segunda-feira, 8 de novembro de 2010

115º Aniversário do Descobrimento dos Raios X





A Descoberta dos Raios X


Introdução


No fim da tarde de 8 de novembro de 1895, quando todos haviam encerrado a jornada de trabalho, o físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) continuava no seu pequeno laboratório, sob os olhares atentos do seu servente. Enquanto Roentgen, naquela sala escura, se ocupava com a observação da condução de eletricidade através de um tubo de Crookes, o servente, em alto estado de excitação, chamou-lhe a atenção: "Professor, olhe a tela!".

Nas proximidades do tubo de vácuo havia uma tela coberta com platinocianeto de bário, sobre a qual projectava-se uma inesperada luminosidade, resultante da fluorescência do material. Roentgen girou a tela, de modo que a face sem o material fluorescente ficasse de frente para o tubo de Crookes; ainda assim ele observou a fluorescência. Foi então que resolveu colocar sua mão na frente do tubo, vendo seus ossos projectados na tela. Roentgen observava, pela primeira vez, aquilo que passou a ser denominado raios X.


O parágrafo acima pode ser uma dramatização do que de fato ocorreu naquele dia, mas o fato que a história registra é que esta fantástica descoberta teve estrondosa repercussão, não apenas na comunidade científica, como também nos meios de comunicação de massa. Por exemplo, em 1896, menos de um ano após a descoberta, aproximadamente 49 livros e panfletos e 1.000 artigos já haviam sido publicados sobre o assunto. Um levantamento feito por Jauncey no jornal norte-americano St. Louis Post-Dispatch, mostra que, entre 7 de janeiro e 16 de março de 1896, quatorze notas foram publicadas sobre a descoberta e outros estudos relacionados.

Todavia, as mais conhecidas referências a essa descoberta tendem a minimizar o mérito do seu autor, enfatizando o aspecto fortuito da observação. Essa visão distorcida que se tem do trabalho de Roentgen só é eliminada quando se toma conhecimento dos seus relatos. Com 50 anos de idade na época da descoberta dos raios X, e menos de 50 trabalhos publicados, Roentgen tinha como temas predilectos as propriedades físicas dos cristais e a física aplicada (em 1878 apresentou um alarme para telefone, e em 1879, um barômetro aneróide). Sobre os raios X publicou apenas três trabalhos, e ao final da sua vida não chegou a ultrapassar a marca dos 60. Para um detentor do Prêmio Nobel de Física, esta é uma quantidade relativamente inexpressiva. Essa "pequena" produção talvez seja consequência do seu rigoroso critério de avaliação dos resultados obtidos. Pelo que se sabe, ele era tão cuidadoso, que jamais teve de revisar os resultados publicados. Lendo seus dois primeiros artigos sobre os raios X, percebe-se a acuidade do seu trabalho.

Além da inegável importância na medicina, na tecnologia e na pesquisa científica actual, a descoberta dos raios X tem uma história repleta de fatos curiosos e interessantes, e que demonstram a enorme perspicácia de Roentgen. Por exemplo, Crookes chegou a queixar-se da fábrica de insumos fotográficos Ilford, por lhe enviar papéis "velados". Esses papéis, protegidos contra a luz, eram geralmente colocados próximos aos seus tubos de raios catódicos, e os raios X ali produzidos (ainda não descobertos) os velavam. Outros físicos observaram esse "fenômeno" dos papéis velados, mas jamais o relacionaram com o fato de estarem próximos aos tubos de raios catódicos! Mais curioso e intrigante é o fato de que Lenard "tropeçou" nos raios X antes de Roentgen, mas não percebeu. Assim, parece que não foi apenas o acaso que favoreceu Roentgen; a descoberta dos raios X estava "caindo de madura", mas precisava de alguém suficientemente sutil para identificar seu aspecto iconoclástico. Para entender porquê, é necessário acompanhar a história dos raios catódicos. 
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Raios Catódicos e Raios Lenard versus Raios X


