O núcleo atômico

Ney Prieto Peres

A partir de 1926, o físico vienense Erwin Schrödinger publicou trabalhos na Revista Annalen der Physik (Anais da Física) sobre sua importante teoria e a célebre equação que leva o seu nome. Contribuindo com as ideias de Broglie para o enorme desenvolvimento da Mecânica Quântica, reproduziu os resultados obtidos com o modelo de Bohr, incluindo explicações e previsões não realizadas pela teoria de Bohr. “A distribuição dos elétrons em redor do núcleo é representada por zonas espaciais difusas, onde a presença do elétron é uma questão de densidade de probabilidade” (Andrade, 1986, p. 55).

Surgiu então Werner Karl Heisenberg, nascido em 1901, em Würzburg, Alemanha. Estudou na Universidade de Munique, onde se doutorou em Física, em 1923. Após ter sido assistente de Max Born, na Universidade de Göttingen, passou três anos no Instituto criado por David Bohr em 1921, em Copenhague, Dinamarca.

Em seguida, ocupou cargos na Universidade de Leipzig e no “Instituto Max Planck”, em Berlin. Em 1946, foi nomeado diretor do Instituto Max Planck de Física, em Göttingen. Ganhou o Prêmio Nobel em 1932, aos 31 anos. “Heisenberg foi um dos físicos que mais influência tiveram no desenvolvimento das ideias modernas, vigentes na Física Quântica” (Andrade, 1986, p. 56).

A constituição do núcleo atômico

Como visto, os elétrons, pelo modelo adotado, estariam dispostos ao redor do núcleo em “camadas”, ou “orbitais” elípticas, correspondentes a níveis quânticos. A localização individual de um elétron ao redor do núcleo apenas poderia ser considerada em termos de probabilidade.

No núcleo do átomo se encontra quase toda sua massa. Os físicos admitiam, de início, que fosse composto apenas de prótons, de número igual aos elétrons, para se estabelecer o equilíbrio das cargas elétricas negativas dos elétrons. No entanto, os físicos logo se deram conta que a massa do núcleo excedia a massa avaliada em base do número atômico.

No caso do oxigênio, que possui apenas oito elétrons ocupando as órbitas, no núcleo deviam encontrar-se apenas oito prótons, suficientes para neutralizar a carga elétrica dos elétrons periféricos, no entanto, a sua massa atômica é de dezesseis unidades (unidades de massa atômica). Além dos oito prótons, mais oito partículas.

Intrigava os físicos a manutenção das cargas positivas confinadas no restrito espaço nuclear. A repulsão entre os prótons é de tal grandeza que o núcleo acabaria por se desagregar violentamente, caso não houvesse alguma força de coesão para conservá-lo íntegro.

O nêutron

“Quem primeiro postulou a existência de uma partícula com as propriedades de um próton neutralizado foi Rutherford, em 1920, um século atrás” (Andrade, 1986, p. 58). Em 1932, o casal Joliot-Curie, experimentalmente, ao colocar uma placa de parafina depois da placa de chumbo, verificou que a de parafina emitia uma grande quantidade de prótons.

Nesse mesmo ano, o físico inglês James Chadwick, no Laboratório Cavendish, replicando as experiências do casal francês e dos físicos alemães Bothe e Becker, genialmente concluiu que as partículas atravessavam facilmente a placa de chumbo justamente por serem neutras. O nome dado à partícula de nêutron, antes batizada hipoteticamente pelo físico americano Harkins, passou a ser largamente usado.

Os mésons

O entendimento do comportamento das partículas atômicas no seu interior nos leva a particularidades surpreendentes nesse mundo do microcosmo. No núcleo dos átomos, apesar da presença dos nêutrons, reunidos com os prótons, entre os prótons devem ocasionar forte repulsão.

Para haver a coesão das partículas no interior do núcleo, é necessário que uma força de agregação muitíssimo mais forte do que a repulsão esteja presente, entre os prótons e os nêutrons, para superar a repulsão dos prótons entre si. A esta força, por isso, foi dada a denominação de “força forte”.

Na Física, distinguem-se quatro tipos fundamentais de forças:

1. força forte;
2. força eletromagnética;
3. força fraca;
4. força gravitacional, a mais débil das quatro, embora responda pela gravitação universal, que mantém os astros e as estrelas em perfeito equilíbrio, em todas as galáxias.

O físico japonês Hideki Yukawa, nascido em 1907 na cidade de Tóquio, se graduou em 1929 (com 22 anos) na Universidade de Kyoto. Dez anos depois, foi nomeado professor de Física Teórica nessa mesma universidade. Após a Segunda Guerra Mundial, passou algum tempo nos Estados Unidos, como membro do Instituto para Estudos Avançados e como professor de Física na Universidade de Columbia.

Em 1949, Yukawa recebeu o Prêmio Nobel pelo seu trabalho sobre os mésons e a teoria de campo. Retornou ao Japão em 1955, para ocupar o cargo de diretor do recém-fundado Instituto de Pesquisa de Física Fundamental.

Nesse movimento e equilíbrio das partículas no interior dos átomos, a interação entre elas é conceituada segundo a Teoria Quântica de Campo, ou seja, por meio de outras partículas “virtuais” que estão permanentemente sendo criadas e reabsorvidas, com ocorrência de “trocas” de partículas “virtuais”.

O engenheiro Andrade nos dá o exemplo citando o “elétron” como se parecendo mais com um enxame de fótons “virtuais”, rodeando a região onde se situa aproximadamente o “eléctron”. Ao passar próximo de outros elétrons, os dois trocariam entre si fótons “virtuais”, ocasionando uma repulsão entre eles. Esse processo de troca de partículas “virtuais” ocorre no caso da atração entre duas partículas de cargas opostas. A mesma Teoria Quântica de Campo, na prática, funciona igualmente tanto na repulsão como na atração das partículas. Em 1935, Yukawa postulou que no núcleo atômico devia reinar a “força forte” capaz de aglutinar os prótons e os nêutrons. Essa força seria exercida graças à troca de uma partícula, efetuada entre os prótons e os nêutrons. Os cálculos feitos por Yukawa indicaram ter essa partícula uma massa 200 vezes a massa do elétron. Por ter uma massa intermediária entre a massa do elétron e a do próton, a partícula foi batizada com o nome de “méson”.

O modelo completo do átomo

Introduzindo nos modelos anteriores do átomo, como o de Thomson e o de Rutherford-Bohr, o aperfeiçoamento com a composição estudada do núcleo, teríamos uma região central constituída de prótons e nêutrons, rodeada por elétrons distribuídos em órbitas elípticas bem definidas (ver figura) (Andrade, 1986, p. 63).

Prosseguiremos no estudo do capítulo III que aborda: “O que é PSI”; Os fenômenos, as funções Psi e a natureza de PSI.

Referência

ANDRADE, H. G. Psi quântico: uma extensão dos conceitos quânticos e atômicos à ideia do Espírito. São Paulo: Pensamento, 1986.