Odilon A. P. Tavares Centro Brasileiro de Pesquisas Física CBPF/MCT. Rio de Janeiro, 17 de agosto de 2011.

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1 Odilon A. P. Tavares Centro Brasileiro de Pesquisas Física CBPF/MCT Rio de Janeiro, 17 de agosto de 2011.

2 ANTECEDENTES 1789 Descoberta de um novo elemento, URÂNIO, pelo químico alemão Martin H. KLAPROTH ( ) ao investigar a Pechblenda (abundante nas minas de Joachinsthal, Bohemia (Tchecoslováquia), onde havia minérios de 200 Ma a 2 Ba) O físico francês André Marie AMPÈRE ( ) foi o primeiro a propor que os átomos seriam constituidos de partículas subatômicas O físico e filósofo alemão Gustav Theodor FECHNER ( ) propôs um modelo de átomo que consistia de uma parte central massiva que atraía gravitacionalmente uma nuvem de partículas quase imponderáveis O químico sueco Jöns Jacbob BERZELIUS ( ) fez a descoberta de um novo elemento, o TÓRIO, sendo este cerca de três vezes mais abundante que o Urânio O químico francês Eugène PÉLIGOT ( ) isolou o Urânio metálico O físico alemão Wilhelm Eduard WEBER ( ) considerou as partículas imponderáveis do modelo de Fechner como sendo partículas eletrizadas, atraídas para a parte central do átomo por uma força elétrica.

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4 Descoberta da Radioatividade Antoine Henri Becquerel ( ) Sur les radiations invisibles émises par les corps phosphorescents. Compt. Rend. Acad. Sc. Paris (1896) Radiação espontânea do urânio e de diversas outras substâncias INVISÍVEL, ESPONTÂNEA, MISTERIOSA!

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

6 RADIOATIVIDADE E RADIOQUÍMICA (Mme. Curie) 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). Marie e Pierre ( ) ( ) Set Transferência p/ Montreal Rutherford, na Universidade McGill, descobriu um gás nobre, radioativo, que emanava de sais de Tório, o qual recebeu o nome de Radônio. Ernest Rutherford ( )

7 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 = 4 carga = +2 γ m = 0 carga = 0 β m = 5x10-4 carga = -1 O físico e químico francês Paul Villard ( )

8 1902 Rutherford e Soddy descobrem em Montreal a TRANSMUTAÇÃO dos elementos radioativos árvore genealógica das famílias do urânio e tório. - Soddy introduziu em 1911 o conceito de isótopos [M(Pb U ) < M(Pb Th )] - Idade da Terra: ~ bilhões de anos - Grande quantidade de energia liberada (aquecimento) O químico inglês Frederick Soddy ( )

9 1903 Rutherford e Soddy concluiram que as partículas alfa do rádio e do radônio possuiam carga elétrica positiva. E. Rutherford: The Magnetic and Electric Deviation of the Easily Absorbed Rays from Radium. Phil. Mag. 5, 177 (1903) Soddy e Ramsay observaram que gás hélio estava sendo emitido dos sais de rádio. W. Ramsay and F. Soddy: Experiments in Radioactivity, and the Production of Helium from Radium. Proc. Roy. Soc. A 72, 204 (1903) Grande suspeita de serem as partículas alfa íons de Hélio. O químico escocês sir William Ramsay ( )

10 1906 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) Rutherford e Otto Hahn (que havia chegado a Montreal em 1905) investigaram alfas de diferentes substâncias, concluindo 1907 E. Rutherford volta à Inglaterra (Manchester), cria seu grupo de pesquisa, que confirma a carga elétrica positiva contida nas partículas alfa. O químico alemão Otto Hahn ( )

11 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. Físico alemão Hans Geiger ( ) Rutherford e Geiger, em 1908, repetiram a experiência de deflexão alfa por folhas de mica, usando a tela de cintilação com ZnS

12 1909 Com a ajuda do químico inglês Thomas Royds ( ) 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. α (11 anos após serem descobertas) 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.

13 1909 Físico inglês-neozelandês sir Ernest Marsden ( )

14 MODELOS ATÔMICOS CORRENTES ( ) - 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 ( ). 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)

15 (múltiplas deflexões)

16 MODELO DE RUTHERFORD DO ÁTOMO NUCLEAR (formulado em fins de 1910)

17 DEFLEXÃO DE PARTÍCULAS ALFA POR LÂMINAS METÁLICAS FINÍSSIMAS

18 CONTANDO PARTÍCULAS ALFA DEFLETIDAS POR LÂMINAS METÁLICAS FINÍSSIMAS

19 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!

20 Retroespalhamento Lâmina Metálica ρ [g/cm³] t [μm] Z A [g] Obs. G&M (1909) Calc. Rutherford (1910) Platina 21,4 1, ,5 1:8000 1:7700 Ouro 19,3 0, ,4 1: :20200

21 Fev Now I know what the atom looks like sir Ernest Rutherford ~10-12 cm 99,97% da massa atômica ~10-8 cm

22 EXPERIMENTAÇÃO versus MODELO Geiger & Marsden ( )

23 LIMITAÇÕES DO MODELO DE RUTHERFORD 1ª Ângulos de deflexão muito pequenos 2ª Energias mais altas em núcleos leves 3ª Instabilidade Atômica

24 ESPECTROS DE RAIOS-X CARACTERÍSTICOS E A CARGA ELÉTRICA DO NÚCLEO ATÔMICO 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 ( ) Tc Hf Re Tabela periódica dos elementos ~1911 Pm

25 ESPALHAMENTO ALFA E A CARGA ELÉTRICA DO NÚCLEO ATÔMICO 1919 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. Físico inglês James Chadwick ( ) Lâmina Metálica Espessura ε [mg/cm 2 ] Massa Atômica A [g] Energia α E α [MeV] < N 0 / N s > Carga elétrica nuclear, Z [e] (Chadwick, 1920) N Atômico, Z (Moseley, ) Cobre 4,78 63,5 6, ± 32 29,3 ± 0,4 29 Prata 4,50 107,9 7, ± 25 46,3 ± 0,7 47 Platina 4,93 195,1 7, ± 15 77,4 ± 1,0 78

26 COLABORADORES DE RUTHERFORD GANHADORES DO PRÊMIO NOBEL ANO FÍSICA DESCOBERTA QUÍMICA DESCOBERTA Niels Bohr Arthur Compton James Chadwick George Thompson Estrutura Atômica e Espectros Atômicos Ernest Rutherford Frederick Soddy Desintegração Radioativa Sequencial Radioquímica e os Isótopos Efeito Compton O Nêutron Difração de elétrons por cristais Otto Hahn 1947 Edward Appleton Estudos sobre a Ionosfera Evidência química para a fissão nuclear......

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