Radioatividade e estrutura atômica

1. CAPÍTULO XXIII
RADIOATIVIDADE E ESTRUTURA ATÔMICA
À medida que o fim do Século XIX se aproximava, muitos físicos e
químicos tinham chegado a acreditar que as maiores descobertas da
Ciência tinham sido feitas. A Física Newtoniana oferecia uma imagem
do mundo no qual o físico podia construir uma estrutura bastante
satisfatória, enquanto o químico, com seus átomos indivisíveis e
elementos fixos, tinha ao menos abolido todos os traços de Alquimia.
Ele estava livre para gastar seu tempo preparando novos compostos e
estudando suas propriedades e reações. Era ainda verdade, entretanto,
que o físico necessitava de uma melhor compreensão da eletricidade, o
último dos fluidos imponderáveis, e o número crescente de descobertas
no campo dos espectros tinha uma falta de explicações generalizadas.
O químicos não tinha ainda compreendido a natureza das forças de
afinidade que mantinham suas moléculas unidas. Esses problemas,
sentia-se, poderiam provavelmente ser explicados com o tempo pelos
métodos clássicos das duas ciências. Contudo foi a solução desses
probLemas que revolucionou a visão global da ciência e, em um período
em torno de vinte anos, produziu resultados cujas consequências
mudaram não apenas a ciência mas também todo nosso modo de vida.
Já em 1675, Jean Picard (1620-1682) notou que quando uma coluna de
mercúrio era agitada no vácuo ela produzia um brilho fosforescente. No
início do Século XVIII Francis Hauksbee (?-1713) mostrou que o brilho
era devido à produção de eletricidade causada pela fricção do mercúrio
nas paredes do tubo de vidro no qual ele estava contido. Em 1785 um
cientista amador inglês, William Morgan, passou uma corrente elétrica
através de um vaso de vidro evacuado e observou a produção do brilho.
Sua observação foi estendida em 1836 por Faraday, que viu que a luz
no tubo provinha do cátodo. A luz era produzida mais facilmente quando
a pressão no tubo era reduzida. Nos anos entre 1855 e 1860 HeiNrich

2. Geissler (1814-1879) inventou uma bomba de mercúrio e usou-a para
produzir um vácuo muito alto em tubos nos quais ele tinha instalado
eletrodos. A radiação foi estudada mais intensamente por Julius Plücker
(1801-1868) em 1859. Ele mostrou que a radiação do cátodo causava
uma fluorescência no vidro próximo ao cátodo, e que essa fluorescência
podia ser movida por um magneto. Em 1869 J. W. Hittorf mostrou que a
“descarga negativa,” como ele a chamava, poderia ser cortada por
obstáculos posicionados em seu caminho. A radiação foi finalmente
chamada “raios catódicos” em 1876 por Eugen Goldstein (1850-1930).
Estudo intensive dos raios catódicos começou a ser feito por William
Crookes (1832-1919) que em 1874 notou o movimento de uma pequena
roda de moinho posicionada no caminho dos raios e concluiu que os
raios podiam exercer força. Isso convenceu-o de que os raios eram
materiais e, a partir de um estudo da sua deflexão em um campo
magnético, que eles continham uma carga negativa. Ele acreditou, de
fato, que ele tinha descoberto um “quarto estado da matéria.”
Em 1886 Goldstein fez furos no cátodo e descobriu uma descarga
elétrica atrás dele que dava raios de caráter oposto aos raios catódicos,
e que variavam nos efeitos que eles produziam, dependendo do
material usado. Os raios catódicos tinham as mesmas propriedades,
não importando qual a fonte. Esses novos raios Goldstein chamou de
“raios canais.”
Ainda outro tipo de radiação foi descoberto em 1895 por Wilhelm
Konrad Roentgen (1845-1923). Ele cobriu com papel preto um tubo a
vácuo no qual os raios catódicos estavam sendo gerados, e observou
que cristais de platinocianeto de bário posicionados próximos a ele
produziam fluorescência. Estudos posteriores mostraram que algum tipo
de radiação estava presente que podia passar através de matéria
sólida, tal como carne, e projetar sombras de objetos mais densos, tais
como ossos. Os raios não eram defletidos por campos eletrostáticos ou
magnéticos. Esses Raios-X, como Roentgen chamou-os, se tornaram

