Física Nuclear é a área da física
que estuda os constituintes e interações dos núcleos atômicos. As aplicações
mais conhecidas da física nuclear são a geração de energia nuclear e tecnologia
de armas nucleares, mas a investigação tem proporcionado aplicação em muitos
campos, incluindo aqueles em medicina nuclear e ressonância magnética,
implantação de íons em engenharia de materiais, e datação por radiocarbono em
geologia e arqueologia.
O campo da física de partículas
evoluiu a partir da física nuclear e, normalmente, é ensinado em estreita
associação com a física nuclear.
Para extrair um elétron de um átomo,
é necessária uma certa quantidade de energia. Da mesma forma, cada núcleo
(próton ou nêutron) necessita também de grande quantidade de energia, que é da
ordem de milhões de vezes. Por esse motivo, a física nuclear é denominada
física de alta energia.
A física nuclear tem como objeto de
estudo o núcleo atômico e suas propriedades. Os núcleos possuem propriedades
que podem ser classificadas como estáticas (carga, tamanho, forma, massa,
energia de ligação, spin, paridade, momentos eletromagnéticos, etc.) e
dinâmicas (radioatividade, estados excitados, reações nucleares, etc.)
A história da física nuclear como
uma disciplina distinta da física atômica começa com a descoberta da
radioatividade por Henri Becquerel em 1896, enquanto investigava fosforescência
em sais de urânio. A descoberta do electrão por J. J. Thomson um ano mais tarde,
foi uma indicação de que o átomo tinha estrutura interna. Na virada do século
XX, o modelo aceito do átomo era o modelo de pudim de ameixas de J. J. Thomson
de que o átomo era uma grande bola carregada positivamente com pequenos
elétrons carregados negativamente embutidos dentro dele. Na virada do século,
os físicos também tinham descoberto três tipos de radiação que emana de átomos,
que deram o nome de alfa, beta e radiação gama.
Esta área da ciência teve início a
partir da evolução do conceito científico a cerca da estrutura atômica, pois
até meados do século XIX acreditáva-se que os átomos eram esferas maciças
indestrutíveis e indivisíveis. Esses conceitos estavam de acordo com a teoria
atômica de John Dalton.
O início do século XX foi marcado
por diversas e incríveis descobertas. Por isso, não se sabe ao certo quem
descobriu o próton. A descoberta é geralmente atribuída a Rutherford, que foi
também quem deu esse nome ao então conhecido núcleo do átomo de hidrogênio. Em
1919, Rutherford e seus colaboradores realizaram o sonho dos alquimistas e
conseguiram experimentalmente, pela primeira vez na história, transmutar um
elemento em outro.
O experimento consistia em
bombardear o gás nitrogênio com partículas alfa altamente energizadas. Como
resultado, alguns núcleos de hidrogênio eram detectados, e Rutherford estava
certo que eles somente poderiam ser provenientes dos núcleos dos átomos de
nitrogênio. Nesse processo, o que ocorreu é que o nitrogênio era transmutado em
oxigênio, através de uma reação nuclear. Então, o núcleo do nitrogênio continha
núcleos de hidrogênio! Como o hidrogênio era o elemento de menor massa,
Rutherford concluiu que se tratava de uma partícula elementar dos núcleos de
todos os átomos: o núcleo atômico possui uma estrutura, é formado por prótons!
Entretanto,
duas questões importantíssimas estavam em aberto:
1.
O número de prótons em um núcleo é insuficiente para justificar sua massa. De
onde viria o restante da massa?
2.
Cargas de sinais opostos se atraem. Cargas de mesmo sinal se repelem. Como é
possível os prótons ficarem juntos em um espaço tão pequeno como o núcleo? De
acordo com a Lei de Coulomb, a força de repulsão seria descomunal.
Quando Rutherford descobriu que o
número de prótons em um núcleo suficientes para justificar sua carga não era
suficiente para justificar sua massa, imediatamente sugeriu a existência de
outras partículas, eletricamente neutras, no núcleo.
Rutherford atribuiu a seu aluno
James Chadwick a tarefa de descobrir essa partícula. Em 1932 , Chadwick
finalmente conseguiu detectar o nêutron através do seguinte experimento:
Em 1930, descobriu-se que
bombardeando Berílio com radiação alfa, era emitida outra radiação extremamente
penetrante e sem carga elétrica, semelhante à radiação gama. Posteriormente,
foi descoberto que incidindo esse novo tipo de radiação em uma substância rica
em hidrogênio , prótons eram emitidos.
Em 1932, Chadwick, com seus estudos
quantitativos desse e de outros experimentos, concluiu que a radiação emitida
pelo Berílio era na verdade um feixe de partículas neutras com massa quase
igual à do próton: Chadwick descobriu o nêutron!
Estas propriedades são analisadas
através de modelos nucleares que são baseados na mecânica quântica,
relatividade e teoria quântica de campos. A descoberta de que os nucleons
(protons e neutrons) são na realidade sistemas compostos, redirecionou o
interesse dos físicos nucleares para a investigação dos graus de liberdade de
quarks e, com isto, atualmente os domínios da pesquisa da física nuclear e da
física de partículas se tornaram interligados.
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