Será então o NÚCLEO fundamental? (parte 2)

Tinha-se, pois, chegado à conclusão de que a carga nuclear de um elemento era igual ao seu número atómico. Assim, o hidrogénio teria carga +1, o hélio +2, o lítio +3 e por aí adiante. No entanto, a composição do núcleo atómico não estava ainda totalmente elucidada.

Uma outra pista sobre este aspecto surgiu de experiências de dispersão a. Ernest Marsden questionava-se sobre o que aconteceria se bombardeasse núcleos leves com raios a (ver artigo). Quando, em 1914, aceitou um cargo como professor na Nova Zelândia, deixando assim incompletas as suas investigações (devido à falta do equipamento necessário, indisponível nos laboratórios da sua nova instituição) Rutherford, com quem trabalhara, decidiu prossegui-las ele mesmo. Contudo, a História interveio e fez com que Rutherford só continuasse as experiências quatro anos mais tarde, após o fim da 1ª Guerra Mundial (1918).
Quando fez incidir partículas a sobre nitrogénio gasoso (N2), notou algo estranho: algumas das cintilações que surgiam no seu detector não pareciam provir nem das partículas a nem dos átomos de nitrogénio; pareciam cintilações típicas de núcleos de hidrogénio. Começou por pensar que estes núcleos provinham da fonte de rádio (88Ra) que utilizava como emissor de partículas a. Só posteriormente chegou à conclusão de que afinal provinham dos próprios átomos de nitrogénio! Sucedia que alguns dos átomos de nitrogénio se estavam a desintegrar quando eram atingidos pelas partículas a: Rutherford estava a transformar átomos de nitrogénio (7N) em átomos de oxigénio (8O). A sua experiência convenceu-o de que os átomos de nitrogénio continham núcleos de hidrogénio no seu interior, o que significava que os núcleos de hidrogénio eram partículas fundamentais. Rutherford deu-lhes o nome de protões, do grego "protos" que significa "primeiro".

Rutherford concluiu assim que todos os núcleos deveriam ser constituídos por protões e electrões. As partículas a, ou núcleos de hélio (2He), seriam constituídos por 4 protões e 2 electrões interligados por forças eléctricas. O núcleo de lítio (3Li) teria 7 protões e 4 electrões. E assim sucessivamente...

Se 2 electrões se podiam associar a 4 protões, seria possível associar 1 electrão a 1 protão? Rutherford pensava que sim. A hipotética partícula, a que ele chamou de neutrão, teria propriedades pouco comuns, como o facto de ser capaz de atravessar a matéria e penetrar no núcleo.

Dois dos seus alunos realizaram experiências com o intuito de localizar as tais duplas electrão + protão, ou seja, os neutrões... mas não encontraram qualquer manifestação da sua presença. Rutherford fizera a sua previsão da existência do neutrão em 1920, mas só 12 anos mais tarde viria a ser descoberto, pelo seu assistente James Chadwick.

Em 1930 os físicos alemães W. Bothe e H. Becker descobriram algo estranho. Quando bombardeavam berílio (n.º atómico 4) com raios a, este elemento emitia uma radiação neutra capaz de penetrar 200 milímetros de chumbo, ao passo que um protão conseguia penetrar menos de 1 milímetro! Enquanto Bothe e Becker, juntamente com a filha de Marie Curie, Irene Joliot-Curie e o seu marido, Frederic, diziam que a radiação do berílio observada eram raios gama, Chadwick pensava ter finalmente descoberto os neutrões (depois de duas tentativas falhadas em 1923 e 1928). Para testar a sua hipótese, Chadwick montou uma experiência na qual colocou um pedaço de berílio numa câmara de vácuo, juntamente com algum polónio. O polónio emitia raios a, que atingiam o berílio. Quando atingido, o berílio emitia por sua vez os misteriosos raios neutros. No percurso desses raios, Chadwick colocou um alvo. Quando os raios atingiam o alvo provocavam a libertação de átomos para o exterior. Estes átomos, carregados electricamente (devido à colisão) viajavam até um detector, o qual consistia numa câmara cheia de gás. Sempre que uma partícula carregada atravessava esta câmara, as partículas de gás ficavam ionizadas. Os iões eram, então, desviados para um eléctrodo. Chadwick podia assim medir a corrente que passava no eléctrodo, com a qual podia contar os átomos e estimar a sua velocidade.