3. desde então da maior importância nas ciências da física, química e
medicina.
A teoria iônica da condutância em solução tinha existido em várias
formas desde o tempo de Faraday. Na convenção da Associação
Britânica para o Progresso da Ciência em 1874, George Johnstone
Stoney (1826-11911) sugeriu que a eletricidade era composta de
“átomos” que carregavam uma carga unitária. O artigo não foi publicado
até 1881, e, nesse meio tempo, Helmholtz fez uma sugestão similar em
sua Faraday Lecture de 1877. Em 1891 Stoney propôs o nome “elétron”
para essa unidade, a qual assim representava em sua mente uma
carga, não uma partícula. A sugestão não recebeu muita atenção na
época.
Com o advento da teoria da dissociação de Arrhenius, o conceito de
íons assumiu uma nova importância. Era natural estender a ideia de tais
partículas eletricamente carregadas das soluções para os gases. Se a
condução era devida aos íons, e se raios catódicos e canais eram
compostos por partículas, então essas partículas deviam ter um caráter
iônico. O problema agora era calcular a sua carga, massa, e velocidade.
Cálculos preliminares da razão carga/massa (e/m) por Arthur Schuster
(1851-1934) em Manchester em 1890 deram um valor muito elevado e
esse trabalho não recebeu muito crédito, já que a ideia de um valor
muito pequeno para a massa m não parecia razoável. O trabalho nessa
direção foi continuado por Joseph John Thomson (1856-1940)
Cambridge. Pelo uso de um vácuo extremamente elevado ele evitou
interferência por ionização de gases residuais e assim foi capaz de fazer
comparações acuradas das deflexões dos raios catódicos em campos
magnéticos e eletrostáticos. Disso ele pode fazer determinações
melhores da razão carga/massa (e/m) e da velocidade. Seus resultados
de 1897 provaram que os raios catódicos consistiam de partículas
negativamente carregadas se movendo a velocidades extremamente
altas e com uma massa em torno de 1/1000 da massa do hidrogênio.
Trabalhos posteriores corrigiram esse valor para 1/1845. G. F.
Fitzgerald (1851-1901) propôs que o nome elétron, que tinha sido

4. cunhado por Stoney, deveria ser aplicado àquelas partículas, e essa
sugestão foi desde então universalmente seguida.
Estudos posteriores dos percursos dos íons produzidos por vários tipos
de radiação foram enormemente auxiliados pela invenção em 1897 da
câmara de nuvens por Charles Thomson Rees Wilson (1869-). Nesse
aparato, o percurso de uma partícula carregada pode ser seguido
visualmente pelo caminho do vapor que se condensa à medida que a
partícula passa através de uma atmosfera úmida. Os estudos de Robert
Andrews Millikan (1868-1955) em Chicago, começaram em 1911,
empregando uma gota de óleo suspensa que porta um ou mais elétrons
e fica suspensa entre placas carregadas. Seu trabalho finalmente
provou que o elétron era a menor partícula de eletricidade e estabeleceu
o valor da sua carga.
A investigação de J. J. Thomson mostrou que os elétrons poderiam ser
produzidos a partir de todos os eletrodos que ele tinha estudado e que
não Importava como eles eram preparados eles tinham as mesmas
propriedades. Assim era evidente que eles eram um constituinte
fundamental da matérias. Se elétrons, partículas negativas, fossem
removidas de um átomo neutro, um partícula positivamente carregada
tinha que restar. Isso podia ser a explicação para os raios canais. Em
1897 Wilhelm Wien (1864-1928) provaram isso ao mostrar que as
partículas positivas desses raios tinham a massa de um íon. Assim foi
estabelecido que os gases, como as soluções, conduziam por
ionização. Um grande avanço tinha sido feito na compreensão da
natureza da eletricidade.
Confirmação posterior desses fatos e uma ainda melhor oportunidade
de aplicá-los aos problemas químicos apareceu de um lugar
completamente inesperado. Já em 1896 Antoine Henri Becquerel
(1852-1908), filho e neto de físicos igualmente distintos, tornou-se
interessado nos recém-descobertos Raios-X de Roentgen. Ele sabia
que o ponto fluorescente no tubo de vácuo produzido pelo impacto dos
elétrons do raio catódico era a fonte dos Raios-X. Ele então testou

