beta, como ele as denominou, e as distingui observando sua absorção pela
matéria. Em 1899, Becquerel e os físicos austríacos Stefen Meyer (1872-1949)
e Egon von Schweidler (1873-1948) emais o alemão Frederick Otto Giesel
(1852-1927) observaram, independentemente, a deflexão magnética sofrida
por essas partículas. Em 1900, Becquerel mostrou que os raios catódicos, isto
é, elétrons. Ainda em 1900, o físico francês Paul Villard(1860-1934) descobriu
uma terceira parcela radioativa, a radiação penetrante gama , semelhante à
radiação-X. Em 1903, Rutherford, agora trabalhando na Universidade McGill,
em Montreal, no Canadá, juntamente com o químico inglês e Prêmio Nobel de
Química em 1921, Frederick Soddy (1877-1956), mostraram que cada
processo radiativo é uma transmutação de elementos. Além desse problema,
Rutherford continuava preocupado com a natureza dos raios alfa. A pesar dele
estar convencido de que aquelas partículas eram íons de hélio, somente com
sua volta à Inglaterra é que retomaria a questão, conseguindo demonstrar em
1909, com o auxilio do químico inglês Thomas Royds (1994-1955), e utilizando
métodos espectroscópicos, que as partículas alfa eram átomos de Helio
duplamente ionizados.
6.3 - MADAME CURIE E OS ELEMENTOS RADIOATIVOS
O casal Curie (Pierre e Marie). Ilustração do livro
“Century of the Atom”
A física química polonesa e bi-Nobel (Física, 1903 e química, 1911) Marie
Sklodowsla Curie (1967-1934) – a genial Madame Curie - folheando os
“Comptesrendus” (Anais da Academia Francesa de Ciências), em busca de um
assunto para a sua tese de doutoramento, deteve-se diante doa trabalhos de
Becquerel, feitos em 1896, sobre certos “raios”emitidos pelo urânio, e resolveu
estudá-los, a partir de fins de 1897. Estudando a pechblenda, isto é, óxido de
urânio, e resolveu estudá-los, a partir de fins de 1897. Estudando a pechlenda,
isto é óxido de urânio, e resolveu (cujoa primeira tonelada foi ofertada a ela
pelo governador austríaco, proprietário que era das minas de urânio de SaintJoachimsthal, na Boêmia), Madame Curie e seu esposo, Pierre Curie,
anunciava nos “Camtes-rendus de julho de 1898, a possível existência de um
novo elemento químico, vizinho do bismuto, e que deveia chamar-se “polônio”
em homenagem á pátria dessa pesquisadora. Esse elemento deveria
apresentar as mesmas propriedades observadas por Becquel para o urânio,
isto é. Deveria ser “radiotivo”, sendo este nome apresentado ao mundo
cientifico pela primeira vez pela própria Madame Curie ainda em 1898, ao
observar a radioatividade do tório. Em setembro desse mesmo ano de 1898, o
casal Curie e mais um colaborador. M.G. Bémont, anunciava nos Camptesrendus, a possível existência de outro elemento radioativo:o rádio.
6.4 - A DESCOBERTA DO MESON
O físico norte-americano Carl David Anderson (1905-***) foi um grande
inovador na técnica de detecção de raios cósmicos e seus efeitos, ao
atravessarem uma câmara de Wilson. Em um de nossos verbetes anteriores,
falamos sobre a inovação que ele introduziu nesse tipo de detecção, com a
qual descobriu o “pisitron”, em 1932. Em 1938, com exílio do também físico
norte-americano Seth neddermeyer, Anderson introduziria outra inovação na
câmara de nevoa (ou de Wilson) no CALTECH (“california institute of
Technlogy”). Dessa vez, ao inserirem um contador Geiger na mesma,
observaram que alguns traços na câmara eram devidos a raios positivos
penetrants e lentos, de modo que, depois de passagem pelo contador, logo
paravam. Assim, ao examinarem a fotografia desses traços, observaram que
uma nova partícula havia sido detectada e com massa aproximada de 240
vezes á massa do elétron. Em uma carta (“letter”) escrita á “phuysical reviw” e
publicada no dia 6 de junho de 1938. Anderson e Neddermeyer anunciava m a
existência de uma nova partícula elementar, e denotada pela letra graga “um”,
logo depois chamada de “méson”, e hoje conhecida apenas por “muon”, por se
tratar de um “lépton”. (naquela ocasião, eles aviam denominadas essa partícula
de “mesotron” (naquela ocasião, eles haviam denominado essa particula de
“mosontron” (cuja rais grega, “meso”, significa médio).)
Hoje o termo “meson” é reservado para designar os hádrons com msssas
menores do que os bárions (prótons, nêutrons, lambdas, sigmas, etc.) os
mésons mais conhecidos são: pions, kaons. Etas, ros, etc.
A primeira tentativa no sentido de unificar as forças da natureza foi feita pelo
físico e químico inglês Michel faraday (1791-1867) que, através de
experiências, procurou determinar uma relação entre a força elétrica, a força
magnética e força gravitacional. No entanto, conforme ele escreveu um seu
‘diário” de laboratório, em 1849, todas as tentativas foram infrutíferas.
Uma segunda tentativa foi feita por Einstein, em 1923, ao buscar uma
generalização da geometria de Rieman ( a da gravitação) que seria capaz de
englobar os campos gravitacionais e eletromagnéticos em um campo único, o
então chamado “campo unificado”. Como acontecera com faraday, Einstein
morreu sem obter tal unificação. Apartir de 1971, o físico europeu e americanos
desenvolveram a teoria da “supersimetria”, através da qual as quatro forças
conhecida na natureza (forte, eletromagnética, fraca e gravitacional) derivam
de uma única.
6.5 - OSTWALD E A TEORIA ATÔMICA
O grande químico alemão e Premio Nobel de química de 1909, Friedrich
Wilhelm Ostwald (1853-1932), recebeu por muito tempo a teoria atômica da
matéria, pois achava que todos os fenômenos poderiam ser explicados, tãosomente, através da troca de energia,criando, com isso, a doutrina da
“energética”. Somente com a análise que o físico Frances e premio Nobel de
Física em 1926, Jean Batiste Perrin (1870-1942) fez o movimento browniano,
através da qual conseguiu um caçulo mais preciso do “número de Avogrado”,
em 1908, e que Ostwald se convenceu da existência real dos atômicos.