Chadwick utilizou alvos feitos de diferentes elementos, medindo a energia necessária à ejecção de electrões de cada alvo. Os raios gama não podiam explicar a velocidade dos átomos. A única boa explicação para o seu resultado... era uma partícula neutra.

De forma a provar que a partícula era de facto o neutrão, Chadwick mediu a sua massa. Como não a podia medir directamente, mediu a massa de tudo o resto envolvido na colisão e usou esses dados no seu cálculo. Para a sua medida, Chadwick usou boro - 5B (que, tal como o berílio, emitia a radiação neutra). Bombardeou-o com raios a e colocou um alvo de hidrogénio no percurso dos raios neutros libertados pelo boro. Quando os raios atingiam o alvo, os protões eram libertados. Chadwick mediu assim a velocidade dos protões. Usando as leis de conservação do momento e energia, calculou a massa da partícula neutra. Ela tinha 1,0067 vezes a massa do protão.

A radiação neutra era realmente o tão procurado neutrão.

Será então o NÚCLEO fundamental? (parte 1)

Devido à sua aparência sólida e densa, os cientistas pensaram inicialmente que o núcleo era uma partícula fundamental com carga positiva. No entanto, mais tarde, descobriram que este na realidade não era indivisível...

No início do século XIX, Frederick Soddy estava confuso. O decaimento radioactivo transformava os átomos de um elemento em átomos de outro elemento. Mas como?

Os elementos encontravam-se listados, por volta de 1800, de acordo com o seu número atómico. Este encontrava-se definido de acordo com uma escala na qual o átomo de carbono pesava exactamente 12 unidades. Assim, a massa atómica do hidrogénio seria de aproximadamente 1, a do hélio aproximadamente 4 e assim sucessivamente. Depois da criação da Tabela Periódica dos Elementos, por Mendeleyev em 1869, conforme já tinhamos visto no post anterior, os elementos começaram a ser classificados de acordo com as suas propriedades químicas mais, ou menos, semelhantes.

Soddy, regressando agora ao tema do decaimento radioactivo, pediu ao seu colega, Alexander Fleck, que analisasse os produtos do decaimento do urânio, 92U, e do tório, 90Th, dois metais de transição da família dos actinídeos. Os resultados da análise foram comparados com a Tabela Periódica (TP). Soddy reparou que sempre que um elemento emitia uma partícula a (um núcleo de hélio, 2He), produzia um elemento duas casas para a esquerda, ou seja, decaía para um elemento de número atómico inferior. Quando um elemento emitia electrões, produzia um elemento uma casa para a direita, portanto, decaía para um elemento de número atómico superior. Assim, por exemplo, o polónio-218 (ou seja, polónio com massa atómica 218) emitiria uma partícula a produzindo chumbo-214. Este último emitiria um electrão dando origem a bismuto-214. Por fim o bismuto-214 emitiria por sua vez um electrão, produzindo polónio-214.

Parece confuso? Imaginem a confusão que foi para os cientistas que o observaram pela primeira vez! Levou muitos anos até os radioquímicos descortinarem o que se passava nos meandros dos decaimentos radioactivos...

Quando um elemento radioactivo emitia uma partícula a e dois electrões, acabava por ficar no mesmo local da TP, mas estava mais leve - quatro unidades de massa atómica mais leve. Um elemento podia ter até 4 massas atómicas diferentes. Soddy chamou isótopos a estas formas distintas do mesmo elemento. A palavra isótopo significa "o mesmo lugar", uma vez que estes elementos ocupavam o mesmo local na TP: assim, todos os isótopos têm o mesmo número atómico.

O decaimento a, que tem sido aqui falado, não é o único tipo de decaimento que ocorre na natureza. De facto, existem três tipos de decaimento: a, b e g. Cada um deles se refere ao tipo de partícula emitida quando ocorre o decaimento do átomo. No caso do decaimento b a partícula é um electrão (e-) ou um positrão (e+): o caso que se tem estado a considerar é o do electrão, razão pela qual o elemento anda uma casa para a direita na TP, dado que o electrão é libertado para que um neutrão seja convertido num protão - contudo, na altura ainda não se sabia da existência do neutrão, cuja descoberta discutiremos mais à frente. Por fim, o decaimento g é a forma mais comum de desexcitação dum átomo, já que a partícula g emitida é, neste caso, um fotão.

