Nucleo

  "PHILIP MORRISON".
  Neste século, os físicos seguiram por duas estradas. Uma delas que tem o nome de Albert Einstein, conduziu-os a uma nova noção de espaço e tempo. A outra, que podíamos chamar Caminho Através do Mundo, porque foi construída por muitos homens e mulheres em muitos países, conduziu-os ao coração da matéria...
  Irving Adler, em "No interior do núcleo", conduz-nos pela estrada sinuosa e explica claramente as estranhas perspectivas que se nos apresentam. Temos de passar da química para os elementos, dos elementos para os átomos, dos átomos para os blocos constitutivos de que são feitos, para formar uma família tão exactamente relacionada como as nossas próprias famílias. Com Rutherford, fomos aprofundando o conhecimento e descobrimos o núcleo. E a estrada não acaba no núcleo, pois este possui também um conjunto de partes típicas que não são fixas, mas se transformam e combinam.
  Em todo o percurso de 1900 a 1962, Irving Adler é um guia seguro e esclarecido...
  ... Vemos como é constituído o núcleo, precisamente como vimos a estrutura dos átomos. Aprendemos que os núcleos se desenvolveram, de facto, a partir do mais simples de todos, o hidrogénio, nas rutilantes fornalhas atómicas do céu...


  NO INTERIOR DO NÚCLEO - IRVING ADLER.
  Capítulo I.
  EXPLORANDO O CORAÇÃO DO ÁTOMO.
  Sistemas Solares em Miniatura
  Todo o átomo é como uma imitação, em pequena escala, do sistema Solar. A maior parte da massa do sistema solar está concentrada no sol. No átomo, a maior parte da massa está concentrada num coração central, chamado núcleo. Os electrões giram em volta do núcleo ... ... O raio de um átomo é cerca de 100 milhões de vezes mais pequeno que um centímetro. O raio dum núcleo é cerca de cem mil vezes mais pequeno do que aquele.
  Para fazermos ideia do tamanho de um núcleo, comparado com um átomo, imaginemos que este é aumentado até se tornar grande como uma casa. O núcleo, aumentado proporcionalmente, será então tão grande como a cabeça de um alfinete.
  A estrutura de um átomo é constituída por duas partes. Uma parte é a estrutura exterior que consiste na disposição e movimentos dos eletrões em volta do núcleo; a outra é a estrutura interior que consiste na disposição e movimentos de tudo o que está dentro do próprio núcleo. Os físicos possuem já noções muito desenvolvidas sobre a estrutura exterior do átomo: a teoria da estrutura atómica permite-lhes prever, com grande exatidão, as propriedades de todos os átomos e grupos de átomos. Agora, estudam ativamente a estrutura interior, reunindo factos e estabelecendo teorias, com a esperança de que, algum dia, compreenderão o núcleo tão bem como compreendem o átomo.
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  O raio dum núcleo de hidrogénio é cerca de 10^-13cm, o que, em física nuclear, é uma medida importante; foi-lhe dado, portanto, um nome especial. Chamou-se-lhe fermi, do nome do físico nuclear ítalo-americano Enrico Fermi.
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  Penetrando no Núcleo
  Para estudar um núcleo, os físicos arremessam partículas contra ele e observam o que acontece. Algumas vezes, dá-se um choque direto e a partícula penetra no núcleo, podendo aí ficar tornando-o maior e mais pesado. Ou pode torná-lo instável, de modo a fragmentar-se em porções mais pequenas. Outras vezes, a partícula passa junto do núcleo e é desviada por ele. Em todos os casos, o resultado é uma indicação do que está a passar-se no interior do núcleo.
  Como 'projéteis', são usadas várias partículas, para arremessar contra o núcleo. A primeira partícula usada, com esse fim, foi uma partícula 'alfa' que, hoje sabemos ser um núcleo de hélio. Depois empregaram-se outros projéteis, como o protão e o neutrão, que são os blocos constitutivos do núcleo; o miuão (da letra grega miu) que é uma filha do pião (da letra grega pi); e o eletrão, que é normalmente um planeta do núcleo.
