Radiações desconhecidas no final do seculo xix que desafiam os axiomas vigentes da físicateorica

Radiações desconhecidas no final do seculo xix que desafiam os axiomas vigentes da...

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Denis Silva Amorim1 Antonio Carlos Barros Silva2

O objetivo deste trabalho é demonstrar como foram essenciais os conhecimentos e as descobertas nesta área da Física no século XIX. Mostrar a importância da radiação, seus efeitos, riscos e benefícios a todos os seres do planeta. Não se trata de trabalho voltado para uma analise profunda sobre radiação, mas apenas um apanhado generalizado sobre o assunto.

Palavras-chave: Radiações. Alfa. Beta. Raios-X.

1 INTRODUÇÃO

Este artigo tem por objetivo expor a evolução da física do final do século XIX até o início do século X em relação à compreensão da interação entre radiação e matéria, mostrando que os questionamentos e experimentos sobre a interação de certos tipos de radiação proporcionaram a evolução da física e a modificação das teorias vigentes. Cita-se também os principais cientistas que contribuíram para o desenvolvimento dessa área da física.

Falar sobre radiações é interessante, pois é um assunto bastante moderno, com um número infindável de aplicações importantes. O interesse do público pelas radiações vem crescendo consideravelmente, nos últimos anos, tendo como estopim acidentes que, infelizmente, ocorreram.

2 HISTÓRIA DAS RADIAÇÕES

A história das radiações começou no inverno de 1895 ha mais de um século, com a descoberta experimental de Wilhelm Conrad Roentgen3 , então com 50 anos, professor de Física da

Universidade de Würzburg na Alemanha. A previsão teórica da existência dos raios-X, entretanto,

1 Graduando do quarto período do Curso de Licenciatura em Física do Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia do

Maranhão - Campus Imperatriz – amorimatica@hotmail.com 2 Graduando do quarto período do Curso de Licenciatura em Física do Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia do

Maranhão – Campus Imperatriz – carlosbarros55@hotmail.com

3 Wilhelm Conrad Roentgen- 27 de março de 1845-Munique-10 de 10 de fevereiro de 1923, físico alemão, que em 8 de novembro de 1895, produziu radiações eletromagnéticas.

já havia sido feita ha alguns anos antes por Hermann Von Helmholtz4 , que falecera em 1894, sem saber que seu prognostico se tornaria realidade.

Roentgen estudava descargas elétricas através de um tubo de raios catódicos, os raios catódicos nada mais são do que um feixe de elétrons cuja natureza corpuscular foi descoberta por

Joseph John Thomson5 mais de um ano após a descoberta dos raios-X. “J.J.” como era chamado carinhosamente por seus colegas, determinou a velocidade e a razão entre as cargas e a massa das partículas emitidas pelo catodo, descobrindo dessa forma a identidade delas.

O segundo evento importante nessa área foi comunicação feita a Academia de Ciências de

Paris, em fevereiro de 1896, por Antoine Henri Becquerel6 , professor de Física da Escola

raios-X

Politécnica de Paris, então com 4 anos. Nessa época ele havia retomado as pesquisas realizadas por seu pai com substancias fosforescentes que absorviam luz para depois a reemitirem. Becquerel colocou certa quantidade de urânio e potássio, um sal de urânio, sobre uma placa fotográfica, embrulhada com papel preto, expondo o conjunto a luz solar por vários dias, quando o filme foi revelado, a posição do mineral, ficou claramente marcada com manchas escuras. Sua primeira comunicação foi feita com base nesta experiência, ele continuou a pesquisa ate que um dia o céu ficou nublado e não conseguiu repetir a experiência. Becquerel guardou então o sal de urânio sobre um filme fotográfico dentro de uma gaveta, na ausência de luz, mais tarde, ao revelar a chapa, ele teve uma surpresa. Esperava, no máximo, umas manchas pouco escuras devidas a luz difusa e o pouco tempo de iluminação, no entanto as manchas estavam muito mais escuras do que quando foram expostas ao sol, em 1896 ele anunciou que os efeitos inesperados só poderiam ser devidos aos raios emanados espontaneamente pelo sal de urânio, Becquerel estudou as emanações do urânio, mostrando que elas não diminuíam com o tempo e tinham propriedades similares as dos

