Odilon A. P. Tavares

Centro Brasileiro de Pesquisas Física – CBPF/MCT

Rio de Janeiro, 17 de agosto de 2011.

1789 – Descoberta de um novo elemento,URÂNIO, pelo químico alemão Martin H.KLAPROTH (1743-1817) ao investigar aPechblenda (abundante nas minas deJoachinsthal, Bohemia (Tchecoslováquia),onde havia minérios de 200 Ma a 2 Ba).

1814 – O físico francês André MarieAMPÈRE (1775-1836) foi o primeiro apropor que os átomos seriam constituidosde partículas subatômicas.

1828 – O físico e filósofo alemão GustavTheodor FECHNER (1801-1887) propôsum modelo de átomo que consistia de umaparte central massiva que atraíagravitacionalmente uma nuvem departículas quase imponderáveis.

1828 – O químico sueco Jöns JacbobBERZELIUS (1779-1848) fez a descobertade um novo elemento, o TÓRIO, sendoeste cerca de três vezes mais abundante queo Urânio.

1841 – O químico francês EugènePÉLIGOT (1811-1890) isolou o Urâniometálico.

1862 – O físico alemão Wilhelm EduardWEBER (1804-1891) considerou aspartículas imponderáveis do modelo deFechner como sendo partículaseletrizadas, atraídas para a parte central doátomo por uma força elétrica.

ANTECEDENTES

Descoberta da RadioatividadeAntoine Henri Becquerel (1852-1908)

Radiação espontânea do urânio e de diversas outras substâncias

Sur les radiations invisiblesémises par les corps phosphorescents.Compt. Rend. Acad. Sc. Paris 122 501

(1896)

INVISÍVEL, ESPONTÂNEA, MISTERIOSA!

1897 - O Físico inglês sir J. J.

THOMSON, estudando os

raios catódicos, concluiu que

os átomos são constituídos de

corpúsculos de carga elétrica

negativa (os ELÉTRONS) e

uma outra parte contendo a

massa e a carga elétrica

positiva.

Joseph John Thomson (1856-1940)

Cathode Rays, Phil. Mag. 44, 293 (1897)

1898 Casal Curie, em Paris: Descoberta do Polônio

Descoberta do Rádio

Ernest Rutherford, procedente da Nova Zelândia,

identificou em Cambridge dois tipos diferentes de

radiações emitidas pelo Urânio, ambas de natureza

corpuscular, a que deu o nome de raios α (facilmente

absorvidos) e β (maior poder de penetração).

RADIOATIVIDADE E RADIOQUÍMICA (Mme. Curie)

Marie e Pierre

Ernest Rutherford

(1871-1937)

1899 Rutherford, na Universidade

McGill, descobriu um gás

nobre, radioativo, que emanava

de sais de Tório, o qual recebeu

o nome de Radônio.

(1867-1934) (1859-1906)

Set. 1898 Transferência p/ Montreal.

1900 H. Becquerel: Identificou os raios β como sendo elétrons energéticos

Paul Villard, em Paris, identificou um terceiro tipo de radiação, de

natureza não corpuscular (como os raios X) a que deu o nome de raios γ

(ou radiação γ).

α m = 4carga = +2

γ m = 0carga = 0

β m = 5x10-4

carga = -1

O físico e químico

francês Paul Villard

(1860-1934)

1902 Rutherford e Soddy descobrem em Montreal a

TRANSMUTAÇÃO dos elementos radioativos → árvore

genealógica das famílias do urânio e tório.

O químico inglês

Frederick Soddy

(1877-1956)

- Soddy introduziu em 1911 o conceito de isótopos [M(PbU) < M(PbTh)]

- Idade da Terra: ~ bilhões de anos

- Grande quantidade de energia liberada (aquecimento)

1903 Rutherford e Soddy concluiram que as

partículas alfa do rádio e do radônio possuiam

carga elétrica positiva.

Soddy e Ramsay observaram que gás hélio estava

sendo emitido dos sais de rádio.

Grande suspeita de serem as

partículas alfa íons de Hélio.

E. Rutherford: The Magnetic and Electric Deviation of

the Easily Absorbed Rays from Radium. Phil. Mag. 5,

177 (1903)

O químico escocês

sir William Ramsay

(1852-1916)

W. Ramsay and F. Soddy: Experiments in Radioactivity,

and the Production of Helium from Radium. Proc. Roy.

Soc. A 72, 204 (1903)

1906 Rutherford e Otto Hahn (que havia chegado a

Montreal em 1905) investigaram alfas de diferentes

substâncias, concluindo

O químico alemão

Otto Hahn

(1879-1968)

Primeira observação por Rutherford sobre deflexão de partículas alfa:

folhas de mica muito finas interpostas entre uma fonte alfa e um filme

fotográfico.

Phil. Mag. 11, 166 (1906);

Phil. Mag. 12, 134 (1906).

1906

1907 E. Rutherford volta à Inglaterra (Manchester), cria

seu grupo de pesquisa, que confirma a carga

elétrica positiva contida nas partículas alfa.

1908 Rutherford e Geiger fazem a medida da carga

elétrica das partículas alfa do RaC e encontram

1908 Uma carta de Otto Hahn informa ao grupo que era

possível ver cintilações quando partículas alfa

atingiam uma tela com ZnS (material

luminescente). Esse método tornou-se a principal

ferramenta nos trabalhos que envolviam detecção

de partículas alfa.