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  Aceleradores de Partículas
  Os físicos têm dois processos de obter as partículas rápidas que empregam como projéteis. Obtêm algumas, introduzindo partículas em aceleradores de partículas que lhes aumentam extraordinariamente a velocidade. Obtêm outras, capturando partículas rápidas que já existem na Natureza.
  Num acelerador de partículas, as partículas com carga elétrica movem-se num tubo de vácuo. Num acelerador linear o tubo é retilíneo; num ciclotrão, é circular; e num sincotrão, tem a forma de uma rosquilha. As partículas são introduzidas no tubo, onde forças elétricas lhes transmitem muitos impulsos repetidos. Quando já têm a velocidade necessária, vão embater contra um alvo que contém os núcleos a estudar.
  A energia de uma pequena partícula é expressa, usualmente, por uma unidade chamada eletrão-volt ou ev. Um eletrão-volt é a quantidade de energia adquirida por um eletrão, quando o seu potencial varia de um volt. Esta unidade é tão pequena que são precisos cerca de 5x10¹⁵ eletrões-volts, para levantar um 'penny' americano de 2,5cm. O símbolo Mev designa um milhão de eletrões-volts e Bev mil milhões.
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  O mais potente dos aceleradores recentes produz energias superiores a 30Bev.
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  Coisas Novas e Novo Conhecimento
  A ciência nuclear é ainda muito jovem, mas já deu alguns resultados importantes. O mais conhecido é a descoberta dos processos de cisão e fusão nucleares que são aproveitadas, respetivamente, na bomba atómica e na bomba de hidrogénio. Para os físicos nucleares há, no entanto, uma tarefa muito mais importante que o estudo da cisão e da fusão. Damos, a seguir, uma lista de algumas realizações mais significativas:
  1) Foram criados novos elementos que não existem na Natureza. O átomo mais pesado, encontrado na Natureza, é o urânio. Os átomos seguintes, mais pesados que o urânio, foram produzidos pelo Homem, em laboratórios: neptúnio, plutónio, amerício, cúrio, brequélio, califórnio, einsteínio, férmio, mendelévio, nobélio, e laurêncio. Produziram-se, também, novos isótopos dos átomos mais antigos. Dois átomos são isótopos do mesmo elemento químico, se têm núcleos diferentes, mas o mesmo número de protões no núcleo. O número total de isótopos conhecidos de todos os elementos é, agora, cerca de 100.
  2) Foram descobertas novas partículas elementares. Ainda não há muito tempo, o mundo físico parecia ser construido segundo um plano simples. Conheciam-se quatro partículas elementares: o protão, o neutrão, o eletrão e o fotão - partícula de energia eletromagnética - que pareciam ser suficientes para explicar toda a estrutura atómica. Conhecemos, agora, 32 partículas e pode haver mais.
  3) Foram-se acumulando as noções acerca do modo como essas partículas atuam umas sobre as outras. Ainda não há, no entanto, uma teoria simples que explique como estão relacionadas.
  4) Os físicos nucleares possuem já informações minuciosas a respeito do tamanho e forma do núcleo.
  5) Também aprenderam muito sobre a força que mantém o núcleo. Não há, no entanto, uma teoria simples da força nuclear que explique o seu complicado comportamento.
  6) Foram criados vários modelos da estrutura nuclear. Cada um consegue explicar, em parte, algumas das propriedades do núcleo. Ainda não há uma teoria simples que unifique todos os modelos e explique todos os factos.
  7) Foi-se progredindo na compreensão do modo como, na evolução do Universo, os núcleos mais pesados se produziram a partir do núcleo de hidrogénio.

  Capítulo II.
  BLOCOS CONSTITUTIVOS DO UNIVERSO.
