A história do surgimento da bomba atômica

 

Bomba nuclear: uma arma explosiva com alto poder destrutivo

A descoberta do nêutron, no ano de 1932, mudou totalmente os métodos utilizados para estudar as propriedades do núcleo atômico. Ernest Rutherford, físico inglês que viveu entre os anos de 1871 e 1937, fez inúmeras pesquisas investigativas sobre a estrutura do átomo. Rutherford investigou a estrutura do átomo utilizando para isso as partículas alfa. Nos anos 30 inúmeras descobertas revelaram aspectos inesperados em relação ao núcleo do átomo. Ao bombardear átomos de urânio com nêutrons, cientistas como Otto Hahn e Lise Meitner, provaram que o núcleo desse átomo, formado por 92 prótons, é dividido em núcleos menores e descobriram ainda que o urânio pode fissionar (processo de fissão nuclear) o elemento bário e o elemento criptônio, cada qual com 56 e 36 prótons no núcleo respectivamente. Com essas descobertas os cientistas perceberam que era possível criar uma reação em cadeia com capacidade para gerar grandes quantidades de energia e que, se ela ocorresse de forma descontrolada, em uma fração de segundos a liberação de energia seria gigantesca, provocando dessa forma uma explosão de alto poder destrutivo. Após essas descobertas surgiu uma nova arma: a bomba nuclear, cujo poder destrutivo é altíssimo.

Muitos dos cientistas que se empenharam nas pesquisas sobre fissão e fusão nuclear, entre eles Einstein e Lise Meitner, se refugiaram em outros países em razão da perseguição nazista, mas mesmo assim deram continuidade em suas pesquisas. Nessa época já se tinha o conhecimento necessário para a construção da bomba nuclear. No ano de 1941, os Estados Unidos da América entram na Segunda Guerra Mundial após o bombardeio de Peal Harbor realizado pelos japoneses. A Europa estava um caos e Hitler já havia invadido vários países. Mediante esse ataque surpresa, os EUA iniciaram uma operação ultra-secreta num laboratório localizado no Novo México, para construção de uma bomba atômica. Vários cientistas foram convidados, entre eles Lise Meitner, mas ela se recusou.

Em julho de 1945, foram realizados os primeiros testes para a detonação da bomba atômica. Muitos que presenciaram os testes sabiam que a partir daquele instante a humanidade não seria a mesma. Nesse mesmo ano os nazistas se renderam, mas os japoneses não fizeram o mesmo. Dessa forma, os aviões norte-americanos bombardearam a cidade de Tóquio com bombas incendiárias matando milhares de pessoas. Em uma decisão trágica, o presidente Harry Truman autorizou o uso da bomba atômica com argumento de que a invasão por terra causaria a morte de milhões de vidas americanas e japonesas. Com a autorização para o ataque, no dia 06 de agosto de 1945, a bomba atômica - apelidada de “Garotinho” - foi lançada sobre os céus de Hiroshima, matando milhares civis e mesmo assim o Japão não se rendeu.

Bomba atômica

Três dias depois desse ataque, outra bomba produzida com elemento radioativo artificial foi detonada sobre a cidade de Nagasaki, causando novamente milhões de mortes. Esse foi o fato que, segundo algumas pessoas, marcou o fechamento da Segunda Guerra Mundial.

Foi a partir dessa guerra e desse acontecimento que a ciência passou a receber verbas para pesquisas, muitas delas diretamente do governo. Se por um lado a fissão nuclear proporcionou o desenvolvimento da bomba atômica, por outro ela favoreceu o desenvolvimento da fissão nuclear controlada, que é utilizada nos reatores nucleares e em várias aplicações na medicina.

Publicado por Marco Aurélio da Silva Santos

Disponível em: https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/a-historia-surgimento-bomba-atomica.htm

Buraco negro gigante escondido em poeira confirma teoria de 30 anos

 Com informações do ESO - 17/02/2022

O painel esquerdo mostra uma imagem da galáxia ativa Messier 77. O painel da direita mostra uma vista em primeiro plano da região central desta galáxia, o seu núcleo galáctico ativo.
[Imagem: ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.]

Núcleos Ativos de Galáxias

Astrônomos descobriram que uma nuvem de poeira cósmica no centro da galáxia Messier 77 esconde um buraco negro supermassivo.

A descoberta confirmou previsões feitas há cerca de 30 anos e dá aos astrônomos novas pistas sobre os "núcleos ativos de galáxias", objetos cósmicos que se situam entre os mais brilhantes e enigmáticos que existem no Universo.

Os Núcleos Ativos de Galáxias (NAGs) são fontes extremamente energéticas impulsionadas por buracos negros supermassivos que se encontram no centro de algumas galáxias. Esses buracos negros se alimentam de enormes quantidades de gás e poeira cósmica. Antes de ser consumido, esse material espirala em direção ao buraco negro e grandes quantidades de energia são liberadas no processo, muitas vezes ofuscando todas as estrelas da galáxia.

Os NAGs têm intrigado os astrônomos desde que estes objetos brilhantes foram inicialmente observados, na década de 1950. Agora, uma equipe liderada por Violeta Gámez Rosas, da Universidade de Leiden, nos Países Baixos, deu um passo fundamental para entender como eles funcionam e como eles se parecem de perto.

Para isso a equipe usou o interferômetro do VLT (Very Large Telescope), o gigantesco telescópio pertencente ao Observatório Europeu do Sul (ESO), instalado no Chile.

Tipos de núcleos ativos

Ao executarem observações extremamente detalhadas do centro da galáxia Messier 77, também conhecida por NGC 1068, Violeta e a sua equipe detectaram um anel espesso de gás e poeira cósmica que esconde um buraco negro supermassivo. Essa descoberta fornece evidências vitais para apoiar uma teoria de 30 anos, conhecida como Modelo Unificado dos NAGs.

Os astrônomos sabem que existem diferentes tipos de NAG. Por exemplo, alguns emitem na faixa de rádio, enquanto outros não; alguns NAGs brilham intensamente no visível, enquanto outros, como o da Messier 77, são bastante tênues nestes comprimentos de onda. O Modelo Unificado diz que, apesar destas diferenças, todos os NAGs apresentam a mesma estrutura básica: Um buraco negro supermassivo cercado por um espesso anel de poeira.

De acordo com este modelo, qualquer diferença na aparência dos NAGs se deve à orientação com que vemos a partir da Terra o buraco negro e o seu espesso anel. O tipo de NAG que vemos depende do quanto o anel obscurece o buraco negro, do nosso ponto de vista, escondendo-o completamente em alguns casos.

Os astrônomos encontraram anteriormente alguns indícios que dão suporte ao Modelo Unificado, incluindo a descoberta de poeira quente no centro da Messier 77. Contudo, restavam ainda dúvidas sobre se esta poeira poderia esconder completamente o buraco negro e, assim explicar porque é que este NAG brilha menos intensamente no visível do que outros.

"A verdadeira natureza das nuvens de poeira e o seu papel, tanto em alimentar o buraco negro como em determinar como é que o vemos a partir da Terra, têm sido questões centrais nos estudos dos NAGs nas últimas três décadas", explicou Violeta. "Apesar de nenhum estudo individual resolver todas as questões que temos sobre este assunto, o certo é que demos um grande passo em frente na nossa compreensão do funcionamento dos NAGs".

Os núcleos galácticos ativos são fontes extremamente energéticas alimentadas por buracos negros supermassivos.
[Imagem: ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.]

Modelo Unificado

As observações foram possíveis graças ao instrumento MATISSE (Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment), que combina a luz infravermelha coletada pelos quatro telescópios de 8,2 metros do VLT por meio da técnica de interferometria. A equipe utilizou este instrumento para observar o centro da Messier 77, localizado a 47 milhões de anos-luz de distância da Terra, na constelação da Baleia.

"O MATISSE consegue observar uma ampla gama de comprimentos de onda infravermelhos, o que nos permite ver através da poeira e medir temperaturas com precisão. Como o VLTI é um interferômetro muito grande, temos efetivamente resolução suficiente para ver o que se passa em galáxias tão distantes como Messier 77. As imagens obtidas mostram detalhadamente variações em temperatura e absorção das nuvens de poeira situadas em torno do buraco negro," contou Walter Jaffe, coautor do trabalho.

