Palestra 1a.SEN

Odilon A. P. Tavares
Centro Brasileiro de Pesquisas Física – CBPF/MCT
Rio de Janeiro, 17 de agosto de 2011.
ANTECEDENTES
1789 – Descoberta de um novo elemento,
URÂNIO, pelo químico alemão Martin H.
KLAPROTH (1743-1817) ao investigar a
Pechblenda (abundante nas minas de
Joachinsthal, Bohemia (Tchecoslováquia),
onde havia minérios de 200 Ma a 2 Ba).
1828 – O físico e filósofo alemão Gustav
Theodor FECHNER (1801-1887) propôs
um modelo de átomo que consistia de uma
parte central massiva que atraía
gravitacionalmente
uma
nuvem
de
partículas quase imponderáveis.
– O físico francês André Marie
AMPÈRE (1775-1836) foi o primeiro a
propor que os átomos seriam constituidos
de partículas subatômicas.
1814
1828
– O químico sueco Jöns Jacbob
BERZELIUS (1779-1848) fez a descoberta
de um novo elemento, o TÓRIO, sendo
este cerca de três vezes mais abundante que
o Urânio.
– O físico alemão Wilhelm Eduard
WEBER (1804-1891) considerou as
partículas imponderáveis do modelo de
Fechner
como
sendo
partículas
eletrizadas, atraídas para a parte central do
átomo por uma força elétrica.
1862
– O químico francês Eugène
PÉLIGOT (1811-1890) isolou o Urânio
metálico.
1841
Descoberta da Radioatividade
Antoine Henri Becquerel (1852-1908)
Sur les radiations invisibles
émises par les corps phosphorescents.
Compt. Rend. Acad. Sc. Paris 122 501
(1896)
Radiação espontânea do urânio e de
diversas outras substâncias
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)
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).
Set. 1898 Transferência p/ Montreal.
1899 Rutherford, na Universidade
McGill, descobriu um gás
nobre, radioativo, que emanava
de sais de Tório, o qual recebeu
o nome de Radônio.
Ernest Rutherford
(1871-1937)
Marie
(1867-1934)
e
Pierre
(1859-1906)
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
O físico e químico
francês Paul Villard
(1860-1934)
m = 5x10-4
carga = -1
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.
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
(1852-1916)
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).
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
(1879-1968)
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
(1882-1945)
Rutherford e Geiger, em
1908, repetiram a experiência
de deflexão alfa por folhas de
mica, usando a tela de
cintilação com ZnS
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.
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.
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 (18651950). 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
PERPLEXIDADE!
Retroespalhamento
Lâmina
Metálica
ρ
[g/cm³]
t
[μm]
Z
A
[g]
Platina
21,4
1,5
78
195
Ouro
19,3
0,4
79
197
Obs.
G&M
(1909)
Calc.
Rutherford
(1910)
5,5
1:8000
1:7700
4,4
1:20000
1:20200
Fev. 1911
“ Now I know what the atom looks like”
sir Ernest Rutherford
~10-12 cm
99,97% da massa atômica
~10-8 cm
EXPERIMENTAÇÃO
versus
MODELO
Geiger & Marsden (1911-1913)
LIMITAÇÕES DO MODELO DE RUTHERFORD
1ª
Ângulos de deflexão muito pequenos
2ª
Energias mais altas em núcleos leves
3ª 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.
Tc
Hf
Tabela periódica dos elementos
~1911
Re
Pm
Físico inglês Henry
Moseley (1887-1915)
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 (1891-1974)
Lâmina
Metálica
Espessura
ε [mg/cm2]
Massa
Atômica
A [g]
Energia – α
Eα [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
COLABORADORES DE RUTHERFORD
GANHADORES DO PRÊMIO NOBEL
ANO
FÍSICA
DESCOBERTA
QUÍMICA
DESCOBERTA
1908
.....
.......
Ernest
Rutherford
Frederick
Soddy
Desintegração Radioativa
Sequencial
1921
.....
.......
1922
Niels Bohr
Estrutura Atômica e
Espectros Atômicos
......
............
Efeito Compton
.......
.............
Radioquímica e os Isótopos
Arthur
Compton
James
Chadwick
George
Thompson
O Nêutron
.......
..............
Difração de elétrons por
cristais
.......
.............
1944
......
.......
Otto Hahn
Evidência química para a
fissão nuclear
1947
Edward
Appleton
Estudos sobre a
Ionosfera
.......
...............
1927
1935
1937