A História do Átomo:de Demócrito ao Primeiro Reator [1,2]

Jader Benuzzi Martins

O Laboratório de Rutherford

Prefácio

O Atomismo Grego

O Século XIX

O Início da Radioatividade

As Origens da Mecânica Quântica

A Nova Mecânica Quântica

O Nêutron

A Fissão

O Primeiro Reator

Referências Bibliográficas

Prefácio

Recebi com grande satisfação o convite da Academia de Ciências de São Paulo para me associar às homenagens prestadas ao Professor Marcello Damy de Souza Santos.

É importante salientar a atuação científica do Professor Marcello Damy nos campos da Ciência Fundamental e Aplicada. No exercício de relevantes cargos, seu espírito de liderança sempre contribuiu para o desenvolvimento da Física em nosso país.

Este modesto trabalho constitui uma pequena homenagem do autor ao professor Damy.

O Atomismo Grego

A teoria atomística começou a ser edificada por volta do quinto século antes de Cristo pelos filósofos gregos Leucipo e Demócrito. [3]

Demócrito afirma na sua teoria Atomística que o universo tem uma constituição elementar única que é o átomo, partícula invisível, indivisível, impenetrável e animada de movimento próprio. As vibrações dos átomos provocam todas as nossas sensações. Lito Lucrécio, célebre poeta romano (95-52 A.C.), reproduziu em poemas as idéias de Demócrito expostas no livro

O Século XIX

Estas idéias, por serem muito avançadas para a época, somente foram retomadas no início do século XIX pelos pesquisadores no campo da Química. Para explicar as leis ponderais da Química, Dalton propôs em 1803 uma hipótese atômica apresentada no livro "A new system of chemical philosophy".[4a]

Com a finalidade de interpretar as leis volumétricas de Gay-Lussac (1805-1908), Amadeu Avogadro, Conde de Quaregna e Cerreto, [4b] professor de Física em Turim, expôs em 1811 a hipótese da existência de moléculas que constituem um agrupamento de átomos.

Após o ano de 1834, a interpretação das leis da eletrólise de Michael Faraday permitiu que se concluísse que os átomos transportavam carga elétrica. Esta carga elétrica foi denominada por Stoney electron, nome grego dado ao âmbar amarelo; pois este, quando friccionado, tem a propriedade de atrair corpos leves, o que conduziu à descoberta de efeitos eletrostáticos.

Após os trabalhos de Faraday e Stoney foi grande a procura da carga elementar, isto é, da menor carga que poderia ser transportada na eletrólise. Em 1887 Joseph John Thomson no Cavendish Laboratory, em Cambridge, confirmou a existência do elétron utilizando um tubo de raios catódicos (tubo de Crookes) e determinou a relação entre a carga e a massa desta partícula.

J.J. Thomson dividiu com Lorentz a honra de haver iniciado o estudo do elétron, tendo recebido o Prêmio Nobel em 1906. Assim descreve ele sua descoberta:

J.J. Thomson [5]

"Could anything at first sight seem more impractical than a body which could only exist in vessels from which all but a minute fraction of the air had been extracted, which is so small that its mass is an insignificant fraction of the mass of an atom of hydrogen, which itself is so small that a crowd of these atoms equal in number to the population of the whole world would be too small to have been detected by any means then known to science."

Posteriormente Robert A. Millikan, físico americano da Universidade de Chicago, trabalhou durante nove anos (1909-1917) na determinação da carga do elétron na sua célebre experiência da gota de óleo.

Devemos destacar também no desenvolvimento da Física Atômica as descobertas do Raio X e da Radioatividade. Wilhelm Roentgen (1845-1923), cientista alemão, fazendo experiências com raios catódicos descobriu acidentalmente em 1895 um tipo de radiação que atravessa corpos opacos, apesar de ser em parte por eles absorvida. Como era de natureza desconhecida, foi denominada de radiação X, ou Raios X. Henri Poincaré apresentou, em 189

O Início da Radioatividade

Henri Becquerel (1852-1908), entusiasmado com a apresentação de Poincaré, intensificou seus estudos sobre materiais fosforescentes e fluorescentes. No mesmo ano de 1896 Becquerel estabeleceu a partir de seus trabalhos que os sais de urânio emitiam radiação análoga às do raio X e que impressionavam chapas fotográficas. As radiações de Becquerel foram estudadas também por Kelvin, Beatle, Smoluchwski, Elster, Geitel, Schm

Foi também marcante a atuação do físico Ernest Rutherford no estudo da radioatividade natural. Rutherford nasceu em Nelson, Nova Zelândia, em 1871 e morreu na Inglaterra em 1937, tendo realizado seus estudos na Austrália e na Inglaterra. Foi um dos físicos mais importantes do século.

