A física nuclear pode ter seu início considerado a partir de experimentos que ocorreram no fim do século XIX. Os resultados mostraram que o átomo, entidade indivisível que compunha a matéria, pouco conhecido e às vezes até negado por alguns cientistas, tinha um “estrutura” interna, além de propriedades surpreendentes, como poder revelar a estrutura óssea de uma pessoa.

Entre o final do século XIX e o começo do XX, Marie e Pierre Curie, E Rutherford, F Soddy e outros avançaram no entendimento da atividade dos sais de urânio.

Foi uma surpresa constatar que os átomos radioativos mudavam sua identidade química com o tempo, o que levou, após intensos estudos, por Rutherford e Soddy em 1903, à teoria dos decaimentos radioativos. As investigações sobre os raios emitidos durante estas desintegrações levaram a 3 tipos de classificações:

1 - PARTÍCULAS ALFA: partículas altamente ionizantes e são absorvidas em poucos centímetros de ar. Rutherford e Royds, em 1908, mostraram que eram He++, ou seja, átomos de hélio duplamente ionizados;

2 - PARTÍCULAS BETA: bem menos ionizantes do que as partículas alfa, sendo bem mais penetrantes e em geral penetravam frações de milímetro em alumínio. Foram identificados como elétrons por suas deflexões em campos elétricos e magnéticos; 

3 - RAIOS GAMA: bem menos ionizantes, podem caminhar muitos metros no ar e tipicamente penetram vários centímetros de chumbo. Eles não eram defletidos por campos elétricos nem magnéticos, o que permitiu concluir que eram ondas eletromagnéticas, assim como os raios X, mas de maior energia. 

No mundo atômico, as "patentes" são equivalentes ao número de prótons que cada elemento químico possuí. Em meados de 1913, os cientistas Russel, Soddy e Fajans estavam imersos nos fenômenos de decaimento, os quais diferenciavam a composição dos átomos. O DECAIMENTO ALFA fazia o papel de rebaixamento, visto que dois prótons eram removidos do núcleo. Já o DECAIMENTO BETA podia fazer tanto o papel de promoção (DECAIMENTO BETA -) quanto o de rebaixamento (DECAIMENTO BETA +), visto que nêutrons podiam virar prótons ou vice-versa.

Imagine que tenhamos dois comandantes clones, um chamado Rex e o outro Cody. Apesar de os dois terem a patente de comandante, cada um possui individualidades. Imagine agora dois átomos de urânio: um, chamado de Urânio-238, tendo 92 prótons e 146 nêutrons, e o outro chamado de Urânio-234, tendo 92 prótons e 142 nêutrons (o Urânio-234 é resultado de um decaimento alfa e dois decaimentos beta -). Apesar de terem o mesmo número de prótons (Z = 92), as propriedades são distintas. Átomos como esses, com diferentes números de nêutrons, mas com o mesmo número de prótons, são chamados de ISÓTOPOS. Eles começaram a ser descobertos a partir da 2ª década do século XIX com o trabalho de Thomson e especialmente de Aston. Existem cerca 300 isótopos estáveis na natureza, como os do oxigênio que tem massa (ou número de massa) 16 com 99,76%, o de massa 17 com 0,04% e o de massa 18 com 0,20%.

O início do século XX foi marcado por avanços na teoria atômica. Modelos para o átomo foram sendo propostos e aprimorados. Um dos aprimoramentos mais significativos foi proposto por Rutherford em 1911, ao perceber que o modelo anterior, falhava em explicar espalhamentos de partículas alfa a grandes ângulos por uma folha de ouro. Isso só poderia ocorrer se praticamente toda a massa do átomo estivesse no seu centro. Nascia assim o NÚCLEO ATÔMICO. 

A composição inicial proposta para o núcleo consistia de prótons e elétrons. Com os sólidos argumentos da então nascente mecânica quântica, porém, este esquema perdeu força. A constituição do núcleo só foi elucidada com a descoberta do nêutron em 1932, por Chadwick. Caso você não saiba, o nêutron é uma partícula sem carga e tem a massa muito próxima da massa do próton. Com o nêutron, estabeleceu-se que um núcleo teria sua massa formada pela soma das massas dos prótons e nêutrons. 

