Chris
Baraniuk - Da BBC Earth – 21/01/2016
Você provavelmente já ouviu
dizer que toda matéria é feita de conjuntos de átomos. Você também
provavelmente já sabe que é impossível vê-los a olho nu. Somos ensinados a
acreditar na ideia de que os átomos estão ali, interagindo entre si e formando
os blocos que constroem nosso mundo.
Para muita gente, porém, isso
não é suficiente. A ciência se orgulha da maneira como usa observações reais
para desvendar os mistérios do universo. Então, como chegamos à conclusão de
que os átomos existem e aprendemos os segredos de suas estruturas?
Não adianta tentar o
microscópio: o que torna um objeto visível é a maneira como reflete as ondas de
luz, mas os átomos são tão menores do que o comprimento de onda de luz visível
que os dois não interagem. Ou seja, os átomos são invisíveis até para a luz.
Mas os átomos têm efeitos
observáveis em algumas das coisas que podemos ver.
Em 1785, o cientista holandês
Jan Ingenhousz estava estudando um fenômeno estranho que ele não conseguia
explicar. Partículas minúsculas de carvão se movimentavam com rapidez na
superfície de um recipiente com álcool em seu laboratório.
Cerca de 50 anos depois, em
1827, o botânico escocês Robert Brown descreveu algo curiosamente parecido. Ele
observava grãos de pólen com seu microscópio e notou que alguns deles soltavam
pequenas partículas – que se afastavam dos grãos de uma forma agitada e
aleatória.
Em princípio, Brown se perguntou
se as partículas eram alguma espécie de organismo desconhecido. Ele repetiu a
experiência com outras substâncias como poeira de rocha, que nunca esteve viva,
e observou o mesmo movimento estranho de novo.
Sistema planetário
minúsculo
Ainda levaria quase um século
para a ciência chegar a uma explicação. Albert Einstein desenvolveu uma fórmula
matemática que previa esse tipo de movimento particular – então chamado de
movimento Browniano, em homenagem a Robert Brown.
A teoria de Einstein era de que
as partículas dos grãos de pólen se movimentavam porque estavam constantemente
se chocando com milhões de moléculas minúsculas de água.
Em 1908, observações reforçadas
com cálculos haviam confirmado a teoria, e em uma década os físicos conseguiram
ir além. Ao separar cada átomo individual, eles começaram a entender mais sobre
suas estruturas internas.
O nome vem do grego átomos, que
significa indivisível. Mas os físicos já sabem hoje que os átomos não são
sólidos como pequenas esferas, e sim uma espécie de sistema planetário elétrico
minúsculo.
Eles são constituídos por três
partes principais: prótons, nêutrons e elétrons. Pense nos prótons e nos
nêutrons unidos no centro formando o “sol”, ou núcleo. E os elétrons orbitando
esse núcleo, como planetas.
Se os átomos já são extremamente
pequenos, essas partículas subatômicas são ainda menores. Curiosamente, a
primeira partícula a ser descoberta foi a menor de todas – o elétron.
Para se ter uma ideia da
diferença de tamanho, os prótons no núcleo são cerca de 1.830 vezes maiores que
os elétrons. A proporção seria a mesma que pequenas bolas de gude orbitando um
balão de ar quente.
Luminosidade
Mas como sabemos que essas
partículas estão lá? A resposta é que, apesar de minúsculas, elas têm um grande
impacto. O físico britânico que descobriu os elétrons, J. J. Thomson, usou um
método particularmente engenhoso para provar sua existência em 1897.
Ele usou um dispositivo especial
chamado tubo de Crookes – um pedaço de vidro com um formato estranho do qual
quase todo o ar é retirado por uma máquina. Uma carga elétrica negativa era
aplicada então em um dos lados do tubo. Essa carga era suficiente para retirar
das moléculas de gás restantes no tubo alguns de seus elétrons.
Os elétrons têm carga negativa,
então a carga negativa aplicada ao tubo os repelia ao outro lado. E, graças ao
vácuo parcial, esses elétrons podiam sair em disparada pelo tubo sem nenhum
grande átomo para atrapalhá-los pelo caminho.
A carga elétrica fazia com que
os elétrons se movessem com extrema rapidez – cerca de 59.500 quilômetros por
segundo – até se chocarem com o vidro no outro extremo, batendo também em
outros elétrons associados aos átomos.
Surpreendentemente, as colisões
entre essas minúsculas partículas geraram tanta energia que criaram uma
luminosidade amarelo-esverdeada.
Se você se pergunta como esses
elétrons podiam sair voando independentemente de seus átomos, isso se deve a um
processo chamado ionização, no qual – neste caso – uma carga elétrica modifica
a estrutura do átomo ao empurrar esses elétrons para o espaço em sua volta.
De fato, é por conta dessa
facilidade em manipular os elétrons que os circuitos elétricos são possíveis.