Em 1903 Rutherford e Frederick Soddy descreveram a radioatividade como a conseqüência da transmutação natural dos elementos. Estas as palavras de Rutherford a respeito:

Ernest Rutherford [5a]

"A great change in our ideas resulted from the discovery of the electron and of the spontaneous radioactivity observed in the heavy elements, uranium and thorium. Soddy and I were able to show in 1903 that radioactivity was a sign and measure of the instability of atoms, and that the atoms of uranium and thorium were undergoing a series of spontaneous transformation."

Rutherford recebeu o Prêmio Nobel em 1908, em 1918 se tornou diretor do laboratório Cavendish e em 1931 recebeu do rei da Inglaterra o título de nobre. Sua experiência para verificar se o modelo de átomo de J.J. Thomson era correto constituiu um dos trabalhos mais interessantes da Física Nuclear. Foi realizado em 1911 utilizando o espalhamento de partículas alfa em núcleos pesados. Desta experiência resultou para o átomo um modelo an&

Enquanto eram realizadas as pesquisas sobre a radioatividade natural nesta primeira década do século, Albert Einstein [1879-1955] apresentava em 1905-1906 uma teoria que seria de grande importância no estudo da Física: a Teoria da Relatividade. Nesta teoria, matéria e energia passam a ser relacionadas de modo mais estreito, podendo energia se transformar em matéria e matéria se transformar em energia. Einstein assim apresenta s! ua idéia:

Albert Einstein [5b]

"It followed from the special theory of relativity that mass and energy are both but different manifestations of the same thing - a somewhat unfamiliar conception to the average man. Furthermore, the equation E is equal to MC 2 in which energy is but equal to mass multiplied with the square of the velocity of light, showed that very small amount of mass may be converted into a very large amount of energy and vice versa - that mass is

As Origens da Mecânica Quântica

Entre 1913 e 1915 Niels Bohr (1885-1962), em Copenhague, estudando o problema da estabilidade do átomo de Rutherford, estabeleceu uma teoria na qual havia a aplicação da hipótese quântica de Planck ao estudo do movimento dos elétrons em órbita. O átomo de Bohr se mostrou perfeito no estudo do espectro do hidrogênio, sendo possível uma interpretação teórica da fórmula empírica de Balmer para o espectr

De 1910 a 1920 os físicos voltaram suas atenções para a dualidade onda-corpúsculo. William Braggs chegava a dizer que na segunda, quarta e sexta a luz era onda; terça, quinta e sábado a luz era corpúsculo; no domingo, dia do Senhor, a luz poderia ser onda e corpúsculo.

Maurice de Broglie, levando este problema para seu irmão, Louis de Broglie (*1892), entusiasmou-o. Já em 1924 este apresentava seu célebre postulado, resolvendo a dualidade onda-corpúsculo: a toda onda está associado um corpúsculo e a todo corpúsculo está associada uma onda. Com isso estava criada a Mecânica Quântica.