  Átomos, Átomos e Átomos
  Há cerca de 2400 anos, dois filósofos gregos, Leucipo de Mileto e Demócrito de Abdera, apresentaram a teoria do Universo ser constituído por pequenas unidades chamadas átomos. Supunham que as coisas vulgares podiam ser divididas nos átomos de que eram formadas, mas os próprios átomos não podiam ser divididos em partes mais pequenas. Os cientistas demonstraram que Leucipo e Demócrito tinham razão, pelo menos parcialmente. O Universo é constituído por pequenas unidades, mas muitas dessas unidades podem ser divididas em partes mais pequenas. Antes de iniciarem a exploração do núcleo, os cientistas já tinham descoberto três espécies diferentes de unidades ou átomos. Tinham encontrado unidades químicas, unidades de eletricidade e unidades de energia radiante. Hoje, designamos por átomos somente as unidades químicas. As unidades de eletricidade encontram-se no interior dos átomos. As unidades de energia radiante estão relacionadas com transformações que se verificam em outras unidades.
  Os Átomos em Química
  Há milhares de espécies diferentes de substâncias químicas. Cerca de 100 são especialmente importantes, porque todas as outras se formam a partir delas. São os chamados elementos. As substâncias químicas, que se formam por combinação de dois ou mais elementos, chamam-se compostos químicos. Por ex., o hidrogénio e o oxigénio são elementos químicos; a água é um composto químico, formada por hidrogénio e oxigénio.
  Toda a substância química pura é constituída por unidades chamadas moléculas; cada molécula é constituída por átomos de alguns dos elementos.
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  Os químicos e físicos usam um símbolo especial para cada um dos diferentes elementos químicos. Por ex., o símbolo do hidrogénio é H, o símbolo do hélio é He, o símbolo do carbono é C, o símbolo do oxigénio é O.
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  Para formar o símbolo dum composto químico, os químicos mencionam os átomos que se combinam em cada molécula do composto. Se numa molécula, se encontra mais que um átomo dum certo elemento, o número desses átomos é escrito a seguir ao símbolo. Por ex., como uma molécula de água contém dois átomos de hidrogénio e um de oxigénio, o símbolo da água é H₂O. O símbolo do oxigénio - gás comum - é O₂ e o do ozónio é O₃.
  Pesos Atómicos
  Os átomos de elementos químicos diferentes possuem pesos diferentes. Para exprimir esses pesos, os químicos atribuíram um número a cada elemento, seguindo este processo: primeiro, atribuíram ao oxigénio o número 16; em seguida, atribuíram um número a todos os outros elementos de modo que a razão entre os números é a razão entre os pesos médios dos átomos dos elementos. Por ex., como o átomo médio do enxofre é cerca de duas vezes mais pesado que o átomo médio do oxigénio, atribuíram ao enxofre o número aproximado 2x16, ou 32. Como o átomo de hélio tem, em média, cerca de um quarto do peso, em média, do átomo de oxigénio, atribuíram ao hélio o número aproximado 1/6x16, ou 4. Os números atribuídos assim, são chamados pesos atómicos dos elementos.
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Note-se que o peso atómico do hidrogénio, o átomo mais leve, é 1,00814, ou quase exatamente 1.
  A Massa dum Átomo
  Os átomos das coisas que nos rodeiam estão em movimento constante. São influenciados também por várias coisas que tentam mudar a sua velocidade e direção do seu movimento. Cada átomo resiste obstinadamente a essa influência, mas uns mais do que outros. Os físicos deram um nome à propriedade que faz com que um objeto resista a mudanças no seu movimento: chamaram-lhe massa do objeto. Certas experiências demonstraram que a massa de um objeto é proporcional ao seu peso. Devido a esse facto, o peso atómico dum átomo pode ser usado também para calcular-lhe a massa. Assim, como 16 é, em média, a massa do átomo de oxigénio, a massa do átomo de hidrogénio é, em média, 1 e a massa do átomo de hélio é, em média, 4. A unidade do sistema de medida de massas chama-se unidade de massa atómica. Como vemos, é quase exatamente igual à massa dum átomo típico de hidrogénio. Expressa em gramas, uma unidade de massa atómica é cerca de 1,7x10^-24 gramas.