6.6 - A FISSÃO NUCLEAR
E. Fermi (1901-1954). Ilustração do livro “Century
of the Atom”
O físico italiano Enrico Fermi ganhou o Premio Nobel de Física em 1938 por
seus trabalhos sobre a produção de novos elementos radioativos, mediante a
irradiação do urânio com nêutrons. Tais experiências foram realizadas a partir
de 1934, na Universidade de Roma com a colaboração dos Físicos italianos
Eduardo Amaldi (1908-***) , o. D. Agostiniano, Franco Raseti (1902_****) e
Emilio Gino Segre (1905-***)- o famoso Grupo de Roma. Nesse mesmo ano de
1934, Fermi havia formulado a teoria matemática do decaimento beta. Assim,
com essa teoria em mente, Fermi acreditava que bombardeando o isótopo do
urânio
92 U
238
com nêutron, poderia obter o elemento seguinte da tabela
X 239
periódica - 93
já que o nêutron se transformaria em próton, aumento de
uma unidade o Z do isótopo de urânio considerado . os resultados obtidos por
Fermi e seu grupo foram confusos, pois além de obter a desintegração e a
correspondente meia-vida do urânio, Fermi obteve, também, uma mistura de
outras meias-vidas. Acreditando haver conseguido um novo de tabela
periódica, Fermi chegou a denominá-los de urânio X, mesmo contra a violenta
pressão que sofrera dos fascistas, pois queriam que ele denominasse “littorio”
(os littórios eram oficiais romanos que portavam os “facios”em seus uniformes),
a esses possível novo elemento químico. As experiências do grupo de Roma
foram repetidas e estendidas pelo casal Joliot-Curie em Paria, e por Otto Hahn
e na Itália, França e Alemanha, som foram explicadas pela Fisico suecogermanico Otto Richard Frisch (1904-1979), em 1939, ao formularem a
hipótese da “fissão nuclear”. Acreditaram eles que essas experiências
poderiam ser explicadas com a suposição de que o urânio o receber o receber
o nêutron, se partiria em dois grandes fragmentos, se “fissionava”.Aliás, a idéia
de fissão já havia sido pensada pela química alemã Ida Eva Tacke Noddack
(1896-), em 1935 , ao analisar os resultados das experiências de Fermi e
colaboradores. A primeira teoria sobre a fissão nuclear foi dada ainda em 1939,
por Bohr e pelo Físico norte-americano John Archibald Wheeler (1911-) quando
da visita de Bohr aos Estados Unidos. (o primeiro elemento transurânico - o
93N 239
–foi obtido pelo físico norte-americano Edwin Mattison
neptunio
(1907-) e pelo físico-americano Philip Hange Abelson (1913-) , em 1940,
usando a mesma idéia de Fermi. Por esse efeito, McMillan ganhou o Premio
Nobel de Química de 1951.) um das mágoas de Fermim, foi a não descoberta
da fissão nuclear, conforme se pode ver no seguinte fato. A guerra da Etiópia
fez com que o Grupo de Roma fosse desfeito, e as leis anti-semíticas
promulgadas nem Itália em virtude da formação do eixo Roma-Berlin, fizeram
com Fermi deixasse aquele País. Depois de receber o Premio Nobel em
Estocolmo, Fermi e família seguiram para New York, conseguindo a seguir um
lugar na Universidade de Columbia, e posteriormente um na Universidade de
Chicago. Após a 2° Guerra mundial, ele e alguns colegas examinaram as
plantas do futuro Instituto de Ciência Nuclear da Universidade de Chicago,
cujos desenhos mostravam uma figura humana vagamente esboçada no baixorelevo sobre a entrada principal do futuro prédio. Quando os amigos de Fermi
procuravam especular sobre o que aquela figura representava, traído por seu
próprio inconsciente, disse:-“Um cientista não descobrindo a fissão”
6.7 - SZILARD E A DESINTEGRAÇÃO ATÔMICA
O físico húngaro, naturalizado norte-americano, Leo Szilard (1898-1964), que
juntamente com o físico italiano e Premio Nobel de Física em 1938. Enrico
Fermi (1901-1954) e alguns colaboradores, construíram a primeira “pulha
atômica” no dia 2 de desembro de 1942, em Chicago, Illianois, foi quem sugeriu
a Einstein, em agosto de 1939, que escrevesse a famosa carta ao Presidente
Franklin Delano Roosevelt (1882-1945), alertando-lhe sobre as experiências
nucleares levadas a cabo por cientistas alemães. Quando o governador norteamericano decidiu construir a bomba atômica, através do projeto Manhattan,
Szilard foi trabalhar nesse programa bélico. Sabendo do iminente uso dessa
bomba na guerra do Japão, Szirlard começou a reagir violentamente, tentando
convencer as autoridades norte-americanas que a mesma fosse testada na
presença de autoridades japonesas e na de uma assistência internacional,
impedindo, com isso que pessoas inocentes fossem sacrificadas. Como não
conseguiu sensibilizar aquelas autoridades, já que foram lançadas duas
bombas atômicas sobre Hiroshima e Nagasaki, abandonou a Física e se
dedicou à Biologia, indo trabalhar no instituto Salk. Por sua incessante
atividade no sentido do uso pacífico da energia atômica, recebeu a medalha
Átomos para a Paz, em 1959.