A Nova Mecânica Quântica

A Mecânica Quântica ou Mecânica Ondulatória deve seu desenvolvimento a Erwin Schrödinger (1887-1961), com a equação de onda da Mecânica Quântica (1926), e a Werner Heisenberg, físico alemão nascido em 1901, com a Mecânica das Matrizes (1925). A Mecânica Quântica Relativista foi desenvolvida a partir da equação de Klein-Gordon. Esta apresentava a possibilidade da existência de uma densidade de pr

O Nêutron

Voltemos um pouco no tempo para focalizar o problema da constituição do núcleo, um dos capítulos mais importantes da Física Nuclear. Inicialmente foi apresentada a hipótese para a constituição do núcleo por prótons e elétrons. Posteriormente, em 1920, D. Orme Masson, físico australiano, e Rutherford sugeriram a existência de uma partícula neutra no núcleo. Esta partícula, o nêutron, devinglês (*1891), no ano de 1932. Chadwick recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1935. Também neste ano Hideki Yukawa, físico japonês nascido em Tóquio [1907-1981] apresentou a sua teoria do campo mesônico para explicar o sistema das forças nucleares. Em 1948 Yukawa ganhava o Prêmio Nobel, enquanto neste mesmo ano, em laboratório dos Estados Unidos, e na Inglaterra, no ano anterior, no estudo de raio! s cósmicos, era desc<

" Caro Fermi,

Agradeço a gentileza de me enviar uma resenha de suas recentes experiências nas quais tem provocado uma radioatividade em muitos elementos utilizando nêutrons como partículas incidentes. Os seus resultados são de grande interesse, e não duvido que obteremos rapidamente maiores informações sobre o verdadeiro mecanismo dessas transformações. Não está claro que em todos os processos as explicações sejam tã

Congratulações e muitas felicidades.

Rutherford "

No verão de 1934 Fermi esteve no Brasil e, em São Paulo, encontrou o físico de Turim Gleb Wataghin e um velho companheiro da Escola Normal de Pisa, o matemático Luigi Fantappié. Wataghin e Occhialini criaram uma florescente Escola de Física que muito contribuiu para o desenvolvimento da Ciência Brasileira.

Marcelo Damy muito se beneficiou com as vindas de Wataghin e Luigi Fantappié para São Paulo. Numa entrevista concedida à "Ciência Hoje"[7] o prof. Damy se refere de modo elogioso a estes professores.

"Eu estava no segundo ano, em 1934, quando Wataghin começou a dar aulas de física na Faculdade de Filosofia. Naquela época as sessões de física e química da Faculdade de Filosofia funcionavam na Escola Politécnica, de modo que tive a oportunidade de ser aluno dele. Seu curso era dado simultaneamente aos alunos da Filosofia e da Politécnica, como se fosse um verdadeiro Instituto de Física. Até então, o ensino de física

O ano letivo de 1934-1935 foi um dos mais produtivos para o grupo de Fermi. Os trabalhos sobre nêutrons foram reunidos por Rutherford e publicados nos "Proceedings of the London Royal Society". No trabalho apresentado à "Royal Society", a atividade produzida nos vários elementos é classificada em: fraca, média e forte. Com a finalidade de otimizar essa classificação, um tanto gro

" Desejo contar como fiz a descoberta mais importante da minha vida. Um dia, indo ao laboratório, estava pensando em estudar a absorção de nêutrons por um bloco de chumbo mas quando, finalmente, estava para começar a experiência, pensei: não quero um bloco de chumbo mas um de parafina. Foi verdadeiramente uma inspiração improvisada, sem uma razão premeditada. "

Assim, no dia 22 de outubro de 1934, foi utilizada pela primeira vez parafina na moderação de nêutrons. Numa outra parte do Instituto, enquanto Fermi trabalhava, estava sendo realizado um exame do qual participavam, como Membros da Banca Examinadora, quase todos os componentes do grupo de Fermi. Pérsico, em visita a Roma, e Bruno Rossi, assistiram às experiências. Ao meio dia, Fermi convocou todos os membros do Instituto para verificar um estranho fenômeno

I - os nêutrons lentos eram mais eficazes que os rápidos na produção de reações nucleares em certos elementos;

II - a parafina agia como moderador, isto é, no choque dos nêutrons com os núcleos de hidrogênio (elementos leves) da parafina, eles perdiam grande parte da energia cinética.

 À noite, na casa de Amaldi, foi preparada uma "lettera" para comunicar a descoberta, que seria publicada na "Ricerca Scientifica" . Como a esposa de Amaldi era redatora da revista, enviou para a redação, na manhã seguinte, o artigo que tinha como título "Azione di Sostanze Idrogenate sulla Radioativitá Provocata da Neutroni - I". São autores: E. Fermi, E. Amaldi, B. Pontecorvo, F. Rasetti, E. Segrè.

