Moléculas Alotrópicas

Alotropia é a propriedade pala qual um mesmo elemento químico pode formar duas ou mais substâncias simples diferentes, que são denominadas variedades alotrópicas do elemento. Substância simples são aquelas que têm em sua formação um único elemento químico. As variedades alotrópicas podem diferir quanto à quantidade de átomos (atomicidade) e à sua estrutura.

Algumas variedades alotrópicas:

Oxigênio:

No oxigênio comum (O2), os átomos unem-se dois a dois, formando as chamadas moléculas biatômicas. O O2 encontra-se, á temperatura ambiente (cerca de 20° C), no estado gasoso e está presente na atmosfera terrestre como componente do ar, tendo importância vital para a vida animal e vegetal. Uma propriedade extremamente importante desse gás é que alimenta todas as reações de combustão e, sendo por este motivo, denominado comburente: sem o oxigênio não ocorre nanhuma combustão. Já no ozônio (O3), os átomos unem-se três a tr~es, formando moléculas triatômicas. À temperatura ambiente, o O3 se encontra como um gás azul-claro e apresenta odor intenso e característico, que pode ser sentido após tempestades com descargas elétricas e também próximo a equimamentos de alta voltagem.

Carbono:

Diamante: cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos de carbono não contidos num mesmo plano. Uma propriedade física do diamante é a dureza, ou seja, a capacidade de riscar qualquer outra substância natural.

Grafita: apresenta uma estrutura formada por anéis hexagonais contidos num mesmo plano, formando lâminas.

Fulereno: Em 1984, o cientista americano Richard Smalley, da Universidade de Prince, descobriu variedades alotrópicas do carbono, que foram denominadas fulerenos. O primeiro registro das formas mais comuns da nova molécula foi obtido no microscópio de tunelamento da IBM, em Almaden, Estados Unidos da América. São moléculas que podem ter um número muito grande de átomos de carbono, formando esferas.

Enxofre: Embora os cristais das duas variedades alotrópicas sejam diferentes, ambas são formadas por anéis com oito átomos interligados entre si.

Rômbico: É a variedade alotrópica mais comum, que aparece na forma de cristais amarelos e transparentes.

Monoclínico: Apresenta-se na forma de cristais opacos com formato de agulhas, encontrados em regiões vulcânicas.

Fósforo:

Fosfóro branco: É formado por ligações de quatro átomos de fósforo. Sua fórmula é P4. Quando entra em contato com o oxigênio, rapidamente entra em combustão. Por ser altamente instável e reativo, deve ser guardado na água.

Fósforo vermelho: Não apresenta uma estrutura determinada, mas existem evidências de que ele é constituído por uma longa cadeia. Essa variedade alótropica e fósforo, representada pela fórmula Pn, Apresenta-se na forma sólida, com coloração que varia do vermelho ao violeta e é muito menos reativo que o P4.

Os Quarks

O físico americano Murray Gell-Mann (1929) (retratado na fotografia acima), em 1963, propunha uma teoria na qual os hádrons (partículas como prótons e nêutrons que na época eram consideradas como elementares), eram considerados como partículas compostas, em cuja estrutura eram encontradas partículas elementares ainda desconhecidas, com uma característica totalmente inédita: a essas partículas Gell-Mann deu a denominação de quarks, quase como se fosse uma brincadeira, já que a palavra foi retirada da obra Finnegans Wake do grande escritor irlandês James Joyce (1882-1941), com significado restrito apenas àquele trabalho (de maneira geral as denominações dadas as partículas são derivadas do idioma grego levando em conta a propriedade de cada partícula). Apesar destas circunstâncias, a denominação proposta por Gell-mann foi bem aceita e passou, rapidamente, a ser adotada sem restrições, estando hoje consagrada universalmente. Algumas das previsões de Gell-Mann, referentes á existência de estrutura nos hádrons, foram confirmadas e em 1969 ele recebeu o Prêmio Nobel de Física por seus trabalhos. Mais de uma espécie de quark teve de ser prevista (ao todo 12) para que, agrupando-os convenientemente, fosse possível montar a estrutura de inúmeros hádrons e de outras partículas não-elementares conhecidas naquela ocasião. Sabemos atualmente que existem quarks com denominações como up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) e bottom (b), cada uma com um com carga e massa diferentes.

Com a proposta desses diversos tipos de quarks, é possível combiná-los para obter a estrutura de todas as partículas (pesadas e média) conhecidas. Por exemplo, para obter a estrutura de um próton deve-se lançar mão de dois quarks u e um quark d, originando uma carga total (2/3) + (2/3) + (-1/3) = 1 como já era esperado. Por sua vez um nêutron seria constituído por um quark u e dois quarks d, sendo então sua carga total é (2/3) + (-1/3) + (-1/3) = 0.

Atualmente já se pode prever que em cada próton e em cada nêutron os quarks chocam-se constantemente, se deslocando com uma velocidade próxima a da luz. A tais velocidades ocorrem fenômenos pouco comuns no mundo macroscópico da matéria, para a descrição dos quais os cientistas precisam lançar mão da Mecânica Quântica e da teoria da Relatividade.

Homenagem à Albert Einstein

Com certeza Albert Einstein foi um dos maiores cientistas de todos os tempos, com um renome comparado ao de Sir Isaac Newton (1642-1727) e Galileu Galilei (1564-1642). Postulou as bases para a vasta Teoria da Relatividade, enunciou o efeito fotoelétrico, explicou o movimento browniano e criou o início para a inacabada Teoria do Campo Unificado. Teve alguns problemas com os nazistas, mas nunca perdeu sua postura de grande cientista.

Albert Einstein nasceu em 14 de março de 1879 na pacata cidade do Sul da Alemanha, Ulm. Sua infância, porém, seria passada em Munique, para onde seu pai, Hermann Einstein, transferira sua loja de artigos elétricos. Ali Albert realizou seus primeiros estudos. Durante o curso secundário, não adaptando-se aos métodos rígidos e mecânicos que caracterizavam o ensino da época, desenvolveu um crescente desinteresse pelas atividades escolares. Para muitos professores, o jovem não passava de um estudante medíocre. Cedo, porém, o "estudante medíocre" tivera sua curiosidade despertada pela ciência: aos cinco anos, presenteado com uma bússola, Einstein sentira a excitação da descoberta, maravilhando-se com o nobre instrumento. É ele mesmo quem analisa esta emoção, que "parece nascer quando uma experiência vem desmentir um mundo de concepções já suficientemente arraigadas em nós. Sempre que uma tal contradição é sentida com força e intensidade, experimentamos uma reação decisiva de maneira de interpretar o mundo. O desenvolvimento dessa interpretação é, em certo sentido, como um vôo contínuo a partir da surpresa". E Albert não parou mais de se maravilhar. Seu tio Jacob, competente engenheiro, despertou-lhe o interesse pela Matemática. Dizia ao sobrinho: "A álgebra é uma ciência muito interessante. Nela se vai à caça de um animal de que não se sabe o nome e que se designa por x; quando o caçador o agarro, dá-lhe o verdadeiro nome". Mudou-se com a família para Milão, onde, atendendo aos insistentes apelos do pai - que se achava à beira da falência e pedia que terminasse logo os estudos para arranjar emprego - acabou por ingressar na Escola Politécnina de Zurique, na Suíça alemã, formando-se em 1900. Aí conheceu uma estudante húngara, Milena Maritsch, sua primeira esposa, com a qual teria dois filhos.

No seu terceiro trabalho de 1905, intitulado Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento, eram lançadas as bases da Teoria da Relatividade Restrita, que abriria novos caminhos para o desenvolvimento teórico da Física.

Já no século XIX, esboçava-se a grande revolução científica que daria origem a Teoria da Relatividade. Seus primórdios podem ser encontrados nos trabalhos do grande físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) que, em meados desse mesmo século, previa teoricamente a existência das ondas eletromagnéticas, que deveriam se propagar com a velocidade da luz (isto é, 300 000 km/s). Em 1888, o físico alemão Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) conseguiu produzir tais ondas em seu laboratório, mostrando que elas podem ser geradas, detectadas, refletidas e refratadas, bem como interferir entre si. Suas observações também comprovaram que a luz é uma onda eletromagnética, ou seja, possui natureza ondulatória. Essa descoberta trouxe a tona um problema: na teoria newtoniana, uma onda é o produto da vibração de um meio material. As ondas que formam-se na água, por exemplo, resultam de uma oscilação que, ao se propagar, afeta as moléculas do líquido. Ora, se a luz é uma onda, é necessário que o espaço seja preenchido por alguma substância que possa oscilar; do contrário, a luz solar não poderia alcançar a Terra. A essa substância deu-se o nome de éter.