Em novembro de 1891, Marya Sklodowski7 , uma jovem polonesa de 24 anos, veio a Paris para estudar na Sorbonne, após sua licenciatura em matemática, casou-se em 1895 com Pierre

4 Hermann Von Helmholtz- Hermann Ferdinand Ludwig Von Helmholtz (31 de agosto de 1821, Potsdam - 8 de Setembro de

1894, Charlottenburg) foi um médico e físico alemão, tendo levado desde o seu início até ao seu fim uma vida de profunda devoção à ciência, segundo a enciclopédia Britannica de 1911. Foi considerado por ela um os homens mais relevantes do século XIX

5 Joseph John Thomson- Joseph John Thomson nasceu em Manchester em 18 de dezembro de 1856. Estudou e se formou, no

Trinity College, Cambridge, e se tornou membro dessa instituição pelo resto de sua vida. Foi Professor de Física Experimental, de 1884 a 1918, tendo dado grande desenvolvimento ao laboratório Cavendish. Foi também Professor Honorário de Física da Royal

Institution e membro da Royal Society em 1884 da qual foi presidente entre 1916 e 1920.

6 Antoine Henri Becquerel-Físico francês, nascido em Paris, famoso como descobridor do fenômeno da radioatividade desenvolvendo experiências com urânio (1896). Neto do patriarca da famosa família de cientistas franceses, Antoine-Cesar Becquerel (1788-1878), filho de Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) e pai de Jean Antoine Becquerel (1878-1953), recebeu sua educação científica na Ecole Polytechnique (1872-1874) e engenharia na Ecole des Ponts et Chaussees (1874-1877), tornando- se engenheiro de pontes e calçadas. Ensinou física na École Polytechnique e no Muséum d'Histoire Naturelle.

7 Marya Sklodowska - químico francês (nascido na Polônia), que ganhou dois prêmios Nobel, um (com o marido e Becquerel

Henri) para a pesquisa sobre radioatividade e outro para sua descoberta do rádio e polônio (1867-1934)

Curie8 , então com 36 anos, passando a chamar-se Madame Curie, Curie já era um cientista com certo nome, pois havia descoberto o fenômeno da piezoeletricidade, juntamente com seu irmão Jacques. Quando Madame Curie iniciou sua tese de doutorado, em fins de 1897 sua primogênita Irene, futura Premio Nobel, estava com dois meses. O tema da tese era o estudo da natureza dos “raios Becquerel”. Logo observou que o fenômeno observado não era especifico do urânio, devendo existir outros materiais com as mesmas propriedades, continuando suas pesquisas, Madame Curie verificou que a pechblenda, um mineral de urânio, apresentava uma radioatividade muito alta, não explicável pelo seu conteúdo de urânio, em um artigo de 1898, “Raios emitidos pelos compostos de urânio e tório”, afirmou que devia haver um elemento mais radioativo que o tório ou urânio. Em 1898, anunciaram a existência de um elemento, na pechblenda, 400 vezes mais radioativo que o urânio, o polônio, logo após descobriram outro elemento que deram o nome de Radio. Em 1903 o casal Curie foi agraciado com o Premio Nobel de Física, três anos depois Pierre Curie morreu atropelado por uma carroça. Em 1911, Madame Curie recebeu um segundo Premio Nobel, agora de química, por seus trabalhos relativos ao isolamento do elemento radio, que só foi conseguido em 1910.