Corbino considerou muito importante esta descoberta, que foi patenteada no dia 26 de outubro de 1935, tendo recebido o número de patente italiana N.324458. Os inventores registrados, Fermi, Amaldi, Pontecorvo, Rasetti e Segrè decidiram que, caso houvesse qualquer lucro em dinheiro, dividiriam em partes iguais a quantia também com os químicos Trabachi e D'Agostino.

Os anos de 1936 e 1937 trouxeram uma atmosfera pesada à Itália. A retórica de Mussolini, mesmo para apolíticos como Fermi, ressoava desagradável. A conquista da mísera Etiópia era para o fascismo a restauração das glórias do Império Romano. Veio, posteriormente, a aliança com a Alemanha, que desgostou os intelectuais italianos. A gota d'água para Fermi foi o "Manifesto della razza" que apresentava a bande

A Fissão 

Enquanto se desenrolavam em Estocolmo as cerimônias da entrega do Prêmio Nobel, na Alemanha, Otto Hahn e Fritz Strassman faziam a descoberta mais importante da Física Nuclear: a fissão do núcleo. Em comunicação apresentada à Revista "Naturwissenschaften" no dia 22 de dezembro de 1938, eles descrevem como concluíram, sem qualquer sombra de dúvida, a presen&cced

Estas as palavras de Otto Hahn descrevendo a descoberta da Fissão:

Otto Hahn [5c]

" In particular, Fermi concluded that by irradiating uranium with neutrons he had formed transuranic elements; that is, elements of a higher atomic number than uranium. Miss Lise Meitner, Fritz Strassman and I decided to repeat and extend this very interesting experiment. We felt well qualified to do so. The physicists Lise Meitner and I had worked together on problems of radioactivity for over thirty years. Fritz Strassman, my friend During the four years of the joint work, from 1934 to 1938, we published a number of papers, Meitner, Hahn, Strassman, believing that we had isolated isotopes of elements 93 to 96, and our results were generally accepted. But toward the end of 1938, when Lise Meitner had been compelled to leave Germany and had imigrated to Sweden, Dr. Strassman and I came to the startling conclusions that the impact of a neutron on ! a uranium nucleus caused it<

Lise Meitner calculou que a energia liberada na fissão era de aproximadamente 200 Me V.

Da Suécia, Fermi dirigiu-se a Copenhague, tendo sido recebido cordialmente na casa da familia de Niels Bohr. Partiu da Europa no navio Franconia e desembarcou, no dia 2 de Janeiro de 1939, em New York. Disse, ao desembarcar, para Laura: "Fundamos o ramo americano da família Fermi". Foi recebido, no desembarque, pelo Professor G.B. Pegram, Chefe do Departamento de Física da Universidade de Columbia.

No dia 16 de janeiro de 1939, chegava a Princeton o professor Niels Bohr. Conversando com Einstein e Wheeler, apresentou os trabalhos de Frisch, Meitner, Otto Hahn e Strassman. Einstein, entusiasmado, pensou na possibilidade da utilização da energia liberada na fissão. Numa conferência na Universidade George Washington, Fermi e Bohr têm oportunidade de trocar informações sobre o problema da fissão. Fermi meSobre o trabalho apresentado em "Physics Reviews" é importante lembrar as palavras de Anderson:

Herbert L. Anderson [5d]

"Fermi told me at the time that the quickest way to the chain reaction and all its consequences was to make a chain reaction that could probably be done first and most easily by the techniques most familiar to him, using natural uranium. And so, we launched on a career of trying first of all to see whether neutrons were emitted and in what number. And a great deal of emphasis was placed on the quantitative aspects of the subject. The paper, "The prod

O Primeiro Reator

O Primeiro Reator Nuclear, Universidade de Chicago,2 dezembro de 1942

Com a finalidade de influenciar o Presidente F.D. Roosevelt, Szilard conseguiu um intermediário, Alexandre Sachs, empresário e amigo do presidente, para levar uma carta de Albert Einstein.