Voltemos, no entanto, à questão do número atómico.

O que nos diz o número atómico sobre um átomo?

O físico holandês Antonius van den Broek pensava que o número atómico correspondia ao número de unidades de carga eléctrica contidas no núcleo. Convém referir que uma unidade de carga corresponde à carga eléctrica de um ião de hidrogénio. Um electrão tem carga -1. Uma partícula a (núcleo de He) tem carga +2.

Assim, de acordo com van den Broek, o núcleo de hidrogénio teria carga +1. O núcleo de ouro, por exemplo, o septuagésimo nono elemento da TP, teria carga +79. Soddy concordou com a previsão de van den Broek, pois esta explicava a sequência de decaimentos radioactivos observada. Quando, por exemplo, um átomo de polónio (elemento n.º 84) emitisse uma partícula a, perderia duas unidades de carga nuclear. O que ficava era um átomo de chumbo (elemento n.º 82). Quando o átomo de chumbo emitisse um electrão, ganhava uma unidade de carga e tornava-se em bismuto (elemento n.º 83). Se emitisse mais um electrão, o bismuto ganharia mais uma unidade de carga e tornar-se-ia polónio.

A conclusão final sobre a hipótese de van den Broek chegou com as experiências de Henry Mosely. Este cientista usou raios catódicos para desviar os electrões atómicos das suas órbitas. Quando os electrões regressavam à órbita que haviam deixado ocorria emissão de radiação electromagnética. Segundo a teoria atómica de Bohr, o salto de um electrão para a órbita mais interna de um átomo pesado provocava a emissão de raios-X (RX). A partir do comprimento de onda (c.o.) dos RX emitidos, Mosely podia calcular a carga do núcleo...

Se bem o pensou, melhor o fez. Mediu o c.o. dos RX de 38 elementos, desde o alumínio (massa atómica 27) até ao ouro (massa atómica 197) - é preciso não esquecer que nem todos os elementos eram ainda conhecidos na época em que Mosely realizou estas medições. Porém, as conclusões foram determinantes: conforme percorria a TP, elemento a elemento, descobriu que a carga do núcleo aumentava de 1 unidade. Indubitável, meu caro Mosely: estava provado que a carga nuclear é igual ao número atómico do elemento.

(to be continued...)

Será o ÁTOMO Fundamental?

Uma pergunta que nos persegue geralmente desde crianças é

..................De que é feito o mundo que nos rodeia?..................

Desde cedo as pessoas compreenderam que todas as coisas tendem a ter uma certa estrutura e distribuição no espaço que nos envolve. Ou seja, compreenderam que a matéria de que é feito o mundo é composta de pequenos blocos fundamentais. É claro que a palavra fundamental ganha aqui um sentido preciso: significa que é uma partícula simples e sem estrutura, isto é, que não há nada mais pequeno do que ela.

Por volta de 1900 pensava-se que os átomos eram essas partículas fundamentais, pequenas bolas permeáveis compostas por um fluido carregado positivamente onde se mantinham mais ou menos estáticas pequenas partículas carregadas negativamente: este modelo ficou conhecido pelo caricato nome de Modelo do Pudim de Passas.

Contudo rapidamente se percebeu que os átomos podiam ser agrupados de acordo com um conjunto de características especiais que exibiam (propriedades químicas) e que alguns partilhavam entre si - daqui surgiu a Tabela Periódica dos Elementos, proposta por Mendeleyev em 1869. Isto sugeria que o átomo era feito de partículas mais simples e que eram as diferentes combinações dessas partículas que lhe conferiam propriedades químicas distintas. Experiências laboratoriais usando sondas de partículas apontavam também para a existência de um pequeno núcleo, denso e carregado positivamente, e de uma núvem de electrões negativos (e-). Para uma melhor ideia da experiência de Rutherford, que permitiu descobrir estas características do átomo, façam click aqui.