Elétrons se movimentam de um átomo a outro de um fio de cobre, carregando
consigo a carga pela extensão do fio.
Os átomos, nunca é demais lembrar,
não são pedaços sólidos de matéria, mas sistemas que podem ser modificados ou
passar por mudanças estruturais.
Núcleo demonstrado
Mas a descoberta dos elétrons
sugeria que havia algo a mais para aprender sobre os átomos. O trabalho de
Thomson revelou que os elétrons tinham carga negativa – mas ele sabia que os
próprios átomos não tinham nenhuma carga. A conclusão foi de que eles deveriam
conter partículas misteriosas com carga positiva para balancear a carga
negativa dos elétrons.
Experiências no começo do século
20 identificaram essas partículas positivas e ao mesmo tempo revelaram a
estrutura interna do átomo semelhante à de um sistema solar.
Ernest Rutherford e seus colegas
pegaram folhas de papel alumínio bem finas e as colocaram sob um feixe de
radiação com carga positiva. A maior parte da radiação passou para o outro
lado, como Rutherford imaginava, já que a folha era bem fina. Mas
surpreendentemente, parte dela bateu e voltou.
Rutherford então sugeriu que os
átomos na folha de papel alumínio deveriam conter áreas pequenas e densas com
cargas positivas, já que nada mais teria o potencial de refletir a radiação em
um grau tão forte.
Ele havia encontrado as cargas
positivas do átomo – e simultaneamente provou que ela estava concentrada em uma
massa compacta de uma forma que os elétrons não estão. Em outras palavras, ele
demonstrou a existência de um núcleo denso dentro do átomo.
Cálculo
Agora, a massa dos átomos podia
ser estimada. Mas ainda havia um problema: os cálculos não batiam.
“Um átomo de carbono tem seis
elétrons, e portanto seis prótons em seu núcleo – seis cargas positivas e seis
negativas. Mas o núcleo de carbono não pesa seis prótons, ele pesa o
equivalente a 12 prótons”, observa Harry Cliff, pesquisador da Universidade de
Cambridge e curador do Museu da Ciência de Londres.
Logo se chegou à conclusão de
que as outras seis partículas nucleares deveriam ter a mesma massa que os
prótons, mas ter carga neutra: os nêutrons. Mas ninguém conseguia provar isso.
Pelo menos até os anos 1930.
O físico James Chadwick já vinha
trabalhando em sua teoria havia anos quando fez sua descoberta, em 1932.
Ele lançou raios gama, que têm
carga neutra e alto grau de penetração, em uma substância que ele sabia ser
rica em prótons. Surpreendentemente, os prótons foram empurrados para longe do
material como se tivessem sido atingidos por partículas com a mesma massa –
como bolas de bilhar atingidas por outras bolas de bilhar.
Os raios gama não são capazes de
desviar os prótons dessa maneira, então Chadwick descobriu que as partículas em
questão deveriam ter a mesma massa que os prótons, mas sem sua carga elétrica:
eram os nêutrons.
Ver para crer
Com a estrutura do átomo
descoberta, o que faltava era uma imagem – muita gente só acredita no que pode
ver.
Nos anos 1930 isso era
impossível, mas o trabalho de cientistas como Thomson, Rutherford e Chadwick
ajudou a criar mecanismos para produzir essas imagens, com microscópios
eletrônicos, que usam feixes de elétron em lugar de raios de luz.
Um feixe de luz tem comprimento
de onda milhares de vezes maior do que um feixe de elétrons, que assim é capaz
de ser desviado por átomos minúsculos para gerar uma imagem que a luz é incapaz
de captar.
Mas os átomos não estão
simplesmente presentes nas coisas de maneira estável, esperando para serem
examinados. Muitas vezes, eles estão em decomposição, o que significa que são
radioativos.
Há vários elementos naturalmente
radioativos. O processo gera energia, que forma a base da energia nuclear – e
das bombas nucleares. O trabalho dos físicos nucleares envolve geralmente
tentar entender as reações nas quais o núcleo do átomo passa por mudanças
fundamentais como essa.
Após mais de dois séculos de
pesquisas, os cientistas não somente descobriram como os átomos são, mas também
suas estruturas complexas e as suas mudanças – muitas das quais ocorrem
naturalmente.
E, ao estudarmos os átomos dessa
forma, fomos capazes de desenvolver novas tecnologias, aproveitar a energia de
reações nucleares e entender melhor o mundo que nos cerca.
Também aprendemos a nos proteger
melhor da radiação e descobrir como os materiais mudam sob condições extremas.
“Considerando o quão pequeno um
átomo é, é impressionante ver o quanto a física consegue tirar deles”, observa
a física nuclear Laura Harkness-Brennan, da Universidade de Liverpool.
Leia a versão original
desta reportagem em inglês no site BBC Earth.
Nenhum comentário:
Postar um comentário