Rutherford e Geiger, em

1908, repetiram a experiência

de deflexão alfa por folhas de

mica, usando a tela de

cintilação com ZnS

Físico alemão Hans Geiger

(1882-1945)

1909 Com a ajuda do químico inglês Thomas Royds (1884-1955)

ficaram definitivamente identificadas as partículas alfa como

sendo átomos do gás hélio que perderam seus dois elétrons,

isto é, íons de carga elétrica dupla e positiva.

E. Rutherford and T. Royds: The Nature of the Particle

from Radioactive Substances. Phil. Mag. 17, 281 (1909).

Radônio purificado foi colocado no estreito tubo

A de paredes suficientemente finas que

deixavam partículas alfa escaparem através

delas. O tubo A foi envolvido por um tubo B

ligado a um sistema V de análise por

espectrometria. A quantidade de gás acumulada

no tubo B em dois dias foi suficiente para

concluírem que tratava-se do gás hélio.

α (11 anos após serem descobertas)

1909

Físico inglês-neozelandês

sir Ernest Marsden

(1889-1970)

MODELOS ATÔMICOS CORRENTES

(1904-1910)- Átomo “pudim de passas” de J.J. Thomson, anunciado

na Universidade de Yale (EUA) em dezembro de 1903:

Substrato de forma esférica de matéria carregada

positivamente e com uma dispersão uniforme de

elétrons. (Phil. Mag. 6, 1903)

- Átomo “saturniano”, do físico

japonês Hantaro Nagaoka (1865-

1950). Proposto em Tóquio em

dezembro de 1903: Caroço central

massivo de carga positiva rodeado

por anéis contendo os elétrons

circulando com velocidade

constante. (Phil. Mag. 7, 1904)

(múltiplas deflexões)

MODELO DE RUTHERFORD DO ÁTOMO NUCLEAR

(formulado em fins de 1910)

DEFLEXÃO DE PARTÍCULAS ALFA POR

LÂMINAS METÁLICAS FINÍSSIMAS

CONTANDO PARTÍCULAS ALFA DEFLETIDAS POR

LÂMINAS METÁLICAS FINÍSSIMAS

O MOMENTO DA DESCOBERTA DO NÚCLEO ATÔMICO

Primeira estimativa da

dimensão do núcleo atômico

P E R P L E X I D A D E !

Retroespalhamento

Lâmina

Metálica

ρ

[g/cm³]

t

[μm]Z

A

[g]

Obs.

G&M

(1909)

Calc.

Rutherford

(1910)

Platina 21,4 1,5 78 195 5,5 1:8000 1:7700

Ouro 19,3 0,4 79 197 4,4 1:20000 1:20200

sir Ernest Rutherford

Fev. 1911 “ Now I know what the atom looks like”

~10-8 cm

~10-12 cm

99,97% da massa atômica

EXPERIMENTAÇÃO versus MODELOGeiger & Marsden (1911-1913)

LIMITAÇÕES DO MODELO DE RUTHERFORD

1ª Ângulos de deflexão muito pequenos

2ª Energias mais altas em núcleos leves3ª Instabilidade Atômica

ESPECTROS DE RAIOS-X CARACTERÍSTICOS

E A CARGA ELÉTRICA DO NÚCLEO ATÔMICO

1913-14 Henry Moseley investigou de forma empírica os

espectros de raios-X característicos de 38 elementos (do Al

ao Au), e da observação do aumento regular da frequência

quando passava de um elemento ao seguinte no sistema

periódico, concluiu que o número de cargas no núcleo é o

mesmo que o número de ordem do elemento no sistema

periódico, ao qual chamou de número atômico, Z, que é o

mesmo que o número de elétrons no átomo. Físico inglês Henry

Moseley (1887-1915)

Tabela periódica dos elementos

~1911

Tc

Hf Re

Pm

James Chadwick (do grupo de Rutherford) desenvolveu

uma técnica que permitiu obter contagens de partículas alfa com

grande precisão, e assim determinou os valores para a carga

elétrica do núcleo dos átomos de três elementos, em excelente

acordo com os respectivos números atômicos como havia proposto

Moseley com os Raios-X característicos.

1919

Lâmina Metálica

Espessura

ε [mg/cm2]

MassaAtômica

A [g]

Energia – αEα [MeV]

< N0 / Ns >Carga elétrica nuclear, Z [e]

(Chadwick, 1920)

N° Atômico, Z(Moseley, 1913-14)

Cobre 4,78 63,5 6,85 1084 ± 32 29,3 ± 0,4 29

Prata 4,50 107,9 7,05 830 ± 25 46,3 ± 0,7 47

Platina 4,93 195,1 7,20 511 ± 15 77,4 ± 1,0 78

Físico inglês James

Chadwick (1891-1974)

ESPALHAMENTO ALFA E A CARGA ELÉTRICA DO NÚCLEO ATÔMICO

ANO FÍSICA DESCOBERTA QUÍMICA DESCOBERTA

1908 ..... .......Ernest

RutherfordDesintegração Radioativa

Sequencial

1921 ..... .......Frederick

SoddyRadioquímica e os Isótopos

1922 Niels BohrEstrutura Atômica e Espectros Atômicos

...... ............

1927Arthur

ComptonEfeito Compton ....... .............

1935James

ChadwickO Nêutron ....... ..............

1937George

ThompsonDifração de elétrons por

cristais....... .............

1944 ...... ....... Otto HahnEvidência química para a

fissão nuclear

1947Edward

AppletonEstudos sobre a

Ionosfera....... ...............

COLABORADORES DE RUTHERFORD

GANHADORES DO PRÊMIO NOBEL