Novas idéias sobre o átomo: As partículas subatômicas

Novas idéias sobre o átomo: As partículas subatômicas

A descoberta de partículas subatômicas decorreu das experiências realizadas sobre a descargas elétrica nos gases rarefeitos, iniciadas por Faraday, em 1838. Para isso, devemos entender como eram feitos experimentos deste tipo, para melhor compreender a idéia da evolução do pensamento à luz das novas descobertas.

Desde Empodocles (Grécia antiga) que a existência material do ar foi demonstrada, designadamente com a sua conhecida experiência da não entrada de água num recipiente que se introduz na mesma, de boca para baixo. De certo modo ficou assim estabelecido o conceito de gás que durante séculos foi confundido com o representado pela palavra ar. Galileu (1564-1642) mostrou que o ar tinha peso numa célebre experiência em que pesou um balão antes e depois de fazer dele sair ar por aquecimento.

Desta forma, os gases começaram a ser objeto de estudo científico. Muitos cientistas se atentaram a estudar os gases com relação à sua pressão. Otto de Guerricke, Torricelli, Pascal e Laplace fizeram grandes trabalhos sobre a elevada compressibilidade que não tinham líquidos nem sólidos.

Nesta época surgem as primeiras máquinas compressoras, a primeira inventada por Boyle (1627-1691). A lei de Boyle-Mariotte — para uma massa de gás, a temperatura constante, o produto do volume pela pressão é constante — considerada rigorosa durante mais de 100 anos, despertou certo interesse, especialmente quanto à sua validade se fosse ensaiada para valores cada vez maiores da pressão. Em 1826, Oersted (1777-1851) e Swendsen consideram a lei válida até à pressão de 8 atm. Estes estudos prosseguiram, com cada vez maiores requintes de rigor, onde Regnault (1810-1878) obteve resultados muito seguros a partir dos quais foi possível introduzir a noção de gás perfeito justamente aquele que obedece à lei de Boyle-Mariotte.

Entretanto, desde a divulgação das experiências de Torricelli (1644), viu-se que as mesmas encerravam em si o princípio do que poderia vir a ser uma excelente máquina de fazer vácuo. Era natural que os vidreiros, que faziam tubos barométricos, se interessassem pelo assunto e foi de fato o que sucedeu mais nitidamente com Geissler (1824-1879), cerca de 1857, tornado possível o estudo dos gases rarefeitos.

Foi designadamente o caso das descargas elétricas nos gases rarefeitos que veio mostrar a presença de partículas subatômicas na formação do átomo. Vale a pena, porém, entender como a noção de eletricidade se desenvolveu ao longo dos anos.

A existência da eletricidade é referida desde os mais remotos tempos, embora seu conhecimento estivesse limitado ao seguinte: esfregando com lã um pedaço de âmbar (resina fóssil) este atrai pequenos corpos de reduzido peso. Como âmbar, em grego, se diz electrons, veio assim a dar-se àquele fenômeno o nome de eletricidade.

Somente no final do século XVI, através de um médico da corte inglesa de nome William Gilbert (1540-1603), que a eletricidade teve um estudo dirigido, com a descoberta de outros materiais gozando da mesma propriedade do âmbar. Com pequenas máquinas fizeram-se então as primeiras experiências recreativas de eletricidade estática.

Mais um século se passou sem que os cientistas dessem o verdadeiro valor para a eletricidade. Somente em 1727 que Stephen Gray (1666-1736) deu um decisivo passo descobrindo, que a "virtude" elétrica (como então se dizia) era transportável dum corpo para outro, através de um fio ou até por simples aproximação. À partir deste ponto, outros experimentos foram surgindo e as idéias ferviam cada vez mais na cabeça daqueles cientistas. O maior deles foi Coloumb (1736-1806), que publicou sua teoria que consiste essencialmente no seguinte: existem dois fluidos elétricos distintos tais que — os corpos eletrizados por um mesmo fluido repelem-se; os corpos eletrizados por fluidos diferentes atraem-se; essas atrações ou repulsões produzem-se na razão direta das densidades ou forças do fluido elétrico e na razão inversa do quadrado das distâncias e num corpo condutor eletrizado o fluido elétrico espalha-se à superfície mas não penetra no interior do corpo.

