Teoria Atômica de James Chadwick

Os cientistas hoje imaginam os átomos como sendo compostos de núcleos minúsculos, pesados ​​e com carga positiva, cercados por nuvens de elétrons extremamente leves e com carga negativa. Este modelo data da década de 1920, mas tem origem na Grécia Antiga. O filósofo Demócrito propôs a existência de átomos por volta de 400 a.C. Ninguém realmente pegou o ideia com fervor até que o físico inglês John Dalton introduziu sua teoria atômica no início 1800. O modelo de Dalton estava incompleto, mas persistiu basicamente inalterado durante a maior parte do século XIX.

Uma enxurrada de pesquisas sobre o modelo atômico ocorreu no final do século 19 e boa parte do século 20, culminando no modelo do átomo de Schrodinger, conhecido como modelo de nuvem. Logo depois que o físico Erwin Schrõdinger o apresentou em 1926, James Chadwick - outro físico inglês - acrescentou uma peça crucial ao quadro. Chadwick é o responsável por descobrir a existência do nêutron, a partícula neutra que compartilha o núcleo com o próton carregado positivamente.

A descoberta de Chadwick forçou uma revisão do modelo de nuvem, e os cientistas às vezes se referem à versão revisada como o modelo atômico de James Chadwick. A descoberta rendeu a Chadwick o Prêmio Nobel de Física de 1935 e tornou possível o desenvolvimento da bomba atômica. Chadwick participou do projeto supersecreto de Manhattan, que culminou na implantação de bombas nucleares em Hiroshima e Nagasaki. A bomba contribuiu para a rendição do Japão (muitos historiadores acreditam que o Japão teria se rendido de qualquer maneira) e o fim da Segunda Guerra Mundial. Chadwick morreu em 1974.

J.J. Thompson descobriu o elétron usando tubos de raios catódicos na década de 1890, e o físico britânico Ernest Rutherford, o chamado pai da física nuclear, descobriu o próton em 1919. Rutherford especulou que elétrons e prótons poderiam se combinar para produzir uma partícula neutra com aproximadamente a mesma massa de um próton, e os cientistas acreditavam que tal partícula existia por vários razões. Por exemplo, sabia-se que o núcleo de hélio tinha um número atômico de 2, mas um número de massa de 4, o que significava que continha algum tipo de massa neutra de mistério. Ninguém nunca havia observado um nêutron ou provado que ele existia, no entanto.

Chadwick estava particularmente interessado em um experimento conduzido por Frédéric e Irène Joliot-Curie, que bombardeou uma amostra de berílio com radiação alfa. Eles notaram que o bombardeio produziu uma radiação desconhecida e, quando permitiram que ela atingisse uma amostra de cera de parafina, observaram prótons de alta energia sendo lançados do material.

Insatisfeito com a explicação de que a radiação era feita de fótons de alta energia, Chadwick duplicou o experimento e concluiu que a radiação deveria ser composta de partículas pesadas com sem custo. Bombardeando outros materiais, incluindo hélio, nitrogênio e lítio, Chadwick foi capaz de determinar que a massa de cada partícula era um pouco maior do que a de um próton.

Chadwick publicou seu artigo “The Existence of a Neutron” em maio de 1932. Em 1934, outros pesquisadores determinaram que o nêutron era na verdade uma partícula elementar e não uma combinação de prótons e elétrons.

A concepção moderna do átomo retém a maioria das características do modelo planetário estabelecido por Rutherford, mas com modificações importantes introduzidas por Chadwick e o físico dinamarquês Neils Bohr.

Foi Bohr quem incorporou o conceito de órbitas discretas às quais os elétrons estavam confinados. Ele baseou isso em princípios quânticos que eram novos na época, mas que se estabeleceram como realidades científicas. De acordo com o modelo de Bohr, os elétrons ocupam órbitas discretas e, quando se deslocam para outra órbita, emitem ou absorvem não em quantidades contínuas, mas em feixes de energia, chamados quanta.

Incorporando o trabalho de Bohr e Chadwick, a imagem moderna do átomo é assim: a maior parte do átomo é espaço vazio. Os elétrons com carga negativa orbitam um núcleo pequeno, mas pesado, composto de prótons e nêutrons. Como a teoria quântica, baseada no princípio da incerteza, considera os elétrons tanto ondas quanto partículas, eles não podem ser localizados definitivamente. Você só pode falar sobre a probabilidade de um elétron estar em uma posição particular, de modo que os elétrons formem uma nuvem de probabilidade ao redor do núcleo.

O número de nêutrons no núcleo geralmente é igual ao número de prótons, mas pode ser diferente. Os átomos de um elemento que possuem um número diferente de nêutrons são chamados de isótopos desse elemento. A maioria dos elementos possui um ou mais isótopos e alguns possuem vários. O estanho, por exemplo, tem 10 isótopos estáveis ​​e pelo menos o dobro dos instáveis, o que lhe dá uma massa atômica média significativamente diferente do dobro de seu número atômico. Se a descoberta do nêutron por James Chadwick nunca tivesse ocorrido, seria impossível explicar a existência de isótopos.

A descoberta do nêutron por Chadwick levou diretamente ao desenvolvimento da bomba atômica. Como os nêutrons não têm carga, eles podem penetrar mais profundamente nos núcleos dos átomos-alvo do que os prótons. O bombardeio de nêutrons de núcleos atômicos tornou-se um método importante para obter informações sobre as características dos núcleos.

Não demorou muito para os cientistas descobrirem, no entanto, que bombardear o superpesado Urânio-235 com nêutrons era uma maneira de quebrar os núcleos e liberar uma quantidade enorme de energia. A fissão do urânio produz mais nêutrons de alta energia que separam outros átomos de urânio, e o resultado é uma reação em cadeia incontrolável. Uma vez que isso fosse conhecido, era apenas uma questão de desenvolver uma maneira de iniciar a reação de fissão sob demanda em um invólucro de entrega. Fat Man e Little Boy, as bombas que destruíram Hiroshima e Nagasaki, foram o resultado do esforço de guerra secreto conhecido como Projeto Manhattan, que foi conduzido para fazer exatamente isso.

A Teoria Atômica de Chadwick também torna possível entender a radioatividade. Alguns minerais que ocorrem naturalmente - assim como os produzidos pelo homem - emitem radiação espontaneamente, e a razão tem a ver com o número relativo de prótons e nêutrons no núcleo. Um núcleo é mais estável quando tem um número igual e torna-se instável quando tem mais de um do que de outro. Em um esforço para recuperar a estabilidade, um núcleo instável libera energia na forma de radiação alfa, beta ou gama. A radiação alfa é composta de partículas pesadas, cada uma consistindo de dois prótons e dois nêutrons. A radiação beta consiste em elétrons e radiação gama de fótons.

Como parte do estudo dos núcleos e da radioatividade, os cientistas dissecaram ainda mais prótons e nêutrons para descobrir que eles próprios são compostos de partículas menores chamadas quarks. A força que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo é chamada de força forte, e aquela que mantém os quarks juntos é conhecida como a força da cor. A força forte é um subproduto da força da cor, que por sua vez depende da troca de glúons, que são mais um tipo de partícula elementar.

A compreensão possibilitada pelo modelo atômico de James Chadwick trouxe o mundo para a era nuclear, mas a porta para um mundo muito mais misterioso e intrincado está aberta. Por exemplo, os cientistas podem um dia provar que todo o universo, incluindo os núcleos atômicos e os quarks dos quais são feitos, é composto de cordas infinitesimais de energia vibrante. O que quer que eles descubram, eles o farão apoiados nos ombros de pioneiros como Chadwick.