A ideia de uma estrutura para o átomo começava a formar-se e o seu nome, ainda hoje usado, constitui mais um histórico comodismo - dado que o termo "átomo" provém do grego atomon que significa, simplesmente, "indivisível", algo que agora sabemos que ele não é.

Poema para Galileo

Estou olhando o teu retrato, meu velho pisano,
aquele teu retrato que toda a gente conhece,
em que a tua bela cabeça desabrocha e floresce
sobre um modesto cabeção de pano.
Aquele retrato da Galeria dos Ofícios da tua velha Florença.
(Não, não, Galileo! Eu não disse Santo Ofício.
Disse Galeria dos Ofícios.)
Aquele retrato da Galeria dos Ofícios da requintada Florença.

Lembras-te? A Ponte Vecchio, a Loggia, a Piazza della Signoria…
Eu sei… eu sei…
As margens doces do Arno às horas pardas da melancolia.
Ai que saudade, Galileo Galilei!

Olha. Sabes? Lá em Florença
está guardado um dedo da tua mão direita num relicário.
Palavra de honra que está!
As voltas que o mundo dá!
Se calhar até há gente que pensa
que entraste no calendário.

Eu queria agradecer-te, Galileo,
a inteligência das coisas que me deste.
Eu,
e quantos milhões de homens como eu
a quem tu esclareceste,
ia jurar — que disparate, Galileo!
- e jurava a pés juntos e apostava a cabeça
sem a menor hesitação —
que os corpos caem tanto mais depressa
quanto mais pesados são.

Pois não é evidente, Galileo?
Quem acredita que um penedo caia
com a mesma rapidez que um botão de camisa ou que um seixo da praia?
Esta era a inteligência que Deus nos deu.

Estava agora a lembrar-me, Galileo,
daquela cena em que tu estavas sentado num escabelo
e tinhas à tua frente
um friso de homens doutos, hirtos, de toga e de capelo
a olharem-te severamente.
Estavam todos a ralhar contigo,
que parecia impossível que um homem da tua idade
e da tua condição,
se tivesse tornado num perigo
para a Humanidade
e para a Civilização.
Tu, embaraçado e comprometido, em silêncio mordiscavas os lábios,
e percorrias, cheio de piedade,
os rostos impenetráveis daquela fila de sábios.

Teus olhos habituados à observação dos satélites e das estrelas,
desceram lá das suas alturas
e poisaram, como aves aturdidas — parece-me que estou a vê-las —,
nas faces grávidas daquelas reverendíssimas criaturas.
E tu foste dizendo a tudo que sim, que sim senhor, que era tudo tal qual
conforme suas eminências desejavam,
e dirias que o Sol era quadrado e a Lua pentagonal
e que os astros bailavam e entoavam
à meia-noite louvores à harmonia universal.
E juraste que nunca mais repetirias
nem a ti mesmo, na própria intimidade do teu pensamento, livre e calma,
aquelas abomináveis heresias
que ensinavas e descrevias
para eterna perdição da tua alma.
Ai Galileo!
Mal sabem os teus doutos juízes, grandes senhores deste pequeno mundo
que assim mesmo, empertigados nos seus cadeirões de braços,
andavam a correr e a rolar pelos espaços
à razão de trinta quilómetros por segundo.
Tu é que sabias, Galileo Galilei.

Por isso eram teus olhos misericordiosos,
por isso era teu coração cheio de piedade,
piedade pelos homens que não precisam de sofrer, homens ditosos
a quem Deus dispensou de buscar a verdade.
Por isso estoicamente, mansamente,
resististe a todas as torturas,
a todas as angústias, a todos os contratempos,
enquanto eles, do alto inacessível das suas alturas,
foram caindo,
caindo,
caindo,
caindo,
caindo sempre,
e sempre,
ininterruptamente,
na razão directa do quadrado dos tempos.

António Gedeão

Near-infrared image of young binary stars with a faint companion (a planet?)

EMBARGOED UNTIL: 1 PM (EDT) MAY 28, 1998

PHOTO NO.: STScI-PRC98-19

HUBBLE'S FIRST DIRECT LOOK AT POSSIBLE PLANET AROUND ANOTHER STAR

This NASA Hubble Telescope near-infrared image of newborn binary stars (image center) reveals a long thin nebula pointing toward a faint companion object (bottom left) which could be the first extrasolar planet to be imaged directly. The brightest objects in the image are the binary protostars, which illuminate an extended cloud of gas and dust (image center) from which the stars formed. So much dust surrounds these protostars that they are virtually invisible at optical wavelengths. However, near-infrared light penetrates the overlying dust, revealing the
newborn stars within. The faint multicolor cross extending from the neighborhood of the binary is an artifact produced when HST observes bright stars.