Ao combinar as variações da temperatura da poeira (que vão desde a nossa temperatura ambiente até cerca de 1.200 ºC), causadas pela radiação intensa emitida pelo buraco negro, com mapas de absorção, a equipe conseguiu criar uma imagem detalhada da poeira e localizar a região onde deve estar o buraco negro.

A poeira, em um anel interno espesso e um disco mais extenso, com o buraco negro posicionado em seu centro, coincide com o previsto pelo Modelo Unificado.

"Os nossos resultados deverão nos ajudar a compreender melhor o funcionamento interno dos NAGs, assim como também podem nos ajudar a entender melhor a história da Via Láctea, que contém um buraco negro supermassivo no seu centro, que pensamos ter estado ativo no passado," concluiu Violeta.

Bibliografia:

Artigo: Thermal imaging of dust hiding the black hole in the Active Galaxy NGC 1068
Autores: Violeta Gámez Rosas, Jacob W. Isbell, Walter Jaffe, Romain G. Petrov, James H. Leftley, Karl-Heinz Hofmann, Florentin Millour, Leonard Burtscher, Klaus Meisenheimer, Anthony Meilland, Laurens B. F. M. Waters, Bruno Lopez, Stéphane Lagarde, Gerd Weigelt, Philippe Berio, Fatme Allouche, Sylvie Robbe-Dubois, Pierre Cruzalèbes, Felix Bettonvil, Thomas Henning, Jean-Charles Augereau, Pierre Antonelli, Udo Beckmann, Roy van Boekel, Philippe Bendjoya, William C. Danchi, Carsten Dominik, Julien Drevon, Jack F. Gallimore, Uwe Graser, Matthias Heininger, Vincent Hocdé, Michiel Hogerheijde, Josef Hron, Caterina M. V. Impellizzeri, Lucia Klarmann, Elena Kokoulina, Lucas Labadie, Michael Lehmitz, Alexis Matter, Claudia Paladini, Eric Pantin, Jörg-Uwe Pott, Dieter Schertl, Anthony Soulain, Philippe Stee, Konrad Tristram, Jozsef Varga, Julien Woillez, Sebastian Wolf, Gideon Yoffe, Gerard Zins
Revista: Nature
Vol.: 602, pages 403-407
DOI: 10.1038/s41586-021-04311-7

Disponível em: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=buraco-negro-gigante-escondido-poeira-confirma-teoria-30-anos&id=010175220217

Função de onda do elétron demonstrada experimentalmente pela primeira vez

 Com informações da UCSB 

A função de onda reconstruída experimentalmente bate quase perfeitamente com as teorias.
[Imagem: J. B. Costello et al. - 10.1038/s41586-021-03940-2]

Função de onda de Bloch

Físicos conseguiram reconstruir de forma experimental pela primeira vez uma representação da natureza de onda do elétron.

Além da importância do experimento para a física - lembre-se que a função de onda é uma matemática que virou realidade - o trabalho pode ter aplicações no projeto e desenvolvimento de componentes eletrônicos e optoeletrônicos de última geração.

Como toda matéria, os elétrons podem se comportar como partículas ou como ondas. Um dos principais objetivos da física é entender como o movimento ondulatório dos elétrons através dos átomos dispostos periodicamente em um material sólido dá origem às propriedades eletrônicas e ópticas desses materiais, chamados cristalinos.

E, para entender tudo isso é necessário um conhecimento profundo da onda eletrônica.

"Ter tal compreensão é especialmente importante quando projetamos componentes que tiram proveito da natureza ondulatória do elétron," explicou Joseph Costello, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara.

Demonstração experimental da função de onda

O movimento ondulatório do elétron é descrito matematicamente pela chamada função de onda de Bloch. Batizadas em homenagem ao físico suíço Felix Bloch [1905-1983], que foi o primeiro a descrever o comportamento dos elétrons em sólidos cristalinos, essas funções de onda são complexas, tendo componentes reais e imaginários. Por isso, o valor da função de onda de Bloch de um elétron não pode ser medido diretamente.

A função de onda do elétron já havia sido fotografada, mas ninguém havia conseguido reconstruir uma.
[Imagem: Zhehao Ge/Frederic Joucken/Jairo Velasco Jr.]