6.8 - SLILARD E O APROVEITAMENTO DA ENERGIA ATÔMICA
O aproveitamento de energia, em conseqüência de uma reação nuclear em
cadeia foi previsto teoricamente, em 1933, pelo físico Szilard, chegando,
inclusive, a obter uma patente para essa idéia, e que era a seguinte: nêutron
induzia uma desintegração atômica, que liberavam quatro nêutrons, e assim
por diante. A reação proposta por esse físico foi a da desintegração do berílio
que se transformaria em hélio. Szilard dizia que essa idéia ocorreu da leitura do
livro The World Set Free do escritor inglês Herber George Wells (1866-1946),
escrito em 1914. Nesse livro, Wells fala sobre a energia obtida da
desintegração natural do Urânio com a produção de partículas alfa, energia
essa um milhão de vezes maior que a do fogo. No entanto, essa energia seria
realizada ao longo de milhares de ano. Quando Otto Hahn e colaboradores
conseguiram a fissão do Urânio, em 1939, Szilard percebeu que sua idéia
poderia ser aplicada ao Urânio. Na tarde do dia 2 de dezembro de 1942,
Szirlard e mais 41 cientistas, sob a liderança de Enrico Fermi, produziram a
primeira reação nuclear em cadeia, e controlada. Compton, um dos cientistas
que trabalharam nesse projeto, telefonou ao químico e educador norte-
americano, James Bryant Conant (1893-1978), então presidente da
Universidade de Harvard e Coordenador do projeto de energia atômica do
governo, e disse-lhe: - “O navegador italiano aportou ao Novo mundo”.
Responde Conant: - “E como reagiram os nativos?”. Completou Compton:
“Muito Cordialmente”. Estava transmitido o código que resultaria no projeto
Manhattan.
6.9 - O EFEITO DOPPLER
A variação da freqüência de uma onda sonora ou luminosa, decorrente do
movimento da fonte emissora de tal onda, percebida por um observador parado
ou em movimento em relação aquela fonte, foi demonstrada matematicamente
pelo físico austríaco Christian Johann Doppler (1803-1853), em 1842, no livro
Uberdas Farbige Licht des Dopplsterne (A respeito da luz colorida das estrelas
duplas). O exemplo cotidiano desse efeito, hoje mundialmente conhecido como
efeito Doppler, é dado pelo conhecimento que temos ao distinguir, pelo apito
grave ou agudo de um carro, se este se afasta ou se aproxima de nós. O teste
da formula de Doppler foi realizado publicamente, alguns anos depois dele a ter
representado, na Holanda. Eis o teste: por dois dias, uma locomotiva deslocava
um vagão em movimento de vaivém e em diversas velocidades. Em cima do
vagão, vários corneteiros emitiam notas diferentes, cujas alturas eram medidas
por diversos músicos colocados na estação e comparadas com a formula de
Doppler, que se mostrou absolutamente certa. Apesar do sucesso do efeito
Doppler quando aplicado as ondas sonora s,o mesmo não aconteceu quando
se aplicava as ondas luminosas, principalmente quando a fonte luminosa
estava em movimento. Uma reformulação na formula de Doppler, no sentido de
a mesma vir a ser aplicada as ondas luminosas, foi conseguida pelo físico
Frances Armand-Hippolyte-Louis-Fizeau (1819-1896), em 1848, explicou que
as linhas espectrais mudavam de posição com o deslocamento da fonte
luminosa. Ela caminhava para o vermelho, caso a fonte se afastasse de
observador e caminhava para o azul, caso se aproximasse. O efeito DopplerFizeau foi de grande importância para o desenvolvimento da Astronomia.
O fenômeno da dupla refração foi descoberto pelo filosofo e medico
dinamarquês Erasmus Bartholin (1625-1698) ao observar, em 1669, que
objetos vistos através de um cristal transparente da Islândia (espato-daislândia) pareciam duplicados.
6.10 - HOLOGRAFIA
A idéia para Holografia surgiu á mente do engenheiro eletricista húngaro e
Prêmio Nobel de Física em 1971, Dennis Gabor (1900-1979), em 1947, quando
estava em um banco, assistindo a uma partícula de tênis. Nessa ocasião, ele
trabalhava na Inglaterra com microscópio eletrônico. A palavra holografia,
cunhada pelo próprio Gabor, é derivada do grego e significa ‘’imagem gravada
completa’’. Basicamente, fazer uma holografia é conseguir armazenar em uma
placa fotográfica, tanto a amplitude quanto a fase de uma informação vinda de
certa fonte através de uma onda de luz. A fotografia que registra a imagem da
fonte considerada é chamada de holograma. Gabor imaginou que quando o
holograma fosse visto com um feixe de luz coerente, o objeto holografado seria
visto em três dimensões. Essas idéias foram apresentadas por ele no numero
161 da Nature, no ano de 1948. As dificuldades de se obter luz coerente
fizeram com que a idéia de Gabor se tornasse comercialmente impraticáveis.
No entanto, quando o físico americano Theodore Harold Maiman (1927-), em
1960, construiu o primeiro laser-luz altamente coerente-, permitiu viabilizar tal
idéia. Hoje, os hologramas têm grandes aplicações na Medicina e nos diversos
ramos da Engenharia.
6.11 - OS QUARKS DE GELL-MAN
Gell-Man (1929of Science”
). Ilustração do livro “Pioneers
Hoje existem fortes evidências experimentais de que os hidrons são
constituídos por outras particulas elementares denominadas de “quarks”. Esse
nome foi proposto por Gell-Mann, em 1964, ao formular um modelo teórico
para a formação daquelas particulas. Com esse nome, Gell-Mann homenageou
o poeta e escritor irlandês James Joyce (1882-1941), já que era uma das
estrofes do livro “Finnegan´s Wake”, escrito por Joyce em 1939. Lê-se:” Three
quanks for Master Mark”,. (no mesmo ano de 1964 e, independentemente de
Gell-Mann, o físico George Zwig formulou uma teoria análoga, porem
denominou de “aces aos quarkr de Gell-Man)
6.12 - UNIFICAÇÃO ENTRE AS INTERAÇÕES FÍSICAS
Hoje, o estudo da Física das Partículas elementares é fato tomando-se como
base algumas leis de conservação, entre as quais, destaca-se a conservação
do “número bariônico B”. Atualmente as partículas tem a seguinte classificação:
”hádrons, léptos, fóton e gráviton. Por uma vez, os hádrons são compostos de
bárions e de mésons. Pois bem, a conservação do número barionico significa
que, em qualquer interação física envolvendo bárions ou anti-barions, a soma
desse número quântico deve ser nula, já que, os bárions tem B=I e os antibárions, B= -1. Por exemplo, no famoso “decaimetro beta”, em queneutron se
transforma em um próton, emitindo um elétron e um anti-nitrino do elétron, ou
−
seja, n → p +e −ve , há conservação do numero nariônico, um vez que o
próton e o nêutron são bários, genericamente denominados de “núcleons”, e o
elétron e seu anti-netrino respectivo, são léptons.