At lower left there is a point of light many times fainter than the binary. Theoretical calculations indicate that this companion is much too dim to be an ordinary star; instead, a hot young protoplanet several times the mass of Jupiter is consistent with the observed brightness. The candidate protoplanet appears at a distance of 130 billion miles from the binary (1400 times the Earth's distance from the Sun). A bright streak of nebulosity extends from the binary toward the faint companion, possibly indicating that the protoplanet was ejected from the binary system.

Current models predict that very young giant planets are still warm from gravitational contraction and formation processes, with temperatures as high as a few thousand degrees Fahrenheit. This makes them relatively bright in infrared light compared to old giant planets such as Jupiter. Even so, young planets are difficult to find in new solar systems because the glare of the central star drowns out their feeble glow. Young planets ejected from binary systems would therefore represent a unique opportunity to study extrasolar planets with current astronomical technology.

The image was taken on August 4, 1997 with the Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) in three wavelengths (1.6, 1.9, and 2.05 microns). The members of the research team include Susan Terebey (Extrasolar Research Corp.), Dave Van Buren, Deborah L. Padgett, Jet Propulsion Lab, Pasadena, CA (JPL), Terry Hancock (Extrasolar Research Corp.), and Michael Brundage, JPL.

Image Credit: Susan Terebey (Extrasolar Research Corp.), and NASA

FAST FACTS:

Star Name: TMR-1 (Taurus Molecular Ring, star 1 - binary)
Planet name: TMR-1C
Constellation: Taurus
Coordinates: 4h39m15s RA, +25d53m Dec.
Distance: 450 light-years
Field of view: 19 arseconds

SERÁ ESTA A PRIMEIRA IMAGEM DUM EXOPLANETA?!

Uma equipa internacional de astrónomos obteve imagens e espectros de um intrigante objecto próximo de uma anã castanha. O ponto de luz nas imagens poderá constituir a primeira imagem dum exoplaneta mas a resposta definitiva carece de futuras observações (Figura 1).


__________________________________________________
Figura 1 - Imagem da Anã Castanha, objecto 2M1207,
e do GPCC, recolhida pelo sistema de óptica adaptativa
NACO.


Nos últimos anos foi encontrado um número razoável de objectos ténues na proximidade de estrelas (muito mais brilhantes). Postulou-se a hipótese de alguns deles serem exoplanetas mas, após estudos detalhados, nenhum resistiu aos testes efectuados. Alguns revelaram ser vulgares estrelas companheiras mais ténues, outros verificou-se serem estrelas de fundo. Este novo objecto poderá ser bem diferente. O ponto de luz muito vermelho e ténue bastante próximo (a 0.8 segundos-de-arco de distância angular no céu) de uma anã castanha, designada 2MASSWJ1207334-393254, foi detectado em Abril passado por uma equipa de astrónomos europeus e americanos. Também conhecida como 2M1207, a anã castanha é uma estrela falhada, um corpo pequeno demais para despoletar fusão nuclear significativa no seu interior e produzindo energia apenas por contracção gravítica. É membro da associação estelar TW Hydrae localizada à distancia de 230 anos-luz na constelação da Hidra (fêmea). A descoberta foi feita com o sistema de óptica adaptativa NACO no telescópio de 8.2m VLT Yepun do Observatório Europeu do Sul (ESO), no Chile.

O candidato a exoplaneta é 100 vezes mais ténue do que a 2M1207 e o seu espectro de infravermelho próximo foi obtido com grande esforço em Junho 2004 pelo NACO, no limite técnico deste poderoso equipamento. Este espectro apresenta registos de moléculas de água e confirma que o objecto deve ser relativamente pequeno e leve. Nenhuma das observações disponíveis nega a possibilidade da existência de um exoplaneta orbitando em torno de 2M1207.