5. outras substâncias fluorescentes para ver se elas podiam também
produzir tal radiação. Os sais de urânio eram conhecidos por fluorescer
quando expostos à luz, e assim ele colocou tal sal fluorescente, sulfato
urânico de potássio, em uma chapa fotográfica envolvida em papel
escuro. Revelação subsequente da chapa mostrou o contorno do cristal
no filme. Isso parecia confirmar sua ideia. Enquanto preparava-se para
repetir o experimento ele foi chamado para fora do laboratório e deixou
o sal em outra chapa em um local escuro. Aqui, naturalmente, o sal não
fluoresceria, mas quando ele mais tarde revelou o filme, encontrou a
mesma área exposta nele. Essa descoberta acidental mostrou que o sal
emitia raios espontaneamente e que eles se assemelhavam aos
Raios-X na sua habilidade de passar através de objetos
não-transparentes. Estudo posteriores mostraram que essa radiação era
independente de qualquer tratamento dado ao sal, e sempre
acompanhava o Urânio quando quaisquer separações químicas fossem
feitas. Esse fenômeno foi chamado “radioatividade” pelos Curie. Em
18989 Gerhardt Carl Schimdt (1865-1949) descobriu a radioatividade no
Tório.
A maior tarefa de investigação na Química dessas substâncias
radioativas foi iniciada pela jovem investigadora polonesa Marie
Sklodowska Curie (1867-1934) e seu marido, o físico francês Pierre
Curie (1859-1906). Eles receberam um grande suprimento de resíduo
de minério de urânio, pechblenda, do governo austríaco, que tinha
minas em Joachimsthal na Boêmia, agora (naquela época)
Checoslováquia. Essa é ainda uma importante fonte de urânio. Os Curie
tiveram sucesso em mostrar que o minério continha dois novos
elementos radioativos, polônio e rádio. Por uma longa série de
laboriosas cristalizações fracionadas, um sal de radio foi finalmente
isolado. Actínio foi descoberto em pechblenda por André Debierne
(1874-1949) em 1900.
Enquanto os Curie, trabalhando Debierne e outros, estavam
investigando a natureza química dos elementos radioativos, estudos
sobre a natureza dos raios que eles emitiam foram iniciados. Em 1899,

6. Ernest Rutherford (1871-1937), mais tarde Lord Rutherford, trabalhando
em Montreal, descobriu que os dois tipos de radiação eram emitidos
pelo urânio. Ele chamou-os de raios e . Mais tarde Paul Villardα β
descobriu um terceiro tipo, os Raios- , cuja similaridade com osγ
Raios-x ele reconheceu. Em 1900 ele percebeu que o urânio se
transformava em outra substância. Rutherford notou a presença de um
gás radioativo, o radônio, no tório nessa época. Os fatos confusos foram
reduzidos à ordem em 1902 por Rutherford e Frederick Soddy (1877-)
em sua teoria da desintegração atômica entre substâncias radioativas,
resultando na formação de novos elementos. Os Raios-g foram
identificados como elétrons, os Raios-g como Raios-x. Em 1906
Rutherford indicou que as partículas-a eram íons de Hélio, um fato
definitivamente estabelecido por Rutherford e Thomas Royds
(1884-1955) em 1909.
Agora se tornou possível especular sobre o arranjo dos elétrons e íons
positivos no interior do átomo. Os elétrons eram carregados
negativamente e eram encontrados em todos os átomos que tinham
sido estudados. Desde que os átomos eram neutros, devia existir uma
porção positiva, como os estudos dos raios canais tinham mostrado.
Especulações iniciais feitas por J. Thomson e por Lord Kelvin
descreveram uma massa uniforme de carga positiva através da qual os
elétrons estavam distribuídos.
Rutherford concebeu outro arranjo, baseado amplamente em estudos
feitos na câmara de nuvens de Wilson, a qual mostrava que como as
partículas comumente viajavam em linhas retas, mas algumas vezes
mostravam deflexão em seus caminhos como se elas tivessem colidido
com alguma coisa. O átomo de Rutherford era composto de um núcleo
pesado mas relativamente pequeno rodeado por números variados de
elétrons. A maior parte do átomo era espaço vazio. Cálculos da carga
do núcleo resultavam no número de elétrons que deviam rodeá-lo de
forma a preservar a neutralidade. Isso acabou sendo em torno da
metade do peso atômico para cada elemento.

7. Em 1913 uma descoberta de fundamental importância foi feita por Henry
Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) trabalhando com Rutherford na
Universidade de Manchester, para a qual Rutherford tinha ido em 1909.
Moseley observou que os raios cátodos colidindo com diferentes
metais-alvo produziam Raios-x com uma frequência característica do
metal que
compunha o alvo. Existia um deslocamento regular de um elemento ao
próximo na tabela periódica de acordo com a equação:
(N )ν = A − b 2
na qual é a frequência de uma linha espectral específica, A e b sãoν
constantes e N é um inteiro característico do metal e deslocado para
cada elemento. A esse N Moseley chamou de “número atômico.” Ele
estabeleceu que a quantidade representada por N podia apenas ser a
carga positiva do núcleo central. O número atômico dava um significado
mais fundamental à tabela periódica de Mendeleev. Quando os
elementos eram arranjados em ordem de números atômicos, tais
discrepâncias como a inversão dos pesos atômicos do iodo e do telúrio
desapareciam. Estava claro que os números atômicos eram mais
básicos que os pesos atômicos.
A imagem de átomo que Rutherford propôs em 1911 foi logo
grandemente ampliada por Niels Bohr (1885-) de Copenhgen, que tinha
trabalhado por um ano com Rutherford em Manchester. Bohr usou a
teoria quântica de Max Planck (1858-1907) para fornecer uma descrição
do núcleo central rodeado por camadas de elétrons, dos quais os mais
externos eram os responsáveis pelas propriedades químicas do
elemento. Essa é a base do conceito de estrutura atômica pelo qual as
ideias mais modernas foram desenvolvidas.
Ideais estruturais atômicas tinham agora sido desenvolvidas o suficiente
de tal forma que era possível explicar outros fatos intrigantes que tinham
aparecido nos estudos de materiais radioativos. Foi conhecido logo
cedo que, quando o urânio, tório ou actínio se desintegravam, uma série

8. de novos elementos era produzida. Em 1906 Bertram Borden Boltwood
(1879-1927) de Yale descobriu que o precursor imediato do Rádio, e um
produto da desintegração do Urânio, era um elemento que ele chamou
de ionium. Em todas essas reações químicas, entretanto, o iônio, era
idêntico ao tório. Em 1911 e 1913 Soddy propôs as leis que governam a
produção de elementos em uma série de desintegração. Essas leis
foram expandidas por ele e por Kasimir Fajans (1887-) e por Alexander
Smith Russel (1888-) para estabelecer que, quando uma partícula é
perdida, o novo elemento formado teria que se mover duas posições na
tabela periódica com perda de massa atômica 4, e que quando uma
partícula-b é perdida, o novo elemento move-se uma posição para a
frente sem mudança no peso atômico.
O número dos novos elementos assim produzidos nas três séries de
desintegração era muito grande para um posicionamento apropriado na
velha tabela periódica, mas, mais importante, certo número de
elementos produzidos tinha pesos atômicos diferentes mas o mesmo
número atômico e assim, no novo sentido, eram o mesmo elemento. O
caso do iônio não era de forma alguma único. Essa era uma ideia
totalmente nova para os químicos, que tinham agora aceitado a
constância dos pesos atômicos como fundamental. Soddy chamou a
essas novas formas de elementos “isótopos” do Grego “mesmo lugar.”
O teste crucial para a correção dessa teoria foi o peso atômico variante
do chumbo de diferentes fontes. Pela aplicação das regras das séries
de desintegração do Urânio e Tório observou-se que o produto
não-radioativo final em cada caso era o chumbo, mas o que provinha do
urânio deveria ter um peso atômico de 206, e aquele do tório 208, ao
invés do valor 207,2 aceito para o chumbo ordinário. Esses valores
foram experimentalmente confirmados por T. W. Richards (868-1945),
de Harvard, que tinha começado o estudo das variações nos pesos
atômicos do chumbo mesmo antes de Soddy anunciar sua teoria, e por
O. Honigschmidt (1878-1945) de Praga e Munique. Ambos homens
devotaram suas vidas à determinação dos pesos atômicos.

9. Por essa época, J. J. Thomson e Francis William Aston (1877-1945)
começou a desenvolver a espectrometria de massas pela qual, em
1919, Aston demonstrou que o elemento não-radioativo neônio era
também uma mistura de isótopos. Foi rapidamente demonstrado que
praticamente todos os elementos eram compostos de tais misturas. Dos
muitos resultados teóricos e aplicados dessa descoberta, o mais
importante na época atual é o uso de isótopos como traçadores em
sistemas físicos e biológicos.
Muito do trabalho discutido amplamente neste capítulo foi feito por
físicos preocupados com a estrutura fisiológica do átomo. A imagem do
átomo que estava emergindo não podia falhar em ser de grande
interesse também para os químicos. Já a tabela periódica tinha sido
colocada em uma nova e firme base, e a ideia “moderna” de átomo teve
que dar lugar a uma visão da transmutação de elementos que
relembrava teorias alquímicas. A hipótese rejeitada de Prout era vista
como tendo uma medida da verdade. Desse tempo em diante, os
químicos começaram a tomar uma parte crescente no desenvolvimento
das implicações da teoria estrutural atômica, enquanto os físicos por
sua vez, tornaram-se mais preocupado com problemas químicos. É
significante que expoentes da física como Rutherford e Aston foram
laureados com Prêmios Nobel não em Física, mas em Química.
O modelo de Bohr do átomo foi proposto principalmente para explicar o
espectro atômica mas foi o primeiro modelo que serviu tanto aos
químicos quanto aos físicos. Quase de uma vez os químicos
começaram a usá-lo para explicar as reações químicas. G. N. Lewis e
Walther Kossel (1888-1956) em 1916 desenvolveram novas teorias
sobre afinidade química cujas consequências foram posteriormente
expandidas por Irving Langmuir (1881-). Essas teorias reviveram o velho
dualismo de Berzelius de uma nova forma, mas explicaram de uma
forma diferente as ligações de afinidade da química orgânica para as
quais Berzelius não podia oferecer um mecanismo satisfatório. Íons
inorgânicos eram formados por ganho ou perda de elétrons na camada

10. externa para completar um octeto com carga elétrica. Os íons de sais
inorgânicos eram mantidos juntos por forças eletrostáticas entre os íons,
formando compostos “polares”. Compostos orgânicos, de caráter
“não-polar”, eram mantidos juntos pelo compartilhamento de um par de
elétrons em uma ligação “covalente” eu não tinha o caráter dualista de
uma ligação iônica. Aqui por último estava uma explicação da natureza
verdadeira da ligação química como uma unidade individual de
afinidade a qual os químicos tinham tão buscado por tanto tempo e
cujos apoiadores de algumas das teorias termodinâmicas no fim do
Século XIX tinham quase desistido da descoberta.
Outro desenvolvimento importante nessa época resultou da descoberta
de Max von Laue (1879-) de que retículos cristalinos podiam servir
como grades de difração para Raios-X. Ele inicialmente aplicou isso na
determinação dos comprimentos de onda dos Raios-X mas o método
era igualmente aplicável na determinação das estruturas dos cristais.
Esse trabalho foi brilhantemente realizado por William Henry Bragg
(1862-1942) e seu filho, William Lawrence Bragg (1890-).
Os anos entre 1890 e 1915 derrubou completamente as visões
conservadoras dos cientistas do final do Século XIX e forneceu as
teorias e fatos sob os quais quase todos os desenvolvimentos
espetaculares recentes da química e da física cresceram. Talvez ainda
mais importante que a liberação da energia atômica tenha sido a nova
relação estabelecida entre as várias ciências que tinham estado
crescendo separadas nos dias pré-atômicos. O velho antagonismo entre
física e química desapareceu à medida que os físicos e químicos
cooperaram na aplicação da teoria atômica às substâncias químicas
reais. O físico-químico e o químico orgânico trabalharam juntos no
desenvolvimento da teoria eletrônica da estrutura orgânica. O
mineralogista e o geólogo se uniram com o químico e o físico na
determinação das estruturas cristalinas e datação de rochas por
elementos radioativos. Mesmo as ciências biológicas, que tinham
permanecido quase desprezadas pelos cientistas físicos antes do
Século XX, também compartilharam nessa nova cooperação entre

11. ciências, usando as novas técnicas de físico-química na resolução de
problemas sobre a natureza das proteínas, ou a ferramenta dos
traçadores isotópicos na elucidação dos detalhes do metabolismo. O
cientista individual é talvez mais um especialista do que nunca hoje,
mas agora ele percebe o valor de trabalhar com outros especialistas
como ele nunca tinha feito antes. Como um resultado, são as ciências
previamente fronteiriças que estão avançando mais rapidamente hoje.
No Século XX, uma dessa ciências fronteiriças, bioquímica, atingiu um
nível igual àquele dos antigos ramos da química. Nenhuma história da
química poderia estar agora completa sem traçar o caminho pelo qual
tal posição foi obtida.