A construção do tubo de raios catódicos e a
descoberta dos raios catódicos (elétrons) desencadearam a descoberta de uma
nova área da física: a Radioatividade.
Nos anos seguintes à divulgação da descoberta dos
raios catódicos, muitos cientistas reproduziram as experiências realizadas
por J. J. Thomson, como acontecia normalmente quando se descobria algo de
novo na época. Wilhem Conrad Roentgen, cujo interesse oscilava entre a
física e a matemática, também realizou este experimento em seu laboratório
em Würzburg, Alemanha.
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Roentgen tentou observar um
estranho fenômeno descrito pelo físico Philip Lenard: os raios catódicos
que escapavam do tubo termiônico iluminavam uma superfície, a uma certa
distância do tubo, que tinha recebido uma camada de material
fosforescente. Era essa estranha fosforescência que Roentgen tentava
duplicar, quando observou algo notável.
Embora o tubo
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termoiônico de Roentgen estivesse inteiramente
encerrado em papelão preto, ainda eram produzidos raios que iluminavam uma
tela fosforescente fora dele. Mas o mais significativo era que esse fenômeno
ocorria não importando se a superfície revestida [fosforescente], ou o outro
lado, estivesse ou não voltados para o tubo de descarga. Segundo parecia, os
raios eram dotados de um poder de penetração.
Roentgen imediatamente determinou que a fluorescência
era causada por invisíveis raios originados de um vidro parcialmente
evacuado, que Hittorf-Crookes tinham usado para estudar os raios catódicos
(elétrons). Surpreendentemente, estes misteriosos raios atravessavam um
papel preto e opaco colocado em frente ao tubo.
Percebendo a propriedade que estes raios tinham de
atravessar materiais de densidade relativamente baixa, ele começou a
realizar experiências com chapas fotográficas e descobriu que poderia
usá-las para produzir fotos que eram sombras do interior dos objetos. Então,
em 22 de dezembro de 1895, seis semanas após iniciar suas experiências,
Roentgen usou os raios para "fotografar" a mão de sua esposa (ele fez isto
para tirar a suspeita de sua esposa de que ele estaria traindo-a durante as
noites em que dizia estar trabalhando.). O resultado foi uma imagem
imprecisa, mas inconfundível, do esqueleto escuro da mão esquerda dela, com
seus anéis fazendo um borrão escuro no quarto dedo.
Roentgen havia descoberto os Raios X (ele utilizou
este nome, pois a princípio não sabia se eram ondas ou partículas), um fato
que revolucionou os campos da Física e da Medicina. Por sua descoberta,
Roentgen recebeu o primeiro Prêmio Nobel em Física, em 1901.
Em 20 de janeiro de 1896, semanas depois de Roentgen
ter feito sua descoberta, Henri Poincaré fez uma relatório sobre os Raios X
para a academia Francesa de Ciências. Além de sua explicação sobre os raios
X, estavam algumas observações referentes a fosforescências estranhas que
ele observou. Este fenômeno interessou Henri Becquerel, filho de
Alexandre-Edmound Becquerel (que havia estudado extensivamente os materiais
fosforescentes).
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Becquerel pensou em investigar se todos os corpos
fosforescentes poderiam emitir raios similares. Ao investigar os
materiais fosforescentes, descobriu evidências do que queria descobrir e
apresentou ensaios à academia sustentando a idéia completamente falsa de
que substâncias fosforescentes produziriam raios penetrantes, como os
raios X.
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Com esta idéia, ele iniciou suas investigações
utilizando um composto à base de Urânio. Colocando o composto sobre uma
chapa fotográfica, Becquerel exponha-os ao Sol por um período e, então,
revelava a chapa. Assim, constatou que este material afetava a chapa de
forma similar aos raios X.
Mas as investigações adicionais, de 26 e 27 de
fevereiro, foram adiadas por causa do céu nublado de Paris e o Urânio, que
Becquerel pretendia expor ao Sol, foi colocado em um envelope que ficou
sobre a chapa dentro de uma gaveta. No primeiro dia de março, ele revelou a
chapa fotográfica com a expectativa de obter uma imagem fraca e, para sua
surpresa, a imagem foi clara e forte. Isto significou que o Urânio emitia
radiação sem a necessidade de uma fonte de energia do tipo do Sol. Becquerel
havia descoberto a Radioatividade, a espontânea emissão de radiação vinda de
um material.
Depois, Becquerel demonstrou que a radiação emitida
pelo Urânio compartilhava certas características como os raios X. Porém não
era como os raios X, pois podia ser desviado por um campo magnético e, por
essa razão, deveria ser composto por partículas carregadas. Por sua
descoberta, Becquerel foi laureado, em 1903, com um Prêmio Nobel em Física.
