Física - Curso de Física Um Universo de Possibilidades

 Espectros Atômicos

Se fizermos a luz de uma lâmpada comum (de filamento incandescente) passar através de um prisma, ela será decomposta em várias cores, que são popularmente conhecidas como arco-íris. Cientificamente, o que se obtém é chamado de espectro da luz visível.

Contudo se repetirmos essa experiência utilizando a luz proveniente de uma lâmpada de gás, não obteremos o espectro completo. Apenas algumas linhas estarão presentes, correspondendo somente a algumas freqüências das ondas de luz visível. Essas linhas formam o espectro de linhas ou espectro atômico.

Alguns exemplos de espectros atômicos aparecem na figura abaixo. Como você pode perceber, as linhas obtidas dependem do elemento utilizado e são descontínuas. É extremamente intrigante a razão pelo qual isso acontece. Utilizando o modelo atômico de Bohr pode-se explicar o mistério dos espectros atômicos. Conforme seus postulados, os elétrons, ao serem excitados por uma fonte externa de energia, saltam para um nível de maior energia e, ao retornarem aos níveis de menor energia, liberam energia na forma de luz (fótons). Como a cor da luz emitida depende da energia entre os níveis envolvidos na transição e como essa diferença varia de elemento para elemento, a luz apresentará cor característica para cada elemento químico.

Efeito Fotoelétrico

Um importante passo no desenvolvimento das concepções sobre a natureza da luz foi dado no estudo de um fenômeno muito interessante, que recebeu o nome de efeito fotoelétrico. O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons pela matéria sob a ação da luz visível ou ultravioleta. À primeira vista o efeito fotoelétrico tem uma explicação simples. A onda eletromagnética (luz) ao incidir sobre o material, transfere aos seus elétrons certa energia. Uma parte dessa energia é usada para realizar o trabalho de “arrancar” o elétron do material, o restante é transformado em energia de movimento para o elétron (energia cinética). Esse fenômeno pode acontecer com vários materiais, mas é mais facilmente observado em metais.
O real esclarecimento do efeito fotoelétrico foi realizado em 1905 por Albert Einstein, que desenvolveu a idéia de Planck. Nas leis experimentais do efeito fotoelétrico, Einstein viu uma prova evidente de que a luz tem uma estrutura descontínua e é absorvida em porções independentes. Assim, Einstein disse que a radiação é formada por quanta (fótons). Cada elétron do material sobre o qual incide a luz absorve apenas um fóton. Se a energia desse fóton for menor do que a necessária para “arrancar” o elétron, este não será emitido, por mais tempo que a radiação incida sobre o corpo.
Considerando E a energia do fóton, Ecin(max) a energia cinética máxima adquirida pelo elétron, W o trabalho realizado para “arrancar” o elétron do material e h, a constante de Planck, obtemos daí a denominada equação fotoelétrica de Einstein ...

Esta equação permite esclarecer todos os fatos fundamentais relacionados com o efeito fotoelétrico. A intensidade da luz, segundo Einstein, é proporcional ao número de porções de energia contido no feixe luminoso e, por conseguinte, determina o número de elétrons arrancados da superfície metálica.
A velocidade dos elétrons, conforme a equação acima, é dada apenas pela freqüência da luz (f) e pelo trabalho (W). O trabalho necessário para arrancar o elétron, depende da natureza do metal e da qualidade da sua superfície, e é chamado de função trabalho. Observa-se ainda que a velocidade dos elétrons não depende da intensidade da luz.
Para uma dada substância, o efeito fotoelétrico pode observar-se apenas no caso de a freqüência f da luz ser superior ao valor mínimo, chamado de freqüência de corte (fc). Convém reparar que para se poder arrancar um elétron do metal, mesmo sem lhe comunicar energia cinética, é necessário realizar a função trabalho W. Portanto, a energia de um quanta deve ser superior a esse trabalho (h.f > W). A freqüência de corte ...

Radioatividade

Na noite de 8 de novembro de 1895, o físico alemão Wilhelm Röntgen fez uma descoberta que mudaria para sempre os rumos da Física e, principalmente, da humanidade. Com seu laboratório totalmente escurecido, ele trabalhava com uma válvula que gerava altas descargas elétricas. Distante da válvula havia uma folha de papel tratada com uma substância química, a qual ele usava como tela. Para sua surpresa, de repente ele percebeu que a folha brilhava.
Alguma coisa deveria estar saindo da válvula e chegando até a tela.
Entretanto, a válvula estava totalmente coberta! Nenhuma luz, raio catódico, nada parecia sair dela. Surpreso, Röntgen resolveu então colocar vários objetos sólidos entre a tela e a válvula, porém, tudo o que colocava parecia ser transparente. De repente, sua mão escorregou para frente da válvula e ele então viu seus ossos na tela! Assim, foi descoberto, por acaso, um tipo diferente de raio. Devido a essa natureza desconhecida ele chamou esses raios de raios X. Ao aprofundar seus estudos sobre esses raios, ele descobriu que eles podiam atravessar materiais sólidos, podiam ionizar o ar e não sofriam reflexão no vidro, nem eram desviados por campos magnéticos. Talvez o que tornasse sua descoberta inacreditável era o fato de a pele ser transparente para esses raios. A publicação de seu trabalho provocou uma imensa agitação na comunidade científica e se espalhou rapidamente para toda a sociedade. No ano seguinte sua descoberta já agitava todo o mundo.
Imagine no final do século XIX como as pessoas reagiriam aos raios que podiam fazer com que seus ossos pudessem ser vistos sem ter que cortar a pele!
Podia-se ver os ossos de cada um dos dedos de suas mãos, juntamente com seus néis! O deslumbramento foi tanto que os raios tornaram-se inicialmente uma espécie de espetáculo, sendo quase obrigatória a sua demonstração para reis e rainhas de toda a Europa. Todos queriam ver os famosos raios X. 
Não era preciso ser um cientista para que se enxergasse a grandiosidade dessa descoberta, de modo que sua utilização na medicina foi imediatamente consagrada.

O trabalho de Röntgen foi fantástico, perfeito para o conhecimento da época. Tanto que ele recebeu o prêmio Nobel de Física em 1902. O interessante é que ele mesmo não havia compreendido bem a natureza desses raios.

Após a publicação do trabalho de Röntgen, inúmeros físicos começaram a estudar os raios X, e já no final de 1896 havia mais de mil trabalhos sobre o tema. Alguns meses depois da descoberta dos raios X, o físico francês Antoine Henri Becquerel, fascinado pelos novos raios, tentou descobrir se algum elemento químico era capaz de emitir raios X de forma espontânea. Seus estudos revelaram que a maior parte dos elementos não produzia os raios X, mas mostrou que o sal de urânio era capaz de emiti-los.
Dois anos após o trabalho de Becquerel, entram em cena os físicos Pierre e Marie Curie. A brilhante física polonesa constatou que a emissão dos raios era uma propriedade atômica do urânio, de modo que não havia diferença se a amostra examinada era um sal, um óxido ou um metal de urânio. 
Impulsionada por essa descoberta, ela então resolve examinar todos os elementos químicos conhecidos naquela época. Através de seus estudos ela descobre que outros elementos também emitiam radiação espontânea, como o Tório. Foi Marie Curie quem propôs a palavra radioatividade.
Seu trabalho, realizado em conjunto com o marido Pierre, rendeu a descoberta de dois outros elementos radioativos, chamado por eles de Rádio e Polônio. Eles também descobriram que uma substância radioativa desaparece espontaneamente, eduzindo-se à metade. O intervalo de tempo que leva para que essa redução ocorra é chamado de meia-vida.
Em 1903, o casal Curie e Henri Becquerel foi agraciado com o prêmio Nobel. Marie Curie ainda ganharia sozinha outro Nobel em 1911.
Em 1897, após a descoberta da radioatividade, o físico neozelandês Ernest Rutherford começou a medir a ionização pelo Urânio. Ao término de seu trabalho, Rutherford constata a emissão de dois tipos distintos de radiação...

Fissão e Energia Nuclear

Quando Einstein formulou a sua famosa teoria da relatividade, muitos conceitos anteriormente aceitos foram revistos de forma espetacular. Uma dessas “revoluções” ocorreu como conseqüência da formulação da equivalência entre massa e energia:  = m.c2
Logo se percebeu a energia contida nas massas dos elementos, como na fusão de quatro átomos de hidrogênio para dar um de hélio, ou então na divisão ou fissão de átomos pesados.
Sabe-se que na natureza não existem átomos mais pesados que o urânio, de forma estável. Átomos muito grandes têm o seu núcleo instável, apesar da existência dos nêutrons que contribuem com forças nucleares atrativas. Quanto maior o núcleo, maior é o número de massa A e a quantidade de nêutrons fica cada vez maior. Isto é, o número de nêutrons é maior que o de prótons.
Hoje em dia, são conhecidos muitos núcleos maiores que o urânio, mas com meia vida curta. Eles decaem sucessivamente por emissão das partículas alfa ou beta e se transformam em outros até chegarem a algum isótopo estável conhecido desde o século passado.