Pelos idos de 1898, um jovem cientista neozelandês, Ernest Rutherford9 , iniciou os estudos para desvendar a natureza dos “raios de Becquerel” na Universidade de McGill em Montreal, no Canadá. Um ano depois concluía que a emanação proveniente de substancias radioativa era complexa, sendo constituída por pelo menos dois tipos de radiação: Um deles facilmente absorvido e o outro, muito mais penetrante, sendo ambos desviados por campos magnéticos, só que em direções opostas. Por conveniência, tais radiações foram chamadas, respectivamente de radiação Alfa e radiação Beta, hoje elas são comumente conhecidas como partículas Alfa e Beta.

Um ano mais tarde, PAUL VILLARD10 identificou uma terceira radiação, que recebeu o nome de

eletromagnética da mesma natureza que os raios X, porém mais energética

radiação Gama, que ao contrario dos dois primeiros tipos, não sofria deflexão em campos magnéticos, mas foi Rutherford, que estabeleceu que a radiação Gama é uma onda

8 Pierre Curie-Físico francês nascido em Paris, que com a esposa formou o mais brilhante casal de pesquisadores da história, o casal Curie. O pai, um médico apaixonado pela matemática, desempenhou papel fundamental em sua formação científica, incentivando-o nos estudos de geometria espacial, disciplina para a qual demonstrava grande aptidão. Aos 18 anos formou-se em ciências e ocupou o cargo de pesquisador de laboratório na Sorbonne. Ali conheceu a polonesa Marie Sklodowska, com quem se casou (1895), mesmo ano em que obteve o grau de doutor defendendo uma tese sobre eletromagnetismo.

9 Ernest Rutherford-Em 1919, Rutherford identifica a partícula responsável pela carga positiva do átomo, o próton, e levanta a hipótese de que no interior do núcleo deveria haver uma outra partícula, eletricamente neutra, mas com massa semelhante à do próton. Em 1932 essa partícula foi descoberta pelo seu aluno Chadwick.

10 Paul Villard- Um terceiro tipo de radiação foi identificado pelo químico francês em 1900. Designado como o raio gama, não é desviada por ímans e é muito mais penetrante que partículas alfa. Os raios gama foram mais tarde demonstrado ser uma forma de radiação electromagnética, tal como luz ou raios-X, mas com comprimentos de onda muito curtos.

4 3 RAIOS-X E RAIOS GAMA

Segundo a Faculdade de Educação da USP, Os raios X são ondas eletromagnéticas emitidas por átomos em diferentes processos que envolvem energias de espectro discreto ou contínuo. O átomo pode ganhar energia por algum mecanismo, por exemplo, através de colisões com elétrons e fica num estado excitado. Esses átomos não permanecem muito tempo nesse estado excitado, prontamente decai para um estado de energia menor e a energia excedente é emitida como radiação, que são os raios-X. Segundo o modelo de Bohr11 , existem níveis possíveis e discretos de energia (esses níveis estão relacionados ao que os químicos chamam de camada K, L etc.) para os elétrons ocuparem. Desde que os elétrons estejam ocupando um desses níveis, não há emissão de radiação como se esperaria pela teoria clássica. Um elétron numa órbita de Bohr não emite energia e está num estado estável. O elétron pode passar de um nível de energia para outro nível possível e desocupado de energia mais alta e, nesse caso, diz-se que o átomo está num estado excitado. Logo haverá a desexcitação do átomo com o elétron indo para um nível mais baixo e desocupado de energia, ocorrendo a emissão do excedente de energia na forma de um raio X, ou de luz, ou de energia térmica (onda infravermelha) de acordo com a ordem de grandeza da energia. São emissões de energia eletromagnética com diferentes comprimentos de onda. Cada átomo tem uma estrutura tal que haverá uma distribuição dos níveis possíveis de energia, que é sua característica. Os níveis de energia do átomo de hidrogênio são bem conhecidos. Outros átomos têm também cada qual a sua distribuição de níveis quânticos de energia. Por exemplo, se as energias envolvidas na desexcitação do átomo forem baixas haverá emissão de luz visível num espectro discreto também característico; é o que se observa na série de Balmer12 do átomo de hidrogênio.