Embora até o filho de Becquerel, Jean, tenha
defendido que ele tenha "descoberto a radioatividade", não foi Becquerel
quem deu esse nome ao fenômeno nem que explicou a sua origem. O físico Jean
Perrin, olhando retrospectivamente para a história da radioatividade, notou
que Becquerel foi "um prisioneiro da hipótese que lhe servira tão bem,
inicialmente (de que todos os materiais fosforescentes emitiam algum tipo de
radiação)". Antes que os raios de urânio pudessem ser entendidos, "um
segundo grande passo teria de ser dado."
Após a divulgação das estranhas emissão de radiação
vinda de alguns materiais, houve um pequeno período de grande interesse por
este fenômeno e um intervalo de cinco anos sem maiores estudos. Até que, ao
iniciar os estudos para obter seu doutorado, Marie Sklodowska Curie
interessou-se pelo fenômeno observado por Becquerel. A relativa negligência
de Becquerel com relação aos raios uma das razões que fizeram Marie Curie
decidir estudá-los, além de ser um excelente assunto para ser apresentado
como tese de doutorado.
Marie e seu marido, Pierre, souberam desta estranha
emanação e que ela ionizava o ar à volta do material. Sendo Pierre um
mecânico telentoso, que preferia fazer sua própria aparelhagem (e o
descobridor da piezoeletricidade: eletricidade obtida através de alta
pressão em cristais), desenvolveram um método com o qual poderiam medir o
quanto era radioativo uma amostra de material com relação a outra.
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Através de seus trabalhos,
Marie e Pierre descobriram e divulgaram a radioatividade de determinados
materiais. Com esta descoberta muitas pessoas se interessaram pelas
pesquisas neste campo. Dentre estas pessoas, estava Ernest Rutherford,
pupilo de J.J. Thomson.
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Na época haviam duas teorias correntes: o ponto de
vista corpuscular, ou atomístico, sustentava que a matéria era descontínua,
composta por partículas distintas, extremamente pequenas. O outro ponto de
vista postulava um éter contínuo, uma espécie de cola, que mantinha tudo
junto e que existia, nas maiorias das versões, numa outra dimensão
imprecisa.
Na época, pensar na teoria de Thomson seria sugerir
que os elementos não são, em si, elementares. Isto, para a mente de
Mendeleiev, era algo parecido com a alquimia.
Em seu primeiro ensaio escrito, Rutherford observou
que as substâncias radioativas têm alto peso atômico e sua radioatividade
parece ser independente de estados químicos (implicando atividade em altos
níveis).
Com isto, não estava-se muito longe de responder como
a radioatividade estava ligada à composição atômica. O que confundia era o
fato de não haver fonte para a emissão desta energia.
Para compreender a explicação de Rutherford sobre a
radioatividade, era preciso um salto de imaginação muito grande com relação
a qualquer uma das duas explicações já existentes. Radioatividade é uma
manifestação da desintegração dos núcleos atômicos. Quando o rádio emite
radiação, está enviando partículas subatômicas: minúsculos elétrons e
partículas maiores (embora extremamente pequenas) com cargas positivas, que
hoje sabemos serem núcleos de hélio, bem como raios gama (onda
eletromagnética de comprimentos de onda muito mais curtos do que a luz
visível). Todos os elementos mais pesados, com se verifica, são
inerentemente instáveis e se acham em contínua transmutação. Um átomo de
urânio ou rádio repetidamente altera a si mesmo, algumas vezes após segundos
ou minutos e, em outras vezes, após milhares de anos. Agora chamamos este
processo de "decadência" e temos um conhecimento detalhado de cadeias de
decadência. Por exemplo:
Urânio Tório Rádio Radônio Polônio Chumbo
Como o decaimento era lento na maioria dos elementos
que os Curie trabalhavam, e como a energia disponível no núcleo era enorme,
os Curie e outros não conseguiram detectar qualquer mudança. E na verdade a
mudança, a transmutação, é que causa a radiação.
Em 1903, os Curie e Becquerel deram contribuições
decisivas, bem como também alguns pesquisadores alemães. Mas os grandes
saltos teóricos da transmutação foram dados pelos britânicos e,
particularmente, por Ernest Rutherford.
O primeiro passo foi dado por seu mentor, Thomson,
quando propôs o elétron (1897). Em 1899, ele publicou um ensaio, onde
afirmava o fato de que as emisões radioativas são compostas de ,no mínimo,
dois tipos diferentes de "raios" (raios beta, que penetram através de
grossas barreiras; e os raios alfa, que levavam uma carga bem maior mas não
atravessavam nem mesmo uma fina barreira ).
Tempos depois, Pierre, Marie e Becquerel fizeram
ensaios nos quais mostraram que os raios beta eram, de fato, idênticos às
partículas com cargas negativa de Thomson.
Por suas investigações na desintegração dos elementos
e a química das substâncias radioativas, Ernest Rutherford recebeu, em 1908,
um prêmio Nobel de Química.