  Quadro Periódico
  Em 1869, os químicos, alemáo e russo, Meyer e Mendeleyev, trabalhando independentemente, fizeram uma importante descoberta. Verificaram que, se dispusessem os elementos químicos segundo a ordem crescente de massas, aqueles que pertenciam à mesma família química apareciam em intervalos regulares na lista. Se dividissem a lista em filas de elementos e dispusessem as linhas sucessivas umas debaixo das outras,
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os elementos, colocados uns dos outros na mesma coluna, eram aqueles que possuíam propriedades químicas semelhantes e pertenciam à mesma família química. Este arranjo especial dos elementos é conhecido por QUADRO PERIÓDICO DOS ELEMENTOS.
  O arranjo dos elementos no quadro seguiu, apenas aproximadamente, a ordem crescente de massas, pois difere dessa ordem por três razões: 1) A fim de manter as famílias de elementos reunidas em colunas verticais, foi necessário deixar alguns intervalos. Por ex., havia um intervalo no 21^o lugar, à direita e a seguir ao cálcio, e outros 31^o e 32^o lugares, entre o zinco e o arsénio. 2) Pela mesma razão, foi necessário algumas vezes, colocar um elemento mais leve a seguir a um mais pesado, em lugar de se colocar antes. Por ex., o níquel é mais leve que o cobalto, mas no quadro está colocado depois. 3) Alguns elementos não se ajustaram perfeitamente e tiveram de ser incluídos em linhas separadas, na parte inferior do quadro.
  Mendeleyev compreendeu imediatamente o significado dos intervalos do quadro, explicando serem lugares de elementos que existiam, mas ainda não tinham sido descobertos. E, devido à posição dos intervalos, previu até quais seriam as propriedades dos elementos que faltavam. Verificou-se serem corretas essas previsões, quando se descobriram os elementos que faltavam. O 21^o lugar já está ocupado pelo escândio, descoberto em 1874; os 31^o e 32^o, pelo gálio e o germânio, descobertos respetivamente em 1879 e 1885.
  As outras duas razões, devido às quais a ordem dos elementos difere da ordem crescente das massas, não foram compreendidas tão facilmente; no entanto, já estão plenamente justificadas pela moderna teoria da estrutura atómica.
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  O quadro periódico atribui um número a cada elemento, indicando a sua posição. Esse número chama-se número atómico do elemento e representa-se, geralmente, pela letra Z. Por consequência, para o hidrogénio, Z=1; para o hélio, Z=2; para o urânio, o átomo mais pesado, encontrado na Natureza, Z=92.
  Gases Nobres
  Os elementos da última coluna à direita, no quadro periódico, constituem a família dos gases inertes. Também são chamados, por vezes, gases nobres. Têm a propriedade peculiar de serem quimicamente inertes ou inativos, isto é, não se combinam com outros elementos para formar compostos. Os números atómicos dos gases nobres são 2, 10, 18, 36, 54, 86. Esta série de números pôs, aos físicos, uma interessante questão: por que razão seriam estes números especiais, os números atómicos de elementos inertes?
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  Um Bloco Constitutivo para os Átomos?
  Os átomos dos elementos são os blocos constitutivos das moléculas. É possível que exista um bloco constitutivo simples a formar os próprios átomos? Em 1815, William Prout, físico inglês, supôs ver uma resposta a essa pergunta no peso atómico dos elementos. O peso atómico do hidrogénio é quase exatamente 1; os pesos atómicos de muitos outros elementos são, aproximadamente, números inteiros. Por ex., o peso atómico do carbono é quase exatamente 12, o do azoto quase exatamente 14, etc. Isto levou Prout a supor que o átomo de hidrogénio era o bloco constitutivo que formava todos os outro átomos. De acordo com essa suposição, um átomo de carbono era constituído por 12 átomos de hidrogénio, um átomo de azoto era constituído por 14 átomos de hidrogénio, etc.