Em 1838, Faraday realizou uma série de experimentos com descargas elétricas em gases rarefeitos, ligando definitivamente seu nome à descoberta dos raios catódicos. Todavia, devido às dificuldades técnicas com a produção de vácuo de boa qualidade, esses trabalhos só tiveram novo impulso vinte anos depois. Essa nova fase, iniciada por volta de 1858, pelo físico alemão Julius Plücker (1801-1868), produziu resultados que desafiaram a inteligência humana durante quase quarenta anos, até que um bom entendimento do fenômeno fosse obtido. A denominação raios catódicos (Kathodenstrahlen) foi introduzida pelo físico alemão Eugen Goldstein (1850-1931), em 1876, ocasião em que ele apresentou a interpretação de que esses raios eram ondas no éter. Uma interpretação contrária, defendida pelos ingleses, também chamava a atenção do mundo científico da época. Para Crookes, os raios catódicos eram moléculas carregadas, as quais constituiam o quarto estado da matéria (essa denominação é hoje usada quando nos referimos ao plasma, que é exactamente o que se tem quando se produz uma descarga elétrica num gás rarefeito!). Em 1897, Thomson encerrou a polêmica, demonstrando que os raios catódicos eram elétrons. Ao longo desses 40 anos, diversas observações, comentários e hipóteses sugerem que vários pesquisadores andaram "rondando a porta da descoberta dos raios X". Anderson relaciona algumas dessas indicações; nos seus dois primeiros trabalhos, Roentgen se refere às possibilidades que Lenard teve de fazer a descoberta.

Num artigo publicado em 1880, Goldstein menciona que uma tela fluorescente podia ser excitada, mesmo quando protegida dos raios catódicos. Publicado em alemão e em inglês, este trabalho deve ter chegado ao conhecimento de quase todos os pesquisadores envolvidos nesses estudos, no entanto, nos quinze anos seguintes ninguém questionou o fato de que a tela fluorescia, mesmo sem ser atingida pelos raios catódicos! Também Thomson chegou perto; um ano antes da descoberta dos raios X, ele relatou que havia observado fosforescência colocadas a vários centímetros de distância do tubo de vácuo.

Entre todos os pesquisadores, Lenard parece ter sido aquele que mais se aproximou da descoberta de Roentgen. Dando continuidade aos trabalhos do seu professor,Heinrich Hertz, Lenard realizou experiências para verificar se os raios catódicos produzidos no interior de um tubo de Crookes poderiam ser observados no exterior. Para tanto, construiu um tubo de Crookes com uma pequena janela de alumínio (espessura de aproximadamente 0,0025 mm) no lado oposto ao catodo, e passou a observar os raios catódicos fora do tubo, através da sua interação com materiais fosforescentes. Posteriormente esses raios ficaram conhecidos como raios Lenard. Em 1894 Lenard publica, na revista alemã Annalen der Physik, suas primeiras observações, entre as quais destacam-se:
    1. Os raios Lenard sensibilizavam uma chapa fotográfica
    2. Um disco de alumínio eletricamente carregado descarregava-se quando era colocado no trajecto desses raios, mesmo quando este disco era colocado a uma distância superior a 8 cm (o alcance máximo dos raios catódicos no ar). Quando a mão era colocada na frente do feixe, o efeito de descarga elétrica desaparecia. Comentando esses resultados, Lenard escreveu: "Não se pode afirmar se estamos observando uma acção dos raios catódicos sobre a superfície da janela de alumínio, ou sobre o ar, ou finalmente sobre o disco carregado! Todavia, a última acção é bastante improvável a grandes distâncias da janela". 
    3. Os raios eram defletidos continuamente por um campo magnético; isto é, alguns raios eram defletidos mais do que outros, e existiam alguns que não se defletiam!
De tudo que se sabe hoje, conclui-se que os raios Lenard eram constituídos de raios catódicos (elétrons) e de raios X, mas ele acreditava que eram apenas raios catódicos! Bastava que ele tivesse usado uma janela de alumínio bastante espessa, de tal modo que os elétrons não pudessem atravessá-la, para ter um feixe de raios X!. De acordo com Anderson, Lenard ficou profundamente desapontado por ter deixado escapar essa descoberta, e jamais usou o nome de Roentgen quando se referia aos raios X.

O fortuito 8 de novembro de 1895


Na última década do século passado, as pesquisas sobre os raios catódicos constituíam o tema mais efervescente em toda a Europa, de modo que parece natural o desejo de Roentgen, então diretor do Instituto de Física da Universidade de Würzburg, de repetir algumas das experiências divulgadas. De acordo com Fuchs e Romer, os experimentos de Roentgen tiveram início em 1894, mas quase toda a literatura histórica dá conta de que esses trabalhos iniciaram em 1895. Mais adiante discutiremos esse pequeno mistério. Apresentaremos aqui o que se sabe dos fatos ocorridos a partir daquela sexta-feira, 8 de novembro de 1895.