Tomando em consideração as cores deinfra-vermelho e a análise espectral, os modelos teóricos apontam para que seja um planeta de 5 massas de Júpiter a orbitar em torno de 2M1207. Ainda assim não são inequívocos em relação à verdadeira natureza deste intrigante objecto. Por isso, os astrónomos referem-se ao dito como um "candidato a planeta gigante companheiro de 2M1207" (no original "Giant Planet Candidate Companion" - GPCC ). Os passos seguintes do estudo deste objecto incluem observações para verificar se o movimewnto no céu do GPCC é compatível com o de um planeta orbitando 2M1207. Tal deve ser evidente dentro de 1-2 anos no máximo.


Fonte:

• Observatório Astronómico de Lisboa - Centro de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Lisboa

Os meteoros ardem progressivamente quando chocam com a atmosfera terrestre. Por que razão isso não acontece com as naves-espaciais?

Quando um pequeno meteoro colide com a atmosfera terrestre, deixa de viajar através do vácuo para passar a viajar através do ar. Viajar através do vácuo não requer qualquer esforço para o meteoro, dado que no espaço ele não está sujeito a quaisquer forças, pelo que não dispende energia para se movimentar. Já a viajem através do ar, por outro lado, é um pouco diferente.

Um meteoro que se desloque no vácuo viaja, geralmente, a velocidades de dezenas de milhares de quilómetros por hora. Quando o meteoro colide com a atmosfera, ele obriga o ar a comprimir-se à sua frente muito rapidamente. Ora, quando um gás é comprimido há um aumento de pressão e, portanto, um aumento de temperatura (conforme a equação de estado dos gases ideiais, PVm = RT, modelo que serve como boa aproximação para este caso). Isto provoca um aquecimento muito acentuado do meteoro, ao ponto de começar a inflamar-se. O ar queima o meteoro até já não restar nada deste. As temperaturas de re-entrada na atmosfera terrestre podem subir até valores tão altos como 1650 ºC! (Uma curiosidade: as temperaturas mais violentas a que até hoje uma nave conseguiu sobreviver foram experimentadas em Júpiter pela sonda Galileu (14000 ºC), que penetrou na atmosfera do planeta gigante a uma velocidade de 170700 km/h).

Obviamente, não seria nada positivo se uma nave-espacial fosse completamente destruída pelo aumento de temperatura causado pelo ar na re-entrada duma atmosfera. Assim, existem dois tipos de tecnologia usada para impedir o sobreaquecimento da estrutura da nave:

• tecnologia "ablativa"
• tecnologia de "telha isolante"

No caso da tecnologia ablativa, a superfície do escudo termodinâmico que reveste a nave funde e vaporiza e, durante este processo, arrasta consigo o calor libertado. Esta foi a tecnologia que permitiu a re-entrada, por exemplo, da nave-espacial Apollo no nosso planeta.

No caso da tecnologia de telha isolante, as naves-espaciais estão protegidas por telhas de sílica (SiO2). A sílica é um isolante extremamente bom: é possível pegarmos numa telha de sílica duma nave-espacial por uma ponta e aquecermos o centro com uma chama incandescente. A telha tem um poder isolante tão grande que não detectamos qualquer presença de calor na ponta pela qual estamos a segurar.

Existem ainda outros tipos de materiais usados na protecção da estrutura das naves-espaciais e sondas à entrada na atmosfera dum planeta. A sonda Galileu, referida acima, por exemplo, usava um escudo termodinâmico feito de carbono-fenólico, o qual possuia, antes de penetrar na atmosfera de Júpiter, uma massa de 50% da massa da sonda.

Alguns escudos são reutilizáveis, com apenas algumas reparações pouco dispendiosas entre diversas missões espaciais. Na construcção destes escudos utiliza-se um revestimento de telhas de cerâmica sob a estrutura da nave. Contudo, a utilização desta técnica revelou-se menos eficaz do que se pretendia: as naves sofriam dano e perda frequentes das telhas. Estes problemas culminaram na destruição da nave-espacial Columbia quando uma pequena quantidade de espuma isolante proveniente do tanque de combustível externo da nave caiu e danificou o escudo termodinâmico da sua asa esquerda.

Bibliografia:

1. http://science.howstuffworks.com/question308.htm
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Ablative_heat_shield