Segue a íntegra da carta de 2 de agosto de 1939:

Albert Einstein Old Grover Road Nassau Point Peconic, Long Island

August, 2nd, 1939

Senhor Presidente,

Algumas pesquisas desenvolvidas recentemente por E. Fermi e L. Szilard, cujas comunicações me foram entregues em manuscritos, induziram-me a considerar que o elemento urânio possa ser transformado, num futuro próximo, em uma nova e importante fonte de energia. Alguns aspectos da situação justificam uma certa vigilância e uma rápida intervenção por parte da administração estatal. Considero, portanto, que seja meu dever solic

Nos últimos quatro meses foi confirmada a possibilidade (graças aos trabalhos de Joliot Curie, na França e os deFermi e Szilard, na América) de produzir, em uma grande massa de urânio, uma "reação nuclear em cadeia" capaz de gerar quantidade de energia e numerosos elementos com características semelhantes ao rádio. Atualmente temos quase certeza de podermos chegar a estes resultados num futuro imediato.

Este novo fenômeno poderá permitir a construção de bombas extremamente potentes. Uma única bomba deste novo tipo, transportada por uma embarcação e explodindo num porto, poderá destruir inteiramente o porto e grande parte do território adjacente. Todavia, elas devem ser relativamente pesadas para serem transportadas por avião.

Os Estados Unidos dispõem de uma quantidade pequena de minério com baixo teor de urânio. Encontramos bons minérios de urânio no Canadá e na Tchecoslováquia, sendo que o país que possui as melhores minas de urânio é o Congo Belga.

Em função de toda esta situação, seria interessante e oportuno um contato permanente entre a alta administração do governo e o grupo de físicos que estão estudando a "reação em cadeia" na América. Uma das maneiras de realizar tal ligação seria a escolha de uma pessoa que gozasse de sua confiança e que poderia agir de maneira não oficial. As suas atribuições seriam as seguintes:

  • manter o governo informado dos desenvolvimentos recentes neste campo e formular recomendações através de intervenções do Estado, para assegurar aos Estados Unidos o suprimento necessário de material uranífero.

  • acelerar o trabalho no campo experimental que se desenvolve atualmente nos laboratórios das Universidades de maneira limitada, fornecendo mais financiamento, ou caso seja necessário, mantendo contato com empresas privadas dispostas a colaborar com esta causa, e procurando a participação de laboratórios industriais que disponham de aparelhagem necessária.

Sou conhecedor do fato de que a Alemanha efetivamente bloqueou a venda de urânio das minas da Tchecoslováquia, das quais tomou posse. A decisão de agir rapidamente desta forma pode ser explicada pelo fato de que o filho do sub-secretário de Estado, Von Weizsäcker, trabalha no Kaiser-Wilhelm-Institut de Berlim, onde estão sendo realizadas, em parte, as mesmas pesquisas sobre o urânio que se desenvolvem nos Estados Unidos.

Cordialmente

Albert Einstein

A audiência só foi obtida por Sachs no dia 11 de outubro. Após a leitura da carta, no fim da audiência, o Presidente Roosevelt dirigiu-se ao seu Adido Militar, General E.M. Watson, e declarou: "Devemos agir imediatamente". O Presidente Roosevelt nomeou o Dr. Lyman J. Briggs, que era Diretor do "Bureau of Standards" para presidente de uma "Comissão do Urânio". Faziam parte da Comissão o Almirante Hoover e o Coronel Adamson. Foram convidados os cientistas Sz

Fermi se interessava muito pouco pelos problemas de administração e planificação, pois estava totalmente absorvido pela idéia da solução da Reação em Cadeia. Ficava na sua mesa concentrado nos problemas técnicos e científicos e deixava o ativismo político para Szilard, Teller e Wigner.

Durante a primavera de 1941, começaram a aparecer sinais importantes da participação de físicos americanos de primeira linha no Projeto Nuclear. Passaram a participar ativamente dos trabalhos A. H. Compton e E. O. Lawrence, pois achavam que havia uma certa lentidão nas pesquisas desenvolvidas. Nos primeiros dias de dezembro de 1941, um pouco antes da entrada dos Estados Unidos na Guerra e do Ataque a Pearl Harbor, a situação era esta:

  • Não havia sido realizada uma reação em cadeia.