O ano de 1905 com certeza foi um dos mais produtivos de Einstein, pois pôde produzir a maior parte de sua obra científica que o imortalizaria: três trabalhos publicados. O primeiro versava sobre o efeito fotoelétrico que lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física, em 1921. O segundo, sobre o movimento browniano, não só provou de maneira irrefutável a teoria cinética do calor como forneceu a melhor prova "direta" da existência das moléculas.

Para obter o Princípio de Relatividade restrita de Einstein, deve-se acrescentar ao diálogo de Galileu apresentado em sua obra Sobre os Dois Grandes Sistemas do Mundo: "Tranque-se com algum amigo...", levando consigo lanternas, imãs, bobinas elétricas e outros instrumentos eletromagnéticos. A propagação da luz, a interação dos imãs, cargas e correntes elétricas não porão em evidência se o navio está parado ou em movimento retilíneo com velocidade constante. Einstein introduzio, ainda, um princípio adicional: "A velocidade da luz, no espaço vazio, tem um valor constante c, independente do movimento da fonte e do movimento do observador (Princípio da Constância da Velocidade da Luz). Esses princípios equivalem a aceitar o resultado negativo da experiência de Michelson-Morley e afirmar que o éter não existe.

Além disso, a grande inovação da teoria da relatividade são as modificações que ela introduz nos conceitos de tempo e comprimento dos corpos, afirmando que - conforme o referencial usado para medir essas grandezas - o tempo se dilata e os comprimentos se contraem.

Também devemos a Albert Einstein uma outra conhecida consequência da Teoria da Relatividade, que afirma que a massa é uma fonte de energia e, que se um corpo de massa m se aproximar ou superar a velocidade da luz c(o que é teoricamente impossível segundo o próprio Einstein) toda a sua massa iria se tranformar em energia E, que será igual ao produto de sua massa m multiplicado pelo quadrado da velocidade da luz c, somado com a sua energia cinética K adquirida . Daí a famosa equação E = mc². Esta equação enuncia a energia constante que esse corpo possui, pois sua energia total será igual à E = mc² + K.

Atualmente Albert Einstein é consagrado como um dos maiores cientistas de todos os tempos, por suas ideias estruturarem todo um novo sistema de raciocínio.

Alfred Nobel e a Criação do Dinamite

Em condições ambientais, a nitroglicerina é um líquido oleoso muito sensível a choques mecânicos. Uma simples agitação já é suficiente para provocar sua decomposição em nitrogênio(N2), dióxido de carbono (CO2) e água (H2O), todas na fase gasosa, o que gera grande aumento de volume. Como a nitroglicerina é bastante instável, ela não é muito utilizada como explosivo. No entanto, o grande químico sueco Alfred Nobel (1833-1896), fundador do Instituto Internacional de Prêmios Nobel, verificou que, se ele misturasse a nitroglicerina com um material sólido e absorvente (a celulose, por exemplo), conseguiria estabilizá-la. Estava assim inventado o explosivo dinamite.

A Descoberta do Elétron

Em 1833, o grande físico inglês Michael Faraday (1791-1867) mostrou que uma mesma corrente elétrica poderia produzir diferentes quantidades em diferentes metais. A partícula que compunha a corrente elétrica ele denominou elétron.

Em 1874, o cientista inglês George Johnstone Stoney (1824-1911), concluiu que a eletricidade necessária para obter diferentes massas de diferentes metais seria descontínua ou obtida em unidades elementares que estariam associadas aos átomos. Stoney insiste nesse raciocínio e propõe que a unidade de eletricidade seja o elétron.

O ilustre físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940), em 1897, realizando experiências e utilizando uma aparelhagem mais sofisticada em relação à de Faraday, determinou a razão entre a carga e a massa do elétron (o quociente q/m), sendo levado à firme conclusão de que o elétron existia e estava presente em todos os átomos. Os físicos da época deram continuidade aos trabalhos de Thomson buscando precisar as grandezas da razão e assim poder determinar outra.

Em 1909, o renomado físico norte-americano Robert Andrews Millikan (1868-1953) determiou a carga do elétron, cujo valor aproximado é 1,6 . 10-¹9 C (Coulombs, unidade de carga elétrica). Posteriormente calculou o valor da massa, que é aproximadamente 9,11.10-³¹ kg.

Atualmente sabemos que o elétron gira em torno do núcleo atômico (constituído de prótons e nêutrons) e, por conseguinte, gira em torno de seu próprio eixo (movimente este que é denominado spin). As órbitas dos elétrons são determinadas pelos chamados números quânticos, propostos pelo grande físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961).

