A descoberta do nêutron por James Chadwick

A estrutura do núcleo atômico antes da descoberta do nêutron

1. Os modelos atômicos de Dalton a Bohr

John Dalton (1.766-1.844) propôs, com bases experimentais, a existência do átomo como partícula formadora de todas as substâncias, enumerou uma série de características, uma das quais era que cada tipo de átomo possuía massa característica. Nesta ocasião, Dalton publicou a primeira tabela de pesos atômicos.
Dimitri Ivanovich Mendeleiv (1.834-1907). Lother Meyer (1.830-1.895) e outros estabeleceram uma relação entre os pesos atômicos e certas propriedades das substâncias elementares, dando início a um ciclo de estudos das propriedades periódicas dos elementos e à elaboração das tabelas periódicas.
Em 1.886, Engene Goldstein (1.850-1930), usando catodos perfurados, caracterizou a presença dos chamados raios canais, que, como posteriormente demonstrado, possuíam carga positiva e massa variável diretamente relacionada com o gás rarefeito que existisse na ampola. Em 1.897, Joseph John Thomson (1.856-1.940) caracterizou os raios catódicos como um feixe de elétrons, cuja natureza independia do tipo de gás usado. Já em 1.903 Philipp Lenard (1.862-1.947), observando que os raios catódicos atravessavam janelas de fina lâminas de alumínio, concluiu pela presença de grandes vazios na estrutura dos átomos. Assim, o seu “modelo atômico” postulava o átomo como uma esfera em grande parte vazia tendo ao centro um aglomerado de partículas que ele denominou de “dinâmides”: uma simples carga positiva ligada à outra simples carga negativa (um elétron), de modo que o átomo era neutro. O peso atômico seria proporcional ao número de dinâmides.
Ernest Rutherford (1.871-1.937), auxiliado por Wilhelm Hans Geiger (1.882-1.945) e Ernest Marsden (1.889-1.945) determinou um novo modelo atômico. Em sua primeira versão, temos: um centro carregado, com uma carga de magnitude Ne, onde e é a unidade de carga eletrônica e N um número inteiro rodeado por uma esfera de eletricidade do tipo oposto. Rutherford e seus colaboradores calcularam o número de cargas positivas no núcleo dos átomos metálicos. Encontraram que para cada metal estudado o número de partículas positivas nos seus átomos era igual à metade do peso atômico do dado metal.
Em 1.913, Henry Gwyin Jeffreys Moseley (1.887-1.915) estabeleceu uma relação entre a freqüência dos raios X emitidos por diferentes metais (agindo como anticatodos das ampolas de Röntgen) e um número – que Moseley designou por A – que estava ligado à ordem deste metal na classificação periódica dos elementos de Mendeleiv. Esse número foi chamado de número atômico. Do elemento e relacionado à carga positiva do núcleo atômico.

2. Hipóteses levantadas para a discrepância entre os pesos atômicos e os números atômicos dos elementos.

Para justificar a discrepância entre os pesos atômicos e os números atômicos, passou-se a admitir que no núcleo também existiam elétrons positivos ligados a elétrons negativos.
Em 1.915, Harkins e Wilson afirmaram que “... a formação do núcleo carregado positivamente de um átomo pela combinação de elétrons positivos e negativos sob certa forma de estrutura...”. Mais adiante afirmaram também que se, como Rutherford parece pensar ser provável, o núcleo positivo de hidrogênio é o elétron positivo, então a composição mais provável do núcleo de hélio deve ser quatro elétrons positivos e dois elétrons negativos.
Já em 1.920, Harkins afirma que os núcleos de hidrogênio eram formados por elétrons positivos. Além disso, referindo-se às séries de elementos, afirmou que os núcleos de seus átomos eram formados ou por partículas alfa ou por partículas alfa mais elétrons negativos, estes funcionando como “cimento” das partículas alfa. As partículas alfa eram vistas como uma unidade secundária da qual os átomos eram feitos.
Com a introdução da teoria quântica no modelo de Bohr – Sommerfeld (Artur Sommerfeld) a suposta presença de elétrons no núcleo atômico levou a um problema chamado de “paradoxo do nitrogênio”.
Em 1.925, o conceito de “spin” dos elétrons foi introduzido para explicar certos problemas de espectroscopia relativos às estruturas finas dos espectros. Os fundamentos teóricos - matemáticos dessa característica foram estabelecidos em 1.926 por Paul Adren Maurice Dirac (1.902-1.984).
Esse paradoxo passou a ser um forte argumento contra a existência de elétrons (negativos) no núcleo. A solução foi invocar as teorias de Albert Einstein (1.879-1.955) e concluir que a massa dessas partículas e, conseqüentemente, do núcleo seria de natureza eletromagnética, isto é, relativística.
Apesar disso, ainda restava outro problema: a massa total do núcleo, já que o peso atômico era maior que o número atômico.

3. A importância da descoberta do nêutron para a discrepância entre os pesos atômicos e os números atômicos dos elementos.

A história da descoberta do nêutron é bastante interessante e ela veio explicar de forma conveniente à discrepância entre o peso atômico e o número atômico. A descoberta do nêutron por sir James Chadwick (1.891-1.974) foi um fato que não só marcou a história da Física como também abalou a história do próprio mundo.
A descoberta do nêutron pôs fim à contradição existente entre os pesos atômicos e os números atômicos.

4. Os principais personagens que precederam Chadwick nos experimentos que levaram a descoberta do nêutron.

Harkins, em 1.921 faz referência ao nêutron, o qual para ele seria uma partícula composta resultante da união de duas cargas elétricas contrárias; ele descrevia o nêutron como sendo um termo que designa um elétron negativo ligado a um núcleo de hidrogênio.
O termo nêutron foi usado anteriormente por Rutherford, o qual, de certo modo, previu a existência dessa partícula.
Agora vale ressaltar que, o nêutron que hoje conhecemos e definimos não é um átomo e sim uma partícula elementar de natureza neutra e de massa ligeiramente superior à do próton. Dentre os personagens que precederam Chadwick na descoberta do nêutron, podemos ainda citar, Frederick Soddy (1.877-1.956), Kasimir Fajans (1.887-1.975) e Alexander Smith Russel (1.888-1.972). Esses cientistas se dedicaram ao estudo da linha de transmutações sofridas pelos elementos radioativos.
Em 1.930, Walther Wilhelm Bothe (1.891-1.937) e seu aluno Herbert Becker (1.894-?) descobriram uma nova e penetrante radiação que resultava do bombardeio de átomo de berílio por partículas alfa proveniente do polônio. Numa etapa seguinte o casal Irene Joliot – Curie (1.897-1.956) e Frederic Joliot (1.900-1.958) deram uma grande contribuição através de seus estudos sobre a ionização provocada por esses raios.

5. A outra contribuição de Chadwick para física nuclear.

A caracterização do próton havia trazido a explicação científica para a natureza das cargas positivas do núcleo. Não havia mais qualquer necessidade de supor a existência de elétrons nos núcleos atômicos, formando pares neutros com prótons. Em 1.935, isso já é muito claramente explicitado na conferência feita por Chadwick, em 12 de dezembro, ao receber o Prêmio Nobel de Física pela descoberta do nêutron. A seguir, Chadwick também define o número de massa(soma do número de prótons e de nêutrons).

Texto adaptado de um trabalho que apresentei no Curso de Especialização em Ensino de Física na UFRPE na disciplina de Aspestos Históricos da Física Moderna, ministrada pelo prof. Dr. Ernande Barbosa da Costa, em novembro de 2005.