  • Era mínima a produção de Urânio-235 necessário à preparação de um artefato nuclear (é grande a seção de choque desse isótopo do urânio para nêutrons térmicos). Era ponto pacífico entre os cientistas que o urânio natural não poderia ser utilizado como explosivo. Foi um triunfo da Tecnologia e da Ciência americanas a separação do Urânio-235 em larga escala.

  • Só haviam sido preparados alguns microgramas de Plutônio-239 com o Cíclotron de Berkeley. Os físicos e químicos vendo a produção insuficiente de Plutônio-239, sugeriram a construção de um sistema que gerasse maior quantidade de plutônio. Os resultados foram comunicados por Seaborg a Briggs, em carta secreta, por questões de segurança. Briggs comunicou essas conclusões a Fermi.

Em novembro de 1941, foi tomada uma decisão para acelerar o projeto nuclear e incentivar a atuação do NDRC (National Defense Research Committee). Compton, apesar de não gostar de físicos estrangeiros recém-chegados, foi até a Universidade de Columbia para visitar Fermi e recolher informações precisas que possibilitassem a construção de um artefato atômico. Compton, encarregado de ativar o projeto, transferiu os trabalhos da Universidade de Columbia para a Universidade de Chicago, onde era professor. F

São entusiasmadas as palavras de Compton, uma das testemunhas deste acontecimento, que marcou o início da era nuclear:

Arthur Compton [5e]

"We entered the balcony at one end of the room. On the balcony a dozen scientists were watching the instruments and handling the controls. Across the room was a large cubical pile of graphite and uranium blocks in which we hoped the atomic chain reaction would develop. Inserted into openings in this pile of blocks were control and safety rods. After a few preliminary tests, Fermi gave the order to withdraw the control rod another foot, we knew that was g

Para Fermi, as pesquisas teóricas e experimentais antecipavam, garantiam, de modo absoluto, o êxito da reação em cadeia no primeiro reator nuclear construído:

Enrico Fermi [5f]

"The experiment in which the first self-sustaining chain reaction was obtained had been preceeded by a great number of other experiments and calculations which had made virtually certain that once the so-called critical dimensions were achieved, the reaction would become a reality."

Referências Bibliográficas

[1] J. B. Martins, "História da Energia Nuclear", Comissão Nacional de Energia Nuclear (1984).

[2] J.B. Martins, "Einstein, Fermi, Drummond e a Bomba", Matraga - UERJ,1 (1987).

As referências (1) e (2) serviram de base para o presente trabalho.

[3] L. Boutier, "El Atomismo Griego", Editorial Nova, Buenos Aires (1936).

[4] P. F. Schurmann, "História de la Física", Editorial Nova, Buenos Aires, Vol. I e Vol. II .

[4a] ibidem

[4b] ibidem

[5] G. Seaborg, "Century of the Atom", International Atomic Energy Agency -IAEA (1980).

[5a] ibidem

[5b] ibidem

[5c] ibidem

[5d] ibidem

[5e] ibidem

[5f] ibidem

[6] E. Segré, "Enrico Fermi, Físico", Zanichelli Editore, Bologna (1976).

[6a] ibidem

[7] M. Damy, "Perfil", entrevista publicada na Revista "Ciência Hoje" Vol.14, No 79, pg.46 (1992).

[8] L. Szilard and W.H.Zinn, "Instantaneous Emission of Fast Neutrons in the Interaction of Slow Neutrons with Uranium", Phys. Rev. 55, 797 (1939).

[9] H. L. Anderson, E. Fermi and H.B. Hanstein, "Production of Neutrons in Uranium Bombarded", Phys. Rev. 55, 797 (1939).

[10] C. Allardice and E. R. Trapnell, "The First Reactor", U.S. Atomic Energy Comission, Division of Technical Information (1946).

Jader Benuzzi Martins Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto de Física Rua São Francisco Xavier, 524 - 3o, Rio de Janeiro, RJ E-mail: Jader@UERJ.BR

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