A Descoberta do Próton

Em 1911, o renomado físico neo-zelandês Ernest Rutherford (1871-1937) e alguns grandes colaboradores fizeram uma experiência que levaram ao abandono do modelo de J. J. Thomson (1856-1940) (pudim de passas, onde as "passas" seriam partículas negativas). Rutherford investigava os ângulos sob os quais partículas alfa eram espalhadas ao passar através de uma fina folha de ouro (Au-196). Um dos colaboradores de Rutherford, seu aluno, o físico alemão Hans Geiger (1882-1945), sugeriu que o então estudante Ernest Marsden (1889-1970) verificasse se as partículas alfa sofriam grandes desvios angulares. O próprio Rutherford havia comentado: "Digo com certeza que não acreditava que houvesse aqueles desvios, pois sabíamos que a partícula alfa era de grande massa, com muita energia... Lembro-me que dois ou três dias depois Geiger me procurou entusiasmado dizendo: 'Conseguimos detectar algumas partículas alfa sendo refletidas para trás...'. Foi o mais incrível episódio que até então me ocorrera".

Com essa experiência, Rutherford determinou a carga, a massa e o tamanho de um átomo de ouro. Posteriormente, verificou-se que o núcleo de um átomo é constituído por pequeníssimas partículas carregadas positivamente, que foram denominadas prótons. No saldo final um átomo não apresenta carga, o que nos faz concluir que a quantidade de prótons é igual à quantidade de elétrons em qualquer átomo. Contudo, a maioria dos átomos possui massas muito maiores quando comparadas ás massas de seus prótons e elétrons. Por esse motivo, em 1932, o ilustre físico inglês James Chadwick (1891-1974) desenvolveu uma experiência com o intuito de desvendar esse mistério, detectando a presença do nêutron, partícula possuidora de massa muito próxima à do próton, porém sem carga elétrica, originária da interação entre o próton e o elétron.

Atualmente sabemos que a massa do próton é aproximadamente igual à 1,67 . 10-²7 kg e sua carga é igual a do elétron (porém, positiva).

Homenagem à Galileu Galilei

Um dos maiores cientistas de todos os tempos, influenciando gerações de grandes homens. Suas ideias eram as mais avançadas de seu tempo e mais revolucionárias, salientando-se que Galileu Galilei foi quem, por fim, provou, com base nas teorias do grande astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543), qua a Terra não era o centro do universo, mas sim o Sol. Sempre questionou veemente as teorias absurdas de Aristóteles (384 a. C. - 322 a. C.) que tanto corromperam o verdadeiro desenvolvimento científico.

Galileu Galilei nasceu na Itália, cidade de Pisa, a 15 de fevereiro de 1564, filho de Vincenzo Galilei e Julia Ammanati di Pescia. O pai, membro empobrecido da pequena nobreza, era músico e mercador, homem de cultura respeitada e um espírito contestador das ideias vigentes. Todavia, Vincenzo desejava uma sólida posição social para seu filho, e por isso introduziu-o à carreira médica. Assim, após completar seus primeiros estudos em Pisa e na escola do jesuítas do mosteiro de Vallombrosa, perto de Florença, com apenas dezessete anos, Galileu ingressava na Universidade de Pisa como estudante de Medicina. Entretanto, já no segundo ano do curso - que jamais concluiu, por falta de interesse pela matéria - ele descobriu o maravilhoso universo da Física e da Matemática, realizando sua primeira observação importante: a oscilação de um pêndulo apresenta uma frequência constante, independentemente da amplitude (quando esta é muito pequena). Na mesma época, inventou o pulsillogium, espécie de relógio utilizada para medir a pulsação. O encontro de sua verdadeira vocação científica levou-o a abandonar a universidade, apesar do descontentamento do pai. Voltando a Florença, em 1585, dedicou-se por conta própria aos novos estudos, mantendo um contato permanente com os intelectuais da cidade que frequentava a casa paterna, o que enriqueceu bastante sua formação filosófica e literária. Nesta cidade, Galileu viveu dezoito anos, e aí realizou a parte mais importante de sua obra: a formulação das leis do movimento dos corpos em queda livre e dos projéteis, e a defesa do sistema heliocêntrico (do grego helios = Sol e centrico = centro) do Universo. Em ambos os casos, ele investiu contra as doutrinas oficiais da época - que baseavam-se nas concepções do filósofo grego Aristóteles -, atraindo, com isso, a ira dos doutores da Igreja.