Durante mais de meio século, a influência de Coulomb foi muito grande pois as suas leis mostraram-se aptas a que fossem estudados matematicamente conceitos tão importantes como o de potencial, devido a Gauss (1777-1855). Dele se ocuparam matemáticos e físicos teóricos como Laplace, Poisson (1781-1840), Green (1793-1841), Gauss e outros, abrindo caminho à noção de campo elétrico. Já em 1746, Le Monnier (1717-1799) mostrou a existência de uma corrente elétrica descarregando por um fio condutor uma garrafa de Leyden.

Com esta visão geral, já podemos voltar à idéia das descargas elétricas em gases rarefeitos. O primeiro a fazer experiências deste tipo foi o matemático e físico alemão Julius Plücker (1801-1868), em 1858. Assim, ao tomar o tubo de Geissler, observou que "raios" originados do catodo desse tudo poderiam ser desviados quando em presença de um campo magnético. Logo depois, em 1871, o físico inglês Cromwell Fleetwood Varley (1828-1883) constatou que esses "raios" eram partículas carregadas negativamente, as quais foram chamadas de raios catódicos, em 1876, por parte do físico alemão Eugen Goldstein (1850-1931).

A natureza desses "raios" foi objeto de polêmica entre físicos alemães e ingleses. Os primeiros, liderados por Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), afirmava tratar-se de ondas, enquanto os segundos, sob a liderança de William Crookes (1832-1919), achavam tratar-se de partículas carregadas negativamente, às quais denominou-as de "matéria radiante". A polêmica encerrou-se quando o físico francês Jean-Baptiste Perrin (1870-1942), em 1895, confirmou a observação de Varley, isto é, de que os raios catódicos eram partículas carregadas negativamente. A prova definitiva da natureza desses "raios" ocorreu em 1897, quando o físico Sir Joseph John Thomson (1856-1940) demonstrou que os raios catódicos eram formados de elétrons (quantidade mínima de carga elétrica, segundo proposta do físico irlandês George Johnstone Stoney (1826-1911), em 1891). Chegando inclusive a calcular a relação e/m, entre a carga e e a massa m dessas partículas.

A existência do elétron como um dos constituintes fundamentais da matéria foi cada vez mais sendo confirmada. Assim, em 1899, o físico húngaro alemão Phillip Eduard Anton van Lenard (1862-1947) e Thomson, demonstraram, independentemente, que elétrons eram emitidos de superfícies metálicas (efeito fotoelétrico e termiônico respectivamente). Por volta de 1900, o físico francês Antonie-Henri Becquerel, o casal Curie e o físico alemão Wilhelm Wien, em trabalhos distintos, demostraram que os raios beta eram elétrons. Por fim, em 1913, o físico norte-americano Robert Andrews Millikan (1868-1953) realizou a célebre experiência com a qual determinou a carga e e a massa m do elétron.

As experiências com descargas elétricas também evidenciaram a existência de cargas positivas como parte integrante da matéria. Com efeito, em 1886, Goldstein observou que quando o catodo de tubos de vácuo era perfurado em forma de canais, certos raios atravessavam o próprio catodo em sentido contrário aos raios catódicos e, por essa razão, recebeu por parte desse cientista o nome de raios canais. Por sua vez, em 1895, Perrin demonstrou que tais "raios" eram constituídos de partículas positivas e, por fim, Thomson, ao confirmar em 1907 tal observação, chamou-os então de raios positivos, ocasião em que, inclusive, chegou a determinar a relação entre a carga q e a massa m dos mesmos. As primeiras medidas dessa relação haviam sido realizados por Wien, em 1905. Basicamente, esses "raios" eram íons de hidrogênio: H+.