Em 1919, Rutherford observou que núcleos de nitrogênio bombardeados por partículas alfa produziam prótons, o núcleo do átomo de hidrogênio. Esta foi a primeira reação nuclear estudada. Se a partícula alfa consegue vencer a repulsão coulombiana (tanto ela como o núcleo de nitrogênio tem cargas positivas) ela poderia formar um núcleo composto formado pela soma do de nitrogênio mais o de hélio e então decair num próton emitido e restando um núcleo de oxigênio. É só fazer as contas: o núcleo de nitrogênio tem 7 prótons e 7 nêutrons, a partícula alfa ou núcleo do átomo de hélio tem 2 prótons e 2 nêutrons. Pode-se dizer que estas partículas todas se fundem e num espaço de tempo muito curto formam um núcleo composto com 9 prótons e 9 nêutrons. Com a emissão de um próton restam 8 prótons no núcleo remanescente, ou seja, um núcleo de oxigênio. Se ele for estável pode-se dizer que esta reação nuclear levou à TRANSMUTAÇÃO de nitrogênio em oxigênio.

A partícula alfa usada por Rutherford provinha da radioatividade natural, cuja energia é limitada a 8 MeV (milhões de elétrons volts). Percebeu-se que projeteis com energias maiores poderiam ser ferramentas muito interessantes para se estudar o interior do núcleo atômico. A partir da década de 20 do século passado vários aceleradores de partículas, especialmente de prótons e elétrons, com energias crescentes, foram construídos, e reações nucleares em diversas condições experimentais, com várias dezenas de núcleos puderam ser estudadas, o que permitiu um melhor entendimento das propriedades dos núcleos. Quando a energia das colisões era tão alta ou maior que 1 GeV (ou 1 mil MeV), pode-se constatar que nêutrons e prótons não eram partículas elementares e sim constituídos por quarks. Estes sim partículas elementares. Abriu-se assim, uma nova área da física nuclear, onde colisões têm tanta energia que acabam que revelando um mundo novo de partículas subnucleares. Esta área da física, a das partículas elementares, se constitui numa das áreas de pesquisa mais profícuas das ultimas décadas.

Um marco na história da física nuclear foi quando o físico Enrico Fermi estava estudando um átomo Urânio-238. Este átomo sofre um decaimento alfa seguido por 2 decaimentos beta, resultando no isótopo Urânio-234. Fermi aplicou o princípio da EQUIVALÊNCIA MASSA-ENERGIA e notou que as ENERGIAS DE LIGAÇÃO (vindas da união das partículas do núcleo) dos isótopos eram diferentes. 

No final da década dos 30 observou-se que era possível fissionar alvos de urânio ao irradiá-los com nêutrons. O produto dessa reação continha elementos químicos com massa aproximadamente igual a metade daquela do urânio. 

Sabendo que a energia de ligação para cada próton ou nêutron em núcleos pesados (como o urânio) é aproximadamente igual a 0,9 MeV, a quebra de cada núcleo de urânio em dois fragmentos mais leves libera, instantaneamente, uma grande quantidade de energia para o meio. O Urânio-236, por exemplo: multiplicando 0,9 por cada um dos 236 prótons e nêutrons, teríamos uma quantidade de energia aproximadamente igual a 200 MeV.

Se fosse possível liberar essa quantidade de energia de forma lenta e controlada teríamos uma fonte de energia formidável, certo? Que poderia aquecer águas para mover turbinas e gerar energia elétrica. É exatamente isso que os reatores das usinas nucleares fazem. Por outro lado, a fissão do urânio também poderia ser usada para produzir armas. Bastaria que alguns kg de urânio liberassem toda a energia da fissão em um tempo muito curto.

AGOSTO DE 1939: a comunidade científica temia que a grande quantidade de energia gerada pela fissão do urânio pudesse ser usada por Adolf Hitler para construir uma nova bomba. Os físicos Leo Szilard, Eugene Paul Wigner e o próprio Albert Einstein, em uma carta endereçada ao presidente dos Estados Unidos, Franklin D. Roosevelt, alertavam para essa possibilidade. Einstein também  pedia para que o país tomasse medidas para adquirir estoques de minério de urânio para acelerar as pesquisas sobre a REAÇÃO NUCLEAR EM CADEIA. 

SANTOS, Carlos Alberