Dona Fifi aos 19 anos.

Apostilas eletrônicas de Dona Fifi
DUAS GRANDES FÍSICAS:
MARIA CURIE e LISE MEITNER



Bombardeando núcleos com neutrons.

Partículas alfa são boas para estudar um átomo. Ernest Rutherford usou-as para chegar ao seu modelo de átomo que deu origem a essas ridículas figurinhas que vemos hoje.
Mas, para estudar um núcleo, as alfas não são a melhor opção. São pesadonas e, o que é pior, têm carga elétrica positiva. Como qualquer núcleo também tem carga positiva, se a alfa quiser se aproximar dele vai sofrer uma tremenda repulsão e ser desviada antes de chegar muito perto.
No início dos anos 30, o grande físico italiano Enrico Fermi teve a idéia de usar os neutrons, que tinham acabado de aparecer na cena da física, como projéteis para penetrar nos núcleos e fornecer informações do que se passa lá dentro. Neutrons são neutros, logo não sofrem da mesma rejeição que as alfas, por parte dos núcleos. A única desvantagem é que as alfas são mais fáceis de serem obtidas, usando materiais radioativos. Para obter neutrons, Fermi usava as próprias partículas alfa incidindo sobre um filme de berílio. O berílio, por alguma razão que não nos interessa, ao ser atingido por alfas, emite neutrons.


Enrico Fermi
Bombardeando núcleos de urânio com neutrons, Fermi achou que o urânio se transformava em algum outro elemento mais pesado, um "transurânico". Lise Meitner, Otto Hahn e Fritz Strassmann, na Alemanha, se interessaram imediatamente por esses resultados e resolveram tentar descobrir que elementos eram esses.
Nos primeiros anos, o resultado das pesquisa do trio confirmava as observações de Fermi. Nesse estudo, Lise Meitner e os dois químicos conseguiram fabricar alguns transurânicos. Conseguiram também isolar um novo elemento, o proctoactínio, trabalho que deu muito prestígio ao grupo.

Os núcleos bombardeados pareciam ficar extremamente instáveis, emitindo uma verdadeira cascata de partículas alfa e beta e se transformado seguidamente em outros tipos de núcleos. Com as teorias aceitas na época, Lise Meitner tentava justificar toda essa atividade nuclear mas os modelos estavam ficando tão complexos que passaram a ser suspeitos. Em um deles, por exemplo, a sequência de atividade de um núcleo de urânio, depois de capturar um neutron, parecia ser a seguinte:

Que teorias aceitas eram essas? O modelo mais popular para explicar o comportamento de um núcleo era o modelo de Bohr, chamado "modelo da gota líquida". Segundo Bohr, um núcleo tinha propriedades que pareciam as propriedades de uma gota de líquido, com tensão superficial e tudo mais. Por esse modelo, quando uma partícula qualquer entra no núcleo as colisões internas da partícula que entra com as que já estão dentro (prótons e neutrons), faz com que o núcleo fique excitado, o que me parece normal. Nesse estado, o núcleo é chamado de "núcleo composto" e fica parecendo uma gota de água aquecida, próxima da fervura. Quando a excitação é muito forte, o núcleo composto precisa "cuspir" alguma partícula (alfas, betas, gamas ou mesmo neutrons) para recobrar a compostura e se acalmar. Essa cuspida é chamada de "decaimento" do núcleo.
Pois, como você vê na figura, o núcleo composto de urânio tinha de sofrer um monte de decaimentos até atingir a calma. Lise Meitner desconfiava que tanta instabilidade não podia ser causada pelo tímido neutron que penetrava no núcleo. Algo diferente poderia estar acontecendo.

A coisa estava nesse pé, em 1938, quando Lise teve de fugir da Alemanha. Hahn e Strassmann continuaram os experimentos e, sempre que tinham algum novo resultado, enviavam uma carta a Lise, que já estava na Suécia. Tudo secretamente, pois se os nazistas descobrissem que os dois estavam colaborando com uma judia, o laboratório poderia até ser fechado.

Em um desses experimentos, eles pensaram que o núcleo de urânio emitia duas partículas alfa, ao receber o neutron. Como 92 - 2x2 = 88, o urânio estaria se transformando no rádio, o tal elemento descoberto por Maria Curie. Essa explicação não foi aceita por Lise Meitner: o neutron não podia ter energia suficiente para arrancar duas alfas do núcleo. Escreveu de volta sugerindo que os dois químicos fizessem mais medidas para identificar melhor os produtos da reação. Foi o que eles fizeram e o resultado foi ainda mais estranho. Um dos elementos que parecia surgir depois da reação de captura do neutron pelo urânio era o bário, cujo número atômico é ainda menor que o do rádio. O bário tem número atômico 56; para que um núcleo de urânio virasse bário precisaria emitir um montão de alfas - coisa ainda mais improvável.

A carta de Hahn relatando esse inexplicável resultado chegou a Lise em Dezembro de 1938. Ela estava em Gotemburgo, na Suécia, onde passava o natal com seu sobrinho Otto Frisch, também físico e também fugido dos nazistas. Os dois discutiram o relato da carta de Hahn. Frisch, inicialmente, achou que devia haver algum erro experimental, mas Lise Meitner descartou essa hipótese pois conhecia de perto a qualidade do trabalho dos dois químicos.

Otto Frisch
Logo, logo, desconfiaram que a única explicação era admitir que o núcleo de urânio estava se partindo em pedaços, um deles sendo um núcleo de bário. Como o neutron não tem energia para espatifar um núcleo, como uma bala espatifa um tijolo, o processo deveria ser diferente. Imediatamente, começaram a fazer cálculos usando o modelo da gota líquida de Bohr. Imaginaram que o neutron desencadearia uma vibração interna na gota (isto é, no núcleo), esticando e afinando até que acabaria se partindo em dois ou mais pedaços. Lise sabia de cór todos os números e fórmulas que precisava para ajustar o modelo de Bohr ao processo que estava considerando. Calculou, rapidamente, a energia liberada no processo de quebra do núcleo, usando a famosa equação de Einstein, E = m c2, e verificou que essa energia deveria ser muito grande. Concluiu, também, que pelos menos dois neutrons seriam ejetados e que, se um dos pedaços era o bário, o outro deveria ser o kriptônio, segundo a reação:

Otto Frisch deu o nome de "fissão nuclear" a esse processo, em analogia ao conhecido processo de fissão celular. Logo depois, Frisch voltou à Dinamarca e informou Bohr desses resultados. A partir daí, surgiram inúmeros trabalhos, feitos em todo o mundo, confirmando os resultados da dupla alemã e a explicação de Lise Meitner e seu sobrinho Otto Frisch. Hahn e Strassmann escreveram um artigo relatando sua experiência e publicaram na revista alemã Die Naturwissenschaften (que nome!). Lise Meitner, sendo judia, não podia aparecer como co-autora, obviamente, para não prejudicar os colegas alemães. Ela e Otto Frisch publicaram outro artigo com o modelo teórico que saiu na revista Nature. Os dois artigos apareceram quase simultaneamente.

A partir desse momento, a coisa se complicou, como contarei na próxima apostila.


Apostila 8: Lise Meitner, a fissão nuclear e o prêmio Nobel.