Pode-se identificar um átomo através do seu espectro de emissão de raios de energia usando um simples espectroscópio. Os raios X podem também ser emitidos quando elétrons são freados dentro de determinados materiais, é o chamado Bremsstrahlung, ou radiação de freiamento (do alemão: bremsen frear, strahlung radiação) Nesse caso a energia máxima dos raios X depende da energia do elétron, e, junto com a radiação de freiamento aparecem também os raios X característicos do material onde está sendo freiado o elétron. Numa ampola de raios X, um elétron do catodo (filamento quente) é acelerado através de uma diferença de potencial V e ganha energia qV (a energia ganha pelo elétron ao atravessar uma diferença de potencial V é dada pelo produto da sua carga q pela diferença de potencial). O elétron de energia qV , medida em elétron-volt,

1 Niels Henrik David Bohr-filho de Christian Bohr, e de Ellen Adler, nasceu a 7 de Outubro de 1885 em Copenhague, Dinamarca.

O seu pai, que era professor de fisiologia na Universidade de Copenhague, desde cedo o incentivou a estudar física e matemática e proporcionou-lhe o acesso à leitura e à cultura. 12 A série de Balmer ou linhas de Balmer em física atômica é a designação de um de seis diferentes tipos de séries descrevendo as emissões do átomo de hidrogênio na linha espectral.

entra no material do anodo da ampola de raios X e perde energia, desacelera e emite raios X com um espectro contínuo de energia.

Na Figura 1 tem-se o desenho esquemático de um tubo de raios X. Em (a) uma ampola de raios X, onde C representa o catodo e T o alvo (target) de onde saem os raios X; nos terminais indicados por – e + aplica-se a alta tensão. Em (b) pode-se ver o filamento F aquecido, alimentado pela fonte de tensão B, o emissor de raios X indicado por T e os terminais para a ligação da alta tensão

Figura 1 - Desenho esquemático de um tubo de raios X.

Fonte: moodle.stoa.usp.br/mod/resource/view.php?id=29198

O espectro de raio X normalmente observado é a sobreposição do espectro contínuo de

Bremsstrahlung sobreposto ao espectro característico de um material, conforme é mostrado na figura abaixo. A distribuição dos níveis de energia dos elétrons de cada átomo é uma característica desse átomo. Dessa forma medindo a energia de um raio X emitido pode-se identificar o átomo que o emitiu, daí o nome raio X característico.

discreto

A Figura 2 traz um exemplo de um espectro de raios X, com a sobreposição das raias discretas sobre o contínuo de Bremsstrhlung. Para o tungstênio só aparece o Bremsstrahlung nas energias representadas. Já para o molibdênio aparecem tanto espectro continuo como o espectro Figura 2: O espectro de raio X do tungstênio e do molibdênio.

Fonte: moodle.stoa.usp.br/mod/resource/view.php?id=29198

Moseley13 , conhecido em aulas de química, pelas contribuições à construção da tabela periódica também trabalhou com Rutherford, no início de sua curta carreira científica. Ele morreu com apenas 27 anos em combate na expedição inglesa em Dardanelles, em 1915. Ainda antes da guerra havia mostrado um método simples de medir a carga nuclear Z, o número atômico do átomo, através de seu estudo sistemático com raios X, o diagrama de Moseley de raios X.

No Gráfico 1, na abscissa, ele representou a raiz quadrada da frequência dos raios X característicos emitidos por um átomo e na ordenada, o número atômico. Ele obteve uma reta para os raios X da linha Kα e outra para os da linha Kβ. O mesmo tipo de Comportamento é verificado também para as linhas L (K e L se referem às camadas eletrônicas).

Gráfico 1 - Diagrama de Moseley

Fonte: moodle.stoa.usp.br/mod/resource/view.php?id=29198 4 PARTICULAS α (ALFA)

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