Na concepção de Aristóteles, quanto maior a massa de um corpo, maior será a velocidade com a qual ele irá cair se for lançado em queda livre. Galileu não acreditava nesta concepção e para provar que ela estava incorreta fez uma experiência em praça pública que ficou muito conhecida: subiu ao alto da torre de Pisa com duas esferas metálicas com uma grande diferença em suas massas. Com a ajuda de um assistente, deixou que as duas esferas caíssem em queda livre da torre, observando, assim, que as duas caiam ao mesmo tempo no chão, portanto, com mesma velocidade.

Aristóteles havia dito que a Terra esta no centro de todo o Universo e que todos os corpos celestes giram em torno dela. Além disso, Aristóteles afirmava que todos os corpos celestes eram perfeitos em sua superfície. Por meio de um telescópio, que, por sinal, foi inventado por ele mesmo, observou que aviam satélites, como a Lua, que giravam em torno de Júpiter, o que contrariava, portanto, a concepção de Aristóteles de que todos os corpos celestes giram em torno da Terra. Ainda com o telescópio, observou crateras na Lua, o que contrariava a ideia de Aristóteles sobre todos os corpos serem perfeitos em sua superfície. Isso dava mais crédito ainda para a teoria heliocêntrica de Copérnico e menos a teoria geocêntrica (do grego geo = Terra e centrico = centro) de Aristóteles.

Com isso, Galileu, em sua obra principal, O Mensageiro das Estrelas, tentou mostrar que muitas das teorias de Aristóteles eram falhas e incorretas, inclusive a concepção de que a Terra era o centro do Universo. Porém, essas ideias estavam contidas em doutrinas da Igreja Católica e, naquela época, não poderiam ser questionadas, posto que o poder da Igreja era compáravel ao do rei. Por esta razão, Galileu teve que, sob o Tribunal da Inquisição, desmentir suas ideias recebendo, assim, a condenação de prisão domiciliar.

No fim da vida, Galileu já estava cego, em decorrência as observações que fez do Sol para as descobertas das manchas solares. Rodeado de amigos e discípulos, Galileu falecera em 8 de janeiro de 1642. Seus companheiros queseram erguer uma estátua em sua homenagem, mas o papa Urbano VIII vetou a proposição, alegando que ele seria um mau exemplo para os fiéis, visto que o morto "dera origem ao maior escândalo de toda a cristandade". Futuramente suas ideias heliocêntricas foram provadas pelo grande astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630) e suas ideias para a mecânica foram provadas pelo grande cientista inglês Isaac Newton (1642-1727).

Suas obras foram incluídas do Índex dos livros proibidos pela Igreja, juntamente com as de Kepler e Copérnico. Mas, com certeza, o legado de Galileu sempre atravessou gerações, sendo até hoje admirado com um dos maiores cientistas de todos os tempos.

Partículas alfa, beta e raios gama

Hoje sabemos que o Sol é a maior fonte de energia que dispomos, o que podemos confirmar quando comparamos com os demais combustíveis ou substâncias utilizadas pela humanidade como fontes de energia. A comparação dos valores da tabela nos leva a concluir que a energia do Sol não deve ser oriunda de uma simples combustão. Qual seria então a explicação para este fato?

O encontro da ciência com os fenômenos radioativos de um modo mais efetivo teve início em 1896, quando o grande cientista francês Henri Antoine Becquerel (1852-1905), trabalhando com uma substância que continha o elemento urânio, percebeu, no escuro, apresença de uma fosforecência azulada proveniente dela.

Em 1898, a cientista polonesa Marie Sklodowska Curie (1867-1934) mostrou que a intensidade da radiação percebida por Becquerel não dependia da temperatura, da pressão, da fase de agregação e da composição da substância que continha urânio. A esse propriedade Marie Curie deu o nome de radioatividade. Hoje, sabe-se que esse fenômeno está presente em alguns elementos naturais.

A tranformação radioativa resulta na desintegração de um átomo pala capacidade que possui de emitir fragmentos de seu próprio núcleo. Tais núcleos emissores são instáveis e, quando sofrem a desintegração, emitem energia para o ambiente em quantidades muito superiores àquelas emitidas por combustíveis como o carvão, o petróleo e o gás natural. Uma das formas de desintegração é denominada decaimento alfa. Nele o núcleo emite uma partícula alfa formando um novo nucleo. A partícula alfa é constituída por dois prótons e, portanto, tem carga +2. Ela também possui dois nêutrons, sendo seu número de massa (A) igual a quatro, idêntico ao átomo de hélio (He).

A emissão ou radiação beta, trata-se de outro tipo de radiação espontânea promovida por certos isótopos radioativos. Elas são idênticas aos elétrons. Os raios gama são uma espécie de luz invisível (onda eletromagnética) de altíssima freqüência e que se desenvolve com a desintegração de certos nucleos atômicos.

O Comportamento Ondulatório da Matéria

Em 1897, o ilustre físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940) mostrou que os raios de um tubo de raios catódicos podiam ser desviados por campos eletricos e magnéticos e, portanto, deveriam consistir em partículas eletricamente carregadas. Medindo os desvios dessas partículas, Thomson demonstrou que todas as partículas possuíam a mesma razão carga-massa q/m. Além disso, também foi constatado que partículas com mesma razão entre carga e massa podiam ser obtidas usando qualquer material como catodo. Isso significava que as partículas, atualmente conhecidas como elétron, eram componentes fundamentais da matéria.

Considerando que a luz demonstrava ter propriedades ondulatórias e corpusculares, seria natural se perguntar se a matéria (por exemplo, os prótons e os elétrons) também apresentava tais características. Em 1924, um estudante de física francês, Louis de Broglie (1892-1987), sugeriu essa idéia em sua tese de doutorado. O trabalho de de Broglie foi altamente especulativo, salientando-se que naquele tempo ainda não havia evidências sobre o caráter ondulatório da matéria.

A observação de difração e interferência de ondas de elétrons forneceria a prova crucial da existência das propriedades ondulatórias dos elétrons. Isso foi descoberto, em 1927, pelos físicos C. J. Davisson e L. H. Germer, quando estudavam o espalhamento de elétrons utilizando um alvo de níquel, nos laboratórios da Bell Telephone Co. Depois de aquecerem o metal para remover a camada superficial de óxido, acumulada durante uma fratura acidental no sistema de vácuo, eles observaram que a intensidade dos elétrons espalhados, função do ângulo de espalhamente, apresentava máximos e mínimos. O alvo deles havia cristalizado e, assim, por acaso, observaram a difração de elétrons.

Fótons

Todas as ondas só podem se propagar em um meio material. No final do século XIX, o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) já havia constatado que a luz é uma onda eletromagnética de freqüência muito elevada e com uma velocidade de 300.000 km/s. Como toda a onda eletromagnética, ela poderia se propagar no vácuo (vazio).

Todavia, o físico alemão Albert Einstein (1879-1955) estava insatisfeito com estes estudos, pois salientando-se que toda a onda necessita de um meio material para se propagar, nem a luz, como nenhuma onda eletromagnética, poderia se propagar no espaço sem matéria. Então Einstein imaginou que talvez a luz podesse ser constituída de partículas. Com uma experiência extremamente interessante para provar o chamado efeito fotoelétrico, que consiste no arrancamento de elétrons de um metal por meio de incidência da luz, ele pôde provar sua teoria. Esta experiência consistia de:

A luz de uma única freqüência entra em uma câmara de vácuo e incide sobre uma superfície denominada catodo, causando a emissão de elétrons. Alguns desses elétrons atingem uma segunda placa denominada anodo, constituindo uma corrente elétrica sobre as placas. A placa anodo é carregada negativamente, repelindo assim os elétrons (que têm carga elétrica negativa). Só os elétrons mais energéticos conseguem alcançá-la. A energia cinética máxima dos elétrons emitidos é medida aumentando-se a voltagem lentamente até fazer a corrente se anular. As experiencias realizadas levaram ao resultado surpreendente de que a energia cinética máxima dos elétrons emitidos é independente da intensidade da luz incidente. Pela teoria clássica, iria se esperar que aumentando a taxa de incidência da luz sobre a superfície metálica a energia absorvida por cada elétron aumentaria e, então, aumentaria também a energia cinética máxima dos elétrons emitidos. No entanto, experimentalmente isso não ocorre. A energia cinética máxima dos elétrons emitidos é a mesma para um determinado comprimento de onda da luz incidente, não importando a intensidade da luz. Einstein demonstrou que esse resultado experimental poderia ser explicado se a energia da luz fosse quantizada em pequenos pacotes chamados fótons. A energia E de cada fóton é calculada por:

E = hf

onde f é a freqüencia da luz e h é uma constante física denominada contante de Planck em homenagem ao seu descobridor, o físico alemão Max Planck (1858-1947). Atualmente o fóton é classificado como um bóson por ser uma partícula que possui spin inteiro (em unidades de h cortado).

Por essa grande descoberta, Einstein ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1921.

A Reação de Fissão Nuclear nas Bombas de Hiroshima e Nagazáki

Em 1938 foi descoberto o processo de fissão nuclear, que consiste numericamente em bombardear com nêutrons um nucleo atômico pesado. Deste choque resultam outros elementos químicos, mais nêutrons e uma imensa quantidade de energia. No início da década de 1940, as Universidades de Berkeley e Chicago dispunham de sofisticados laboratórios e muito dinheiro para investir em projetos destinados à síntese de novos elementos químicos (elementos artificiais). Os físicos da época já conheciam bem as quantidades de energia envolvidas em transmutações radioativas naturais, como as emissôes alfa e beta e os raios gama.

Nesse período o mundo estava passando por um dos episódios mais díficeis para a humanidade: a Segunda Guerra Mundial. Alguns anos antes, o grande físico alemão Albert Einstein (1879-1955) já havia afirmado que a matéria pode se tranformar em energia.

Sendo o Japão aliado da Alemanha e da Itália, ele atacou a cidade americana de Pearl Harbor, situada no Havaí. Nesso mesmo período, Albert Einstein havia mandado uma carta ao então presidente dos Estados Unidos da América, Franklin Delano Roosevelt (1882-1945), alertando-lhe de que a Alemanha poderia usar sua teoria para fabricar uma arma da guerra. O "tiro saiu pela culatra", pois os EUA tiveram a idéia de usar a teoria de Einstein e fabricar sua própria bomba. Einstein mandou outra carta para Roosevelt, pedindo-lhe para não usar sua teoria para construir uma arma de guerra. Porém, antes que a carta chegasse a Roosevelt ele faleceu, devido a polioliemite. Seu sucessor, Harry Truman (1884-1972), não acatou o pedido feito por Einstein e mandou iniciar um projeto para a construção de uma bomba atômica que iriam lançar contra o Japão e mostrar seu poder de guerra. Este projeto ficou conhecido como Projeto Manhatan.

O físico norte-americano Robert Oppenheimer (1904-1967) (retratado na fotografia acima) foi escalado para liderar o projeto.

Neste projeto fabricaram duas bombas, ambas de fissão nuclear: uma de urânio U-235 , denominada little boy (garotinho), que iam lançar contra Hiroshima, e outra de plutônio Pu-239, denominada fat man (homem gordo), que iam lançar sobre Nagazáki.

A bomba de urânio era constituída de um tubo subcrítico de U-235 e um plugue subcrítico também de U-235 que, por meio de uma explosão, iria se conectar ao tubo formando uma massa crítica de U-235. Quando isto ocorresse, iria iniciar o processo de fissão nuclear. Nucleos de U-235 eram bombardeados por nêutrons, se desintegrando e irradiando nucleos de bário Ba-140, de criptônio Kr-93 e três nêutrons que, por sua vez, iriam bombardear outros nucleos de U-235 em um processo em cadeia de progressão geométrica. Com isso, ocorre a irradiação de uma enorme quantidade de energia que pode ser calculada pela equação de Einstein E=mc².

A bomba de plutônio era constituída de uma esfera Pu-239 subcrítica, devido a uma abertura no centro. Uma explosão convencional é detonada comprimindo, assim, a esfera acarretando em um colapso da esfera e formando uma massa crítica de Pu-239. Com isso, ela iniciava o processo de fissão nuclear.

Estas bombas marcaram o início das intensas pesquisas nucleares e da construção de reatores nucleares para estudar reações controladas de fissão e fusão nuclear.

Buracos Negros

Em uma estrela, toda sua energia é criada por reações de fusão nuclear: nucleos de hidrigênio (deutério e tritio) vão se unindo dois a dois formando nucleos de hélio (He-4). Nessa união, ocorre a irradiação de uma quantidade imensa de energia (muito maior que na fissão nuclear, em que ocorre a desintegração dos nucleos). Com isso a estrela vai consumindo toda a energia que ela mesma produz. Quando uma estrela de massa relativamente grande consome toda a sua energia, seu nucleo, por atração gravitacional, se contrai, acarretando em uma expansão de sua massa (acarretado por repulsão elétrica entre os átomos). Com isso, seu volume cresce fazendo com que ela entre em um estado denominado estado de gigante vermelha. Após um certo período de tempo, ela se expande a ponto de explodir, entrando em um estado denominado estado de super-nova. Isso pode formar uma ruptura no espaço, que tem um campo gravitacional tão intenso a ponto de atrair para seu interior até a própria luz. Esta esta ruptura é denominada buraco negro. O Sol, sendo ele uma estrela, também um dia vai consumir toda a sua energia, atingindo um volume que passará até da órbita terrestre. Porém, pela "pequena" massa do Sol, temos certeza de que ele não poderá se transformar em um buraco negro. E podemos ficar despreocupados, pois isso só vai acontecer, aproximadamente, daqui a 5 bilhões de anos. Estrelas muito pequenas consomem toda a sua energia e entram em um estado denominado anã vermelha, que é uma estrela avermelhada e pouco brilhante. Os cientistas afirmam que, após este estado, toda a sua energia que resta é consumida até elas entrarem em um estado denominado anã negra, que é uma massa pequena, escura e sem brilho. Porém, não podemos afirmar isso com grande certeza, pois, pela idade do universo, ainda não tivemos a oportunidade de observar nenhuma anã negra.

Atualmente sabemos que podem vir a existir "mini buracos negros" e que os buracos negros irradiam ondas eletromagnéticas, como raios X.

Tributo a Sir Isaac Newton

Ontem, dia 4 de Janeiro, foi o aniversário de um dos maiores cientistas de todos os tempos: Isaac Newton. Isaac Newton nasceu em 4 de Janeiro de 1642 na Inglaterra, em Woodsthorpe, no Linconshire. Com 25 anos de idade, por intermédio de seu professor, Isaac Barrow, já sentava-se na Cátedra de Matemática da Universidade de Cambridge.

Isaac Newton fez descobertas surpreendentes para o campo da física, da matemática e da astronomia. Na física mecânica, enunciou três leis, além da Lei da gravitação Universal: a Lei da Inercia (1º Lei de Newton), Princípios da Dinâmica (2º Lei de Newton) e o Princípio da Ação-Reação (3º Lei de Newton).

Lei da Inercia: Também conhecida como 1º lei de Newton, afirma que, se um corpo está em repouso ou em movimento retilínio uniforme, a tendência dele é permanecer em tais estados até que uma força atue sobre ele.

Princípio da Dinâmica: Também conhecido como 2º Lei de Newton, afirma que a força F, aplicada ou executada por um corpo, é igual ao produto de sua massa m multiplicado pela sua aceleração a, ou seja, F=ma. Esta equação é considerada como uma das mais importantes para a física.

Princípio da Ação-Reação: Também conhecido como 3º Lei de Newton, afirma que se um corpo A se chocar com um corpo B, exercendo sobre ele uma força Fa, o corpo B, por sua vez, também exercerá uma força Fb sobre o corpo A, de mesmo módulo, mesma direção, porém, em sentido contrário, isto é, Fa = Fb.

Lei da Gravitação Universal: Talvez a principal lei de Newton, afirma que todos os corpos atraem-se mutuamente, com uma força proporcional a massa dos corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. Todavia, para esta lei inclue-se uma constante denominada constante gravitacional G (G = 6,67 . 10-¹¹ N . m²/kg²). Com esta lei, podemos explicar porque os corpos caem, porque a Lua gira em torno da Terra, porque 16 satélites giram em torno de Júpiter e porque os planetas do Sistema Solar giram em torno do Sol. Esta lei explica qualquer movimento terrestre ou celeste, isto é, ela é usada, como Newton mesmo dizia, "Assim na terra como no céu".

Para a Ótica, Newton também contribuiu grandiosamente, afirmando que a luz não era pura como todos pensavam na época, mas a composição de 7 cores. Isto foi denominado por Newton o espéctro da luz branca. Newton fez esta grande descoberta com uma experiência que ficou bastante conhecida: com um prisma, deixou a luz solar entrar por uma fresta na cortina da janela e incidir sobre o prisma, decompondo assim a luz branca.

As contribuições de Newton para a Matemática também são imensas. Enunciou as Tangentes, o Cálculo Integral e Diferencial, muito usados na Física, na astronomia, na Engenharia e em muitos outros campos científicos.

Newton também também tinha um temperamento muito explosivo. Era ranzinza, quieto e isolado, muito sensível à críticas. Newton também inventou um telescópio portátil e também fazia estudos na Alquimia. Newton faleceu em 31 de Março de 1727, em Londres, ao que consta, devido a complicações e problemas com cálculo renal.

Muitos classificam Newton como o maior cientista de todos os tempos por sua imensa genialidade.