A comprovação de que os raios positivos se constituíam em partículas subatômicas começou a ser efetivada na medida em que foram desenvolvidos e testados modelos atômicos. No começo de nosso século XX, existiam dois modelos atômicos rivais. O primeiro deles foi proposto por Thomson, em 1903, e indicava que o átomo era composto de uma carga positiva uniformemente distribuída em uma esfera de raio da ordem de 10-8cm, "embebida" de elétrons que vibravam em seu interior, tornando-a neutra. O segundo modelo foi sugerido pelo físico japonês Hantaro Nagaoka (1865-1950), em 1904, segundo o qual o átomo era formado por um caroço central carregado positivamente e rodeado de anéis de elétrons girando com velocidade angular comum, semelhante ao planeta Saturno, daí o mesmo ser conhecido como modelo saturniano.

A rivalidade entre estes dois modelos foi resolvida em conseqüência das experiências realizadas pelos físicos, os ingleses Sir Ernest Rutherford (1871-1937) e Sir Ernest Marsden (1889-1970) e o alemão Hans Geiger (1882-1945), em 1908, sobre o espalhamento de partículas alfa pela matéria. Em 1911, o próprio Rutherford deu razão ao modelo saturniano ao propor que o átomo se comportava como um verdadeiro sistema planetário em miniatura, formado de uma parte central positiva, a qual denominou núcleo, onde se concentrava praticamente toda a massa do átomo e cerca de 10.000 vezes menor que o átomo propriamente dito. Esse núcleo era envolvido por uma nuvem de elétrons girando circularmente, conhecida como eletrosfera. Dificuldades em conciliar o modelo rutherfordiano com as leis clássicas da Mecânica e da Eletrodinâmica levaram o físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962), em 1913, a formular o modelo atômico quântico que, por sua vez, foi completado pelos físicos, o inglês William Wilson (1875-1965), o japonês Jun Ishiwara (1881-1947) e o alemão Arnold Sommerfeld (1868-1951), em trabalhos distintos realizados em 1915.

A existência de partículas positivas constituintes do núcleo atômico foi confirmada pelo próprio Rutherford, na célebre experiência que realizou em 1919, na qual analisou as cintilações que as partículas alfa provocavam em um anteparo de sulfeto de zinco (ZnS), depois que as mesmas atravessavam um cilindro contendo certos gases, principalmente hidrogênio (H) ou nitrogênio (N). No caso do cilindro conter H, acreditava Rutherford que as alfa expulsavam o núcleo desse elemento químico (1H1) e este, por sua vez, iria colidir com o anteparo de ZnS. No caso do gás ser o N, Rutherford acreditava, também, que a alfa arrancava um núcleo do H ao núcleo do N, transmutando-o no oxigênio (O). Em 1920, Rutherford propôs a definição de próton (que significa primeiro, em grego) ao núcleo 1H1. Em 1925, o físico inglês Patrick Blackett (1897-1974) conseguiu fotografar pela primeira vez, em uma câmara de Wilson, a trajetória de um próton.

A idéia da existência de uma partícula neutra como constituinte do núcleo atômico foi sugerida por Rutherford, ainda em 1920, na qual expôs o resultado de sua experiência de 1919. Para Rutherford, o isótopo 8O16, acrescido de uma partícula neutra com massa aproximadamente igual a do próton, partícula essa que seria uma composição de um próton e de um elétron girante que neutralizava a carga protônica. Utilizando a colisão de partículas alfa com elementos leves, tais como lítio, berílio e boro, Sir James Chadwick (1891-1974), conseguiu detectar experimentalmente esta nova prevista.

Temos assim, o modelo atômico criado: um núcleo, bastante massivo e pequeno, no qual aloja prótons (carga positiva) e nêutrons (carga neutra) e uma eletrosfera, região em volta do átomo, onde giram os elétrons em órbitas de energias definidas. Muito mais se fez no estudo das partículas e novos resultados foram obtidos. Os Raios Cósmicos foram fundamentais nestas novas descobertas.

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