Contudo, certas propriedades físicas relacionadas à função de onda podem ser observadas. A equipe explorou justamente este fato para calcular a função de onda Bloch de um sistema a partir dessas propriedades observáveis, trazendo finalmente a função de onda da matemática para a observação experimental direta.

Para isso, Costello e seus colegas usaram um poderoso laser de elétrons livres para criar um campo elétrico oscilatório dentro de um semicondutor - arsenieto de gálio (GaAs) - enquanto simultaneamente usavam um laser infravermelho de baixa intensidade para energizar seus elétrons. Sempre que um elétron é energizado - ou excitado - ele deixa para trás uma "lacuna" carregada positivamente. No GaAs, essas lacunas vêm em duas variedades, pesadas e leves, que se comportam como se fossem partículas com massas diferentes.

A equipe descobriu que, se criassem elétrons e lacunas no momento certo em relação às oscilações do campo elétrico, os componentes desses pares de quasipartículas (conhecidos coletivamente como éxcitons) se afastariam um do outro, desacelerariam, parariam e depois acelerariam um em direção um ao outro antes de colidir e recombinar.

No ponto de recombinação, as duas quasipartículas emitem um pulso de luz, conhecido como banda lateral, com uma certa energia característica. Essa emissão de banda lateral contém informações sobre as funções de onda dos elétrons, incluindo suas fases - ou seja, o grau em que as ondas são deslocadas umas em relação às outras.

Como as lacunas leves e pesadas aceleram em taxas diferentes no campo elétrico, suas respectivas funções de onda adquirem diferentes fases quânticas antes de se recombinarem com os elétrons. Graças a essa diferença de fase, suas funções de onda interferem para produzir a emissão final, que pode então ser medida. A interferência também determina a polarização da banda lateral final, que pode ser circular ou elíptica (mesmo que a polarização de ambos os lasers seja inicialmente linear).

No canto inferior direito, um laser de infravermelho próximo separa os dois elétrons (círculos vazios) dos dois tipos de lacunas (círculos sólidos). As cargas são aceleradas para longe umas das outras pelo campo elétrico flutuante do laser terahertz (onda cinza). O campo oscilante arrasta as cargas uma em direção à outra, que se recombinam emitindo dois flashes de luz. As trajetórias são representadas em uma dimensão do espaço com o tempo fluindo do canto inferior direito para o canto superior esquerdo.
[Imagem: Brian Long]

Dualidade onda-partícula quantificada

De acordo com Qile Wu, membro da equipe, essa relação simples entre interferência e polarização conecta a teoria da mecânica quântica fundamental a um experimento do mundo real por meio de um único parâmetro livre, que é um número com um valor real.

Esse parâmetro real descreve completamente a função de onda Bloch da lacuna que eles criaram no GaAs - é bom não esquecer que recentemente se demonstrou que os números complexos significam que a física quântica sempre terá uma parte imaginária.

"Podemos capturar esse parâmetro medindo a polarização da banda lateral e depois reconstruindo as funções de onda, que variam de acordo com o ângulo em que a lacuna se propaga no cristal," explicou Seamus O'Hara, outro membro da equipe.

Até agora, os físicos tinham que confiar em teorias com muitos parâmetros pouco compreendidos. "Então, se pudermos reconstruir com precisão as funções de onda de Bloch em uma variedade de materiais, isso servirá de base para o projeto e a engenharia de todos os tipos de coisas úteis e interessantes, como lasers, detectores e até algumas arquiteturas de computação quântica," disse Sherwin.

Para começar, a equipe irá aplicar sua técnica a diferentes materiais e outras quasipartículas exóticas, além dos éxcitons.

Bibliografia:

Artigo: Reconstruction of Bloch wavefunctions of holes in a semiconductor
Autores: J. B. Costello, S. D. O’Hara, Q. Wu, D. C. Valovcin, L. N. Pfeiffer, K. W. West, M. S. Sherwin
Revista: Nature
Vol.: 599, pages 57-61
DOI: 10.1038/s41586-021-03940-2

Disponível em: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=natureza-ondulatoria-eletron-demonstrada-experimentalmente&id=010115220225&ebol=sim