Um dos principais resultados dessa lei de conservação do numero bariônico, e
que o próton livre não pode decair, isto é, o próton deve ser uma partícula
estável, com vida média indefinida. Após o sucesso da teoria de SalamWeinberg (1967-1968) sobre a unificação das interações eletromagnéticas e
fraca, com a primeira evidencia experimental ocorrida em 1973, os físicos que
trabalham com partículas elementares passaram a procurar uma unificação
mais ampla, desta vez incluindo a interação forte. Tias teorias receberam o
nome de “grande unificação”, cujo principal resultado é o da violação do
numero bariônico que justificaria a instabilidade do próton, cuja vida media já
chegou a ser calculada: 10 31 anos. É oportuno salientar que foi o físico
soviético e Premio Nobel da Paz em 1975, Andey Dmitriyevtch Sakharov
(1921-****) o primeiro a especular sobre ao possível violação do numero em
vista o excesso de bárions em nosso Unibverso. Com o aparecimento das
teorias de grande unificação, a especulação de Skhavor novamente aventada,
desta vez por um físico japonês Motokiko Yosshimura, em 1978, em trabalho
publicado no volume 41 da ”Physical Review Letters”.
6.13 - O EFEITO CHERENKOV
Lamor, em 1897, demonstrou que uma carga elétrica irradia energia. Porém ,
em 1934, o físico soviético Pavel Aleksejevic Cherenkov (1904-) observou uma
radiação reproduzida por uma partícula carregada que atravessava um material
opticamente transparente, com uma velocidade constante e maios do que a
velocidade de fase da luz naquele meio, isto é: VP > c / n. Em 1937, os físicos
soviéticos Ivor Jevgenetic Tamm (1895-1971) e Itya Michajlovic Frank (1908-)
deram a explicação teórica de “radiação ou efeito Cherenkov”. Basicamente,
essa radiação é proveniente dos elétrons que são arrancados pelas partículas
carregados pelas partículas carregadas de alta energia que atravessam Oe
meio opticamente transparentes. A radiação eletromagnética emitida pelos
elétrons arrancados dos átomos quem compõem o material opticamente
transparente se combinam para formarem uma onda eletromagnética forte,
análoga ás ondas geradas na proa dos navios que se deslocam com
velocidade maior do que a das de ondas, ou a onda de choque produzida por
um avião supersônico, Isto é, avião que se desloca com velocidade maior de
onda sonora no ar. Essa radiação de Cherenkov se propaga fazendo u certo
ângulo com direção da partícula carregada que atravessa meio. Graças a essa
propriedade, foram, construídos “detectores vherenkov” quem servem para
calcular a velocidade das partículas que atravessam meios opticamente
transparentes, ou quando existir mais de uma partícula carregada, o detector
consegue diferenciar suas massas.
6.14 - OS TACHYONS
Segundo a Teoria da Relatividade Restrita formulada por Einstein em 1905, a
máxima velocidade que poderia existir no Universo era a velocidade da luz no
vácuo (c) cujo valor é de 300 000 km/s. Essa aforismo permaneceu por mais de
50 anos, até que o físico norte-americano Gerald Feinberg propôs, no volume
19 de Physical Review Letters de 1967, a existência de uma nova partícula – o
tachyon -, dotada de velocidade maior do que a da luz no vácuo. (George
Sudarshan e colaboradores, por essa mesma época, fizeram proposta
análoga.) proposta a existência teórica dessa partícula, os físicos se
perguntaram qual a maneira de detectá-la. E responderam: através da radiação
Cherenkov, já que esta acontece quando uma partícula carregada se desloca
em determinado meio com uma velocidade superior à velocidade de fase da luz
nesse mesmo meio.
Desse modo, como o tachyon se desloca com uma velocidade superior à
velocidade de fase da luz no vácuo, ele deverá, portanto, emitir uma radiação
tipo Cherenkov. Ainda segundo a relatividade restrita einsteiniana, uma
partícula com velocidade maior do que c terá uma massa inercial imaginária,
v −1 / 2
como facilmente se pode ver na expressão: m = mO (1 − ( ) 2
. Essa
c
dificuldade foi contornada com a hipótese de que o tachyon tem uma massa de
repouso ( m0 ) imaginária, o que resulta uma massa inercial real para ele,
passível, portanto, de ser medida. Com essa hipótese, o tachyon nunca poderia
adquirir uma velocidade igual ou menor do que c. Aliás, dificuldade semelhante
a essa surgiu quando Einstein encontrou aquela equação para a massa inercial
de uma partícula, pois, se um quantum de luz tem a velocidade c no vácuo sua
massa inercial será indeterminada. Para levantar essa indeterminação (0/0), foi
proposta a hipótese que a massa inercial (m) de um quantum de luz deve ser
nula. (o levantamento dessa indeterminação é feito por intermédio da
eletrodinâmica, que permite calcular o impulso (mc) da luz.