A literatura sobre a evolução dos fatos apresenta algumas controvérsias, mas uma coisa parece certa: Roentgen não trabalhou com os raios X mais do que 3 anos. Além disso, em menos de 8 semanas ele descobriu praticamente todas as propriedades fundamentais desses, escreveu três trabalhos sobre o assunto, e já em 1897 estava de volta aos seus temas favoritos, abandonando um assunto de tanta fertilidade, que proporcionou a obtenção do Prêmio Nobel de Física, não apenas a ele (1901), como também a Lenard (1905), Thomson (1906), Laue (1914), W.H. Bragg e W.L. Bragg (1915), Barkla (1917) e Siegbahn.(1924).

Numa carta enviada em fevereiro de 1896 ao seu grande amigo Ludwig Zehnder, Roentgen diz que, durante os experimentos, não falou a ninguém sobre o seu trabalho, exceto à sua esposa. Assim, o parágrafo que inicia o presente artigo, extraído de um relato de Manes, pode ser falso; ele foi usado aqui como força de expressão dramática. O que se sabe é que em 28 de dezembro de 1895 Roentgen encaminhou ao presidente da Sociedade de Física e Medicina de Würzburg (SFMW) um manuscrito, intitulado "Sobre um novo tipo de raios" ("On a new kind of rays", ou, em alemão, "Ueber eine neue art von strahlen"), que ele considera como uma "comunicação preliminar". Pela profundidade e concisão com que os resultados são apresentados, não surpreende que este tenha sido o mais importante dos três trabalhos publicados por Roentgen. Em 9 de março de 1896 ele envia, à mesma sociedade, sua segunda comunicação, com o mesmo título da primeira. Em seu artigo, Watson transcreve essas duas comunicações; as versões originais, em alemão, e as traduções, em inglês. Segundo Jauncey, o terceiro artigo é datado de 10 de março de 1897. Na edição de 23 de janeiro de 1896, Nature publica uma versão inglesa da primeira comunicação, sendo imediatamente reproduzida em Science, Scientific American Supplement, Journal of the Franklin Institute e na revista popular Review of Reviews (semelhante a Reader’s Digest). A revista alemã Annalen der Physik, em sua edição de 1o de janeiro de 1898, reproduz os três artigos. Cópias do primeiro trabalho, com a radiografia de uma mão, foram enviadas, entre o final de dezembro e o início de janeiro, aos principais cientistas da Europa, que assim tomaram conhecimento da grande descoberta, uma vez que os anais da SFMW tinham circulação bastante limitada, praticamente local.

Roentgen recebeu inúmeros convites para conferências, mas parece que declinou de todas, excepto uma, apresentada na SFMW, em 23 de janeiro de 1896, na qual obteve enorme sucesso, apesar da sua reconhecida timidez. Nessa conferência, ele tirou várias radiografias, inclusive uma que ficou famosa, da mão do grande anatomista, professor da Universidade de Würzburg, A. von Kölliker. A cada radiografia que ele conseguia, a audiência reagia com entusiasmo e estrondoso aplauso.

As duas primeiras comunicações






As duas primeiras comunicações de Roentgen, que ele considerava como uma única, são belos exemplos de objectividade e concisão, sem deixar de lado a profundidade que o tema requer. Impressiona a quantidade de dados obtidos em tão pouco tempo, mas frustra a expectativa do leitor interessado na heurística da investigação e na montagem do equipamento; não há qualquer informação detalhada nesse sentido. Ele informa que usou uma grande bobina de Ruhmkorff, mas não especifica que tipo de tubo de vácuo usou; mais adiante discutiremos essa questão.


Os resultados são apresentados em 21 tópicos, muitos dos quais contendo um único parágrafo, ao longo dos quais Roentgen discute praticamente todas as propriedades fundamentais dos raios X. Na ordem em que aparecem nas comunicações, são as seguintes essas propriedades. Em primeiro lugar, os raios podem ser detectados através de cintilações numa tela fosforescente, ou de impressões numa chapa fotográfica. Diferentemente dos raios catódicos, os raios X podem ser observados mesmo quando a tela é colocada a uma distância de aproximadamente dois metros do tubo de vácuo (os raios catódicos não ultrapassam mais do que oito centímetros no ar). Roentgen testa a transparência de uma quantidade enorme de materias, verificando que duas propriedades são importantes: a densidade do material e a espessura; quanto mais denso e mais espesso, menos transparente. Depois de testar a transparência, Roentgen investiga efeitos de refracção e de reflexão. Não observa nem um nem outro, embora tenha ficado em dúvida quanto à reflexão. Tenta deflectir os raios X com o auxílio de uma campo magnético, mas não consegue, e aqui estabelece uma das fundamentais diferenças, do ponto de vista experimental, entre os raios X e os raios catódicos, pois estes são facilmente defletidos por uma campo magnético.





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