  Durante certo tempo, a teoria de Prout foi bem aceite pelos químicos. Perdeu, no entanto, a sua aceitação quando se tornou evidente, ao serem calculados com mais exatidão os pesos atómicos, que alguns deles estavam longe de ser números inteiros. Por ex., o peso atómico do magnésio é 24,32 e o do cloro 35,457. Este obstáculo à teoria de Prout foi removido, no entanto, por uma importante descoberta, feita no começo do século XX. Verificou-se que muitos elementos eram um misto de várias espécies de étomos, com as mesmas propriedades químicas, mas pesos diferentes. Os átomos quimicamente idênticos, mas de pesos diferentes, chamam-se isótopos. Sabemos hoje, que todos os elementos têm vários isótopos. Quando os isótopos de um elemento são isolados e pesados separadamente, verifica-se que cada isótopo tem um peso atómico que é, aproximadamente, um número inteiro. O peso atómico fracionário duma mistura de isótopos é, simplesmente, a média dos pesos atómicos dos isótopos. Por ex., sabemos hoje que o magnésio é uma mistura de três isótopos. Cerca de 80% da mistura tem o peso atómico aproximado de 24; cerca de 10% tem o peso atómico aproximado de 25; os restantes 10% têm o peso atómico aproximado 26. Por consequência, o peso atómico da mistura é, aproximadamente, (0,80x24)+(0,10x25)+(0,10x26)=24,3. O cloro é também uma mistura de dois isótopos. 75% da mistura tem, aproximadamente, o peso atómico 35 e os restantes 25% cerca de 37; portanto, o peso atómico da mistura é, aproximadamente, (0,75x35)+(0,25x37)=35,50.
  O número inteiro mais próximo do peso atómico dum isótopo dum elemento chama-se o seu número de massa e é representado pela letra A. Por consequência, para um isótopo do cloro, A=35 e, para o outro, A=37. Para designar o isótopo dum elemento, escrevemos o seu número de massa depois do nome, ou escrevemos o número de massa depois e em cima do seu símbolo químico. Por consequência, o último isótopo do cloro chama-se cloro 37, ou Cl³⁷.
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  Como cada isótopo dum elemento tem um peso atómico que é, aproximadamente, um número inteiro, parece razoável supor, de novo, que o átomo de hidrogénio, cujo peso atómico é 1, é o bloco constitutivo de todos os outros átomos. ... Cerca de 99,95% da massa dum átomo encontra-se no núcleo e cada núcleo é constituído por duas espécies de blocos. Um deles é um núcleo de hidrogénio, o outro é um parente próximo, capaz de tornar-se um núcleo de hidrogénio.
  Átomos de Eletricidade
  Durante a segunda metade do século XIX, os físicos realizaram muitas experiências, nas quais fizeram passar uma corrente elétrica por um tubo fechado que continha um gás a pressão muito baixa. Num dado tipo de experiências, a pressão do gás foi reduzida abaixo de um milionésimo da pressão atmosférica e os elétrodos do tubo foram ligados a uma alta voltagem. Pôde observar-se, então, que provinha um raio do elétrodo negativo e que, por vezes, esse raio podia ser visto diretamente, como uma linha azulada. Como o elétrodo negativo se chama cátodo, foi dado ao raio o nome de raio catódico e o tubo tornou-se conhecido por tubo de raios catódicos. Um exemplo vulgar de um tubo de raios catódicos é o tubo de imagem dum aparelho de televisão. Em experiências com raios catódicos, verificou-se que esses raios são correntes de pequenas partículas de carga negativa que, agora, designamos por eletrões. Tanto a massa como a carga elétrica do eletrão já foram calculadas. A massa é de 9,1x10^-28 gramas; a energia da carga dum eletrão é de 1,601864x10^-19 coulombs. O coulomb é a unidade padrão de carga, em teoria elétrica. É costume representar essa quantidade de carga pela letra e. Designa-se por ^-e a carga do eletrão, para indicar tratar-se duma carga negativa. Numa experiência realizada em 1909, R. A. Millikan demonstrou que pequenas cargas elétricas são sempre números inteiros, múltiplos de e. E, assim, provou o que há muito se supunha - que o eletrão era uma espécie de átomo de eletricidade negativa.
  Sabe-se já que os eletrões se encontram em todos os átomos. Um átomo completo é eletricamente neutro, porque a carga negativa total de todos os eletrões é equilibrada por igual quantidade de carga positiva. Se se remover um ou mais eletrões do átomo, o equilíbrio é destruído e o átomo fica carregado positivamente. Esses átomos com carga positiva chamam-se iões.