6.15 - RELAÇÃO ENTRE CIÊNCIA É TECNOLOGIA
A passagem da ciência para a tecnologia não é imediata. O filosofo e
matemático inglês, Alfred North Whitehead (1861-1947) em seu livro “ciência e
o mundo Moderno” afirma: -“É um grande erro que a pura idéia cientifica seja já
uma invenção, bastando captá-la e utilizá-la. Entre uma coisa e outra medeia
um imenso período de projetos imaginativos”. Com efeito, vejamos alguns
exemplos: o físico alemão Henrich Hertz, em 1887-1888, detectou pela primeira
vez um sinal de rádio. No entanto, foi o físico e inventor italiano e Prêmio Nobel
de Física em 1909, Gulielmo Marconi (1874-1937) quem explorou a idéia, ao
emitir a receber mensagens telegráficas pelo ar, através do canal da Mancha,
numa distancia 32 milhas. Essas mensagens, ocorridas em 1889, foram
transmitidas através de ondas de rádio, hoje conhecidas como “ondas
hertezianas”. O desenvolvimento da “telegrafia sem fio” só foi possível devido a
descoberta dos cristais retificadores (galena), pelo físico alemão Karl Ferdinand
Braun (1850-1918), que permitiu a transmissão de uma onda herteziana em
uma única direção. Em 1896, ele e Marconi iniciaram as primeiras
transmissões de ondas de rádio ppelo ar. Braun recebeu o Premio Nobel de
Física em 1909, juntamente com Marconi. É oportuno dizer que em 1897, o
físico russo Alexandre Stepanovich Popov (1859-1905), no estudo da física das
tempestades, inventou a antena, instrumento para orientar os navios da
Armada Russa. Com esse invento, conseguia comunicação entre navios e o
litoral, numa distancia de 5 quilômetros.
6.16 - EXERCITANDO O CONHECIMENTO
São propostas no ambiente moodle exercícios de pesquisas nos textos citados
como bilbiografia, principalmente, no Livro Crônicas da Física Tomos 1 e 6, de
Bassalo, J.M.F.
PARA SABER MAIS: CURIOSIDADES DA FÍSICA.
• Schenberg, Gamow e o efeito Urca
M. Schenberg (1914-1990 ). Ilustração do livro
“Lattes 70 anos – Publicações CBPF”
Em entrevista concedida ao jornal “o estado de São Paulo” (10/12/78) e
publicado, também na revista de Ensino de Física (vol. 1 (2)1979), o físico
brasileiro Mário Schenberg (1914-) fala de seus importantes trabalhos no
campo da física (entre outras coisas) como, por exemplo, o que realizou com o
astrofísico indiano Subrahmayan Chadrasekhar (1910-) sobre a evolução do
sol e de outras estrelas semelhantes, o que fez com o físico russo George
Gamow, sobre as estrelas super novas. Este trabalho é conhecido na literatura
cientifica mundial como “efeito Urca”. Em homenagem a esse físico brasileiro,
pois no processo estudado pelos dois físicos, era importante o mecanismo de
desintegração beta universo, no qual um próton se transforma em um nêutron,
com emissão de um pósitron (e+) e de seu nêutron correspondente (?).ora,
como há uma grande perda de neutrinos nesse processo o mesmo ficou
conhecido como “efeito Urca” em comparação lúdica com a perda de dinheiro
das pessoas que freqüentam o antigo Cassino da ura, no Rio de Janeiro. No
entanto,.no entanto, para esse físico, um seu trabalho foi muito importante,
embora de pouca ou quase nenhuma repercussão, qual seja, o que realizou na
mesma época em que realizou outros dois, em 1941, quando então trabalhava
em Princeton (lugar onde trabalhava, também, Einstein),nos estados unidos
sobre a possibilidade de haver interações que não conservassem a paridade
(troca de uma experiência ela especular e com resultados diferentes).
Apesar de Yukawa, no Japão, se ter interessado por esse trabalho, colocando,
inclusive, alguns assistentes seus para pesquisar esse assunto, a descoberta
da quebra de paridade nas interações fracas só foi oficialmente considerada
como trabalho de Yang e Lee, publicado no volume 14 da Phusical Review de
1956, com o qual esses dois físicos chineses ganharam o Primeiro Nobel de
Física de 1957.o professor Schemberg realizou, também, importante trabalho
em campo gravitacional. Seu trabalho sobre Mecânica Estatística está
aguardando o devido conhecimento. Seu famoso “big paper” sobre Quantum
Nechanics and Geometry em 1957 (mimeografo, USP) é uma tentativa de
geometrizar a física, velho sonho de Einstein, que morreu sem concretizar. A
famosa Biographical Encylopaedia of Science and Technology (editado pel
Bloch, em 1974, com Gênios da Humanidade)escrita pelo químico
conhecidíssimo autor de ficção cientifica cientista Isaac Asmov(1920-)
relaciona, apenas, três físicos brasileiros: Schenberg, Lattes e Leite
Lopes.Sendo que somente os dois primeiros foram biografados por ele.
• As contribuições de Lattes á física experimental
C. Lattes M. Schenberg (1924-2005 ). Ilustração
do livro “José Leite Lopes-O homem da ciência”
O físico brasileiro Cesare Mansueto Giulio Lattes (1924-2005) fez contribuições
importantes á física. Vejamos algumas delas. Em 1947. Quanto trabalhava no
grupo de Bristol, liderado pelo físico inglês e Premio Nobel de física em 1950,
Cecil Frank Powell (1903-1969), Latter, juntamente com Powell, Occhialini e
Muirhead descobriram os mésons os previstos por Yukawa, em 1935, ao
observarem no microscópio, rastros em emulsões nucleares expostas á
incidência de raios cósmicos (basicamente prótons e particular alfa altamente
energéticas), em Chacaltaya nos Andes bolivianos. Segundo o grupo de Bristol,
quando os raios cósmicos penetram na atmosfera terrestre, colidem com
núcleos de oxigênio ou de nitrogênio, soldando os mésons Yukawianos que
envolvem os núcleos constituintes dos núcleos. Em 1948, Lattese o físico
norte-americano Eugene Gardner (1913-1915), produziram, artificialmente, os
primeiros mésons de Yukewa (posteriormente originado de mésos pi , e hoje,
pions) no Sincrociclotron de 380 Mev da Universidade de Berkeley, na
California, bombardeando alvos de vários materiais com particulas alfa. Nessa
experiência, Latter e Garder observam que além dos mésons Yukawianos,
obtiveram, também, os mesons mí descobertos pelo fisico norte-americanos e
Prêmio Nobel de Física em 1936, Carl David Anderson (1905-***) (o, também,
descobridor do positron em 1932), com auxilio do Físico, também, norteamericano Set Henry Neddermeuer (1907-1988), em 1936 ,hoje denominados
muons. Em 1963, Latter Neddmevr, desta vez dirigindo ao grupo de físicos
brasileiros, em colaboração a um grupo de físicos japoneses liderados por
Shun-Ichi Hasegawa, o famoso “japones and brazilian Emulsion Chamber
Groups”, encontraram as primeiras evidencias da bola de fogo (“fire-ball”),
numa experiência com câmeras de emulsão nucleares expostas á incidencia
de raios cósmicos, ainda em chcaltaya. ( a bola de fogo torna-se por ocasião
de colisão de duas partículas altamente energéticas, e tem uma energia de
repulso entre 1 e 10 Gev. Essas colisões podem ser observadas tanto em raios
cósmicos, quanto em aceleradores de partículas. Em novembro de 1974, dois
grupos de pesquisadores e, trabalhando independentemente, um no “anel de
colisão” do SPEAR DE Universidade de Stanford, sob a liderança do físico,
norte-americano Burton Richter (1931-), e outro, no acelerador de prótons-AGS
DE Brookhaven, sob a liderança do físico sino-norte-americano Samuel Chao
CHAN Ting (1936-), detectaram a presença de uma bola de fogo com energia
de repulso da ordem de 3.1 Gev, partícula essa hoje conhecida como “ psi/iota.
Richter e Ting receberam o Premio Nobel de Física em 1976.
• Blackett, Ochhialini e a descoberta do pósitron
Quando o físico Blackett, em colaboração com físico italiano Occhialini, em
1933, confirmou no laboratório Cavendish a existência do pósitron, Occhilini foi
a casa de Rutherford, que era diretor daquele laboratório, para comunicar-lhe a
grande novidade. Ao ser recebido pela empresa, o físico italiano deu-lhe um
beijo. Quando Rutherford viu a fotografia, deu um cheque de 50 libras a
Occhilini, que naquele tempo se encontrava em dificuldade financeira. Occhilini
trabalhou no Brasil no final da década de 1930.
• Planck, Hitler e os judeus-comunistas
Quando Hitler foi nomeado chanceler do Reich, assumindo, desta forma, o
poder na Alemanha, em 1933, Max Planck, na qualidade de presidente da
Sociedade Kaiser-Wilhelm, tempos depois, foi fazer-lhe uma visita de cortesia.
Por essa ocasião, já começara a perseguição aos judeus por parte dos
nazistas. Em conversa com o Fuhrer, Planck tentou defender seu colega, o
físico-químico e Premio Nobel de 1918, Fritz (1868-1934), que se tornará
célebre por haver descoberto por método de sintetizar a amônia, e que era
judeu. Após ouvir Planck falar das qualidades cientificas de Fritz Haber, assim
como das qualidades culturais de algumas Famílias Judaicas alemães, Hitler
respondeu-lhe o seguinte: - contra os Judeus em si, não tenho nada,porém, os
judeus são todos comunistas, e estes são meus inimigos, contra eles luto. Por
haver conspirado contra os nazistas, o filho de Planck foi morto em 1944.
• Os fisicos e os sobrenomes célebres
O físico francês Jean-Frederic Joliot ao casar-se com Irene Curie, filha do casal
Curie, anexou o nome de sua esposa ao seu, para que ficasse preservado o
nome Curie, uma vez que Irene só tinha uma irmã, Eva.( Eva é autora de um
livro sobre sua mãe Madame Curie.) Este fato não é isolado entre os grandes
homens de ciência, muito embora o motivo não seja o mesmo do de Frederic.
Assim é que, o gande físico Japonês Hideki yukawa (1907-1981), ganhador do
premio Nobel de Física em 1949, por sua teoria sobre as forças nucleares,
adotou o nome de sua esposa Sumi Yukawaa, o nome paterno do fundador da
revista de física japonesa The progresso f theoretical Physics, era Ogawa. (Não
sabemos o porquê de tal escolha.) Por outro lado, o pai do grande físico
escocês James Clerk Maxwell, chama-se apenas John Clerck. Ele adotou o
nome de Maxwell, dona de uma propriedade.
• Madame Curie e a academia francesa de ciências.
A academia francesa de ciências não permitiu que Madame Curie Fizesse
parte de seu quadro. Seu marido Pierre, só foi aceito na segunda tentativa, no
dia 3 de julho de 1905, já que, na primeira vez que tentara, perdeu a cadeira
para o físico Frances Emile Amagat (1841-1915), que se celebrizara por seus
trabalhos sobre estática dos fluidos e liquefação dos gases.
• O projeto manhattan
Hiroshima, Fukuya Departament Store (800 m do
hipocentro). Ilustração da Universiade de Kyoto.
O inicio da construção da bomba atômica, noa Estados Unidos, ocorreu no dia
27 de Janeiro de 1939, em Washington por ocasião de uma conferencia sobre
física teórica, organizada pela Universidade de George Washington e pelo
Instituto Carnegie, também de Washington nessa conferencia, o físico
dinamarquês e Premio Nobel de Física em 1922, Niels Henrik David Bohr
(1885-1963) comunicou que recebera da física alemã Lise Meitner (1878-1968)
uma informação de que o químico alemão e Premio Nobel de Química em
1944, Otto Hahn(1879-1968) juntamente com o seu assistente, o físico alemão
Fritz Strassmann(1902-1980) haviam realizado uma experiência na qual
constataram a presença de bário depois do bombadeamento de urânio com
nêutrons. Após a leitura do telegrama que trouxera essa informação a Bohr,
houve uma certa preocupação por parte dos conferencistas, a tal ponto que,
um certo jornalista, as discussões que se seguiriam, seriam demasiadamente
técnicas. Quando os jornais no dia seguintes anunciaram tal incindente, o físico
norte-americano Julius Robert Oppenheimer(1904-1967) telefonou da
Califórnia para o físico russo, naturalizado americano, George Gamov(19041968) para saber do que se tratava. Daí para o projeto Manhattan, o projeto
que resultou na bomba atômica americana, e cujo diretor cientifico fora
Oppenheimer, foi apenas um passo.
• A radioatividade impregnada nos livros de madame Curie
Tanto os livros de notas sobre as experiências realizadas por Madame Curie,
quanto os seus livros de receitas culinárias que ela manipulava para cozinhar
em casa, permaneceram radioativos, por mais de 50 anos, conforme
comprovou, através de medidas, seu genro Frederic Joliot-Curie.
• A morte de Pierre Curie
No dia 19 de abril de 1906. Pierre Curie é atropelado é morto por uma
carruagem conduzida pelo cocheiro Luis Manin, na ruía Dauphine, em Paris.
O físico Frances e Premio Nobel de Física em 1929, Louis-Victor de Broglie
(1892-1987), autor da tese r evolocionaria sobre as ondas de matéria e 1924,
iniciou sua carreira acadêmica como estudante de História Medieval.
• Alvarez e o “enola gay”
O avião que levou a bomba atômica para ser lançada em Hiroshima, no dia 6
de agosto de 1945, uma fortaleza-voadora B-29, chamava-se Enola Gay. O
físico norte-americano e Prêmio Nobel de física em 1968, Luis Walter Alvarez
(1911-1988)- o descobridor de várias partículas elementares intituladas
ressonâncias-, insistiu junto às autoridades de Los Alamos, onde trabalhava e
onde foi desenvolvido o projeto dessa bomba, para viajar no Enola Gay, a fim
de fazer medidas da radiação que a explosão do petardo provocaria. Heimar
Kipphardt, autor da célebre peça de teatro O caso Oppenheimer, então diretor
cientifico daquele projeto.
• A descoberta do nêutron
A descoberta do nêutron, em 1932, pelo físico inglês James Chadwick (18911974) não foi um acontecimento isolado. A idéia de uma partícula neutra como
constituinte do núcleo atômico foi sugerida pelo físico inglês Sir Ernest
Rutherford (1871-1937), em junho de 1920, na Bakerian Lwcture apresentada
por ele a Royal Society de Londres. No ano anterior, 1919, Rutherford havia
realizado sua célebre experiência da primeira transmutação artificial, na qual o
N 14 ao receber uma partícula alfa ( He 4 ) , emitida por uma fonte de polônio,
transformou-se no O 17 e expeliu uma partícula que recebeu, então, o nome de
próton ( H 17 ) . Pois bem, para Rutherfor o isótopo de oxigênio obtido
(O17 ) poderia ser o bem conhecido ( O 16 ) , acrescido de uma partícula neutra o nêutron – com a massa com massa aproximadamente igual a do próton.
Rutherford foi levado a essa idéia, pois cometera um erro em suas experiências
de 1920, constituindo, em sua concepção, de três prótons e de um elétron.
Portanto, partindo dessa idéia, Rutherford admitiu que o seu nêutron seria
então uma composição de um proto e de um elétron. Em1921, Rutherford
percebeu esse erro ao notar que havia observado o He 4 ao invés do He3 .
Porém sua extraordinária intuição fez com que prosseguisse a idéia do nêutron
e, em conseqüência disso, sendo então diretor do Cavendish Laboratory, em
Cambridge, organizou um programa para a pesquisa sistemática do nêutron,
tendo então chamado Chadwick, seu antigo discípulo, para conduzir esse
programa.
Por essa época, os equipamentos utilizados para a detecção de particulas, ate
então conhecidas (elétron e próton), era a “câmara de névoa” ( inventada pelo
físico escocês Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959;PNF, 1927), em
1911) e os “cintiladores”. Porem, tais equipamentos só eram usados para
partículas carregadas; o nêutron, contudo, era descarregado. Desse modo,
havia necessidade de desenvolverem-se novas técnicas para a detecção do
nêutron. Em vista disso, Rutherford escolheu Charles para trabalhar na
pesquisa dessa partícula, porque dentre outros atributos, esse físico havia
introduzido memórias na técnica dos cintiladores, principalmente novos
arranjos ópticos aos mesmos foram por ele introduzidos. Como Rutherford
acreditava que uma descarga elétrica passava através do hidrogênio era capaz
de produzir nêutrons, Charles em 1923, tentou, sem sucesso, detectara
emissão de radiação gama nesse tipo de experiência, usando, para isso, uma
câmara de ionização e um contador-pontual. Uma nova esperança para a
detecção do nêutron apareceu quando os físicos alemães Hans Geiger (188219450 e Erwir Wilhel Muller (n.1911) aperfeiçoaram, em 1928, o contador
inventado por Geiger, em 1913. Dessa forma, o hoje famoso contador GeigerMuller aumentou enormemente a habilidade de detectar radiação gama e beta.
Esse contador elétrico era muito sensível, sendo mesmo capaz de reagir a
uma única ionização. Porem, ele apresentava também suas limitações. Por
exemplo, a ionização inicial em uma descarga completa não era
completamente entendida, e isso introduzia uma elemento de incerteza no uso
desse equipamento. Então, em 1929, C. E. Wynn-Williams, F. A. B. Word e H.
M. Cave aperfeiçoaram o contador Geiger-Mulller de tal modo que a chance de
duas descargas coincidirem, exatamente, era muito pequena, Aliás, esse
equipamento que ficou conhecido como “scale-of-two-counter”, já havia sido
trabalhado, respectivamente, por H. Geinacher, em 1926-1927, por E. Ramelet,
em 1928, e por G. Ortner e G. Setter, em 1929. Foi com esse equipamento que
Chadwick detectou o nêutron.
Antes de Chadwick a descoberta do nêutron, vários físicos passaram por ele
sem “enxergá-lo”. Assim, em 1930. Os físicos alemães Walter Wilhelm e Georg
Frabk Bother (1891-1957) e H. Z. Becker ao bombardearem o berílio co
particulas alfa de 5.3 MeV e providas de uma fonte de polônio, observaram
uma radiação penetrante desconhecida, na qual eles assumiram ser radiação
gama, já que a mesma era capaz de penetrar facilmente através de vários
centímetros de chumbo, e não era desviada por campos elétricos e
magnéticos. Logo em seguida, H. C. Webser, sob a orientação de Chadwick,
fez uma observação similar a essa de Bothe e Becker. Em 1931, Webster e
Chadwick consideraram a possibilidade dessa radiação penetrante ser o
nêutron, porem, não tinha nenhum respaldo experimental para essa conjectura.
Um ano depois, em 1932, o casal de físicos franceses Frédéric (1900-1958) e
Iréne (1897-1956) Joliot-Curie observou que a radiação emitida pelo berílio
bombardeado por partículas alfa era muito mais penetrante do que pensavam,
chegando mesmo a comprá-las com os raios cósmicos (radiação provida do
espaço e descoberta pelo físico austríaco Victor Francis Hess (18831964);PNF, 1936), EM 1910), já que acabara de visitar o laboratório do casal
Jolot-Curie o físico norte-americano Robert Andews Millikan (18681953);PNF,1923) que trabalhava com essas particulas tendo, inclusive,
cunhado o nome em 1925. Com a intenção de medir o coeficiente de absorção
dessa “radiação”, o casal Joliot-Curie colocou absorventes de prata (Ag), cobre
(Cu) e chumbo (Pb) entre a suposta fonte dessa radiação e a câmara de
ionização. Nenhum efeito foi observado, no entanto quando era usado um
absorvente rico em hidrogênio (água, parafina, celofane), a ionização tinha
maior intensidade. Concluíram então, que os prótons eram expulsos dos
absorventes pelos raios gama, devido a um efeito tipo “Compton”. Usando esse
efeito, o casal calculou o valor de 5.7 MeV para a energia de recuo do próton,
sendo a energia inicial do fóton gama de 55 MeV. Porem, não havia evidencia
experimental para essa energia tão alta da radiação gama, já que sua máxima
energia era da ordem de 10.6 MeV. Daí, então, Chadwick interpretou essa
“radiação “pebetrante como sendo o nêutron, e utilizou como vimos acima, o
“scale-of-two-counter” para detectá-lo. No dia 10 de fevereiro de 1932,
Chadwick enviou uma carta á revista inglesa Nature (nº 129, pág. 312)
anunciando a descoberta do nêutron.
Por essa mesma época, Norman Feather começou a estudar a colisão de
nêutrons com o nitrogênio usando uma câmara de Wilson, e Philip I. Dee
passou a estudar a interação elétron-nêutron. Nio dia 10 de maio de 1932,
esses três físicos submeteram seus trabalhos sobre o nêutron ao Royal
Society, os quais foram publicados no n° 136A, dos Proceedings of Royal
Siciety, nas paginas 692, 709 e 727, 1954, o casal Joliot-Curie recebeu o
Premio Nobel de Química de 1935, pela descoberta da radioatividade artificial,
e Chadwick, o de Física =, também em 1935.
• A descoberta do pósitron
Quem me falou pela primeira vez sobre a existência do “pósitron”, foi o meu
professor da escola de engenharia, o engenheiro químico e civil Migue0l de
Paulo Rodrigues bittar (1922-***). Esta partícula havia sido prevista
teoricamente por Dirac, em 1928, através da formação de sua teoria relativista
do elétron. Segundo essa teoria, na natureza, poderia existir uma partícula
idêntica ao elétron, porem com carga positiva, chamada de inicio de “antieletron”pelo próprio Dirac. A descoberta dessa partícula foi feita pelo físico
norte-americano Carl David Anderson (1905-), e anunciada no volume 76 da
“science”, de 1932. Aluno de doutoramento de Millikan, Anderson estava
estudando a trajetória dos “raios cósmicos”(nome cunhado por Millikan) em
uma câmara Wilson. Porem, como esses raios são normalmente de alta
energia, sua passagem pela câmara de Wilson é quase imperceptível. Assim,
como o intuito de frear as partículas cósmicas, Anderson inseriu uma placa de
chumbo normalmente á câmara e, ao examinar as trajetória de tais partículas
que emergia dessa placa de chumbo, depois de atravessarem um região de
forte campo magnético, observou que algumas daquelas trajetórias eram
idênticas ás do elétron, porem de curvatura oposta. A confirmação da
existência de “pósitron, conforme chamou Anderson a essa partícula de
comportamento novo relativamente ao elétron, foi feita após o registro de cerca
de 70 000 fotografias de tais trajetórias. Por esse efeito, Anderson ganhou o
premio Nobel de física de 1936, juntamente com físico austro-norte0americano
Victor Francis hess, que havia descoberto os raios cósmicos em1910.
• O nazismo e a física
O filósofo polonês, naturalizado inglês, Jacob Bronnowski (1908-1974) em seu
livro Um Sentido do Futuro afirma que os alemães foram ultrapassados
cientificamente durante a 2ª Guerra Mundial porque, na época em que os
americanos fizeram funcionar a primeira pilha atômica (1942), o diretor de
pesquisa de Heinrich Himmler (1900-1945), o Reichsflihrer da Schutzstafell
(SS), enviara um pesquisador alemão à Dinamarca para descobrir de que
modo os Vikings teciam. Paradoxalmente, e por outro lado, dois cientistas
alemães, Otto Hahn e Fritz Strassmann, em 1939, haviam realizado a primeira
fusão nuclear, reação nuclear básica para o funcionamento da pilha atômica.
REFLEXÕES SOBRE A APRENDIZAGEM.
Nesse momento o aluno é estimulado a criar seminários e discussões sobre o
os temas relaiocnados aos tópicos descritos na unidade, apresentando suas
análise e reflexões sobre os textos explorados.
RESUMO DA UNIDADE
Esta unidade explorou os fatos e os principais personagens que contribuíram
para o desenvolvimento da Física de partículas e dos núcleos, onde as
questões sobre o átomo e seu interior são os temas centrais.
SUGESTÕES DE LEITURA
Além das bibliografias sugeridas, o aluno pode encontrar o assunto nos
seguintes livros:
DEUS, J.D. ET AL, Introdução à Física. Ed. Mac Graw Hill. São Paulo, 1992.
LOCQUENEUX, R., História da Física, Coleção Saber. Ed. Publicaçõe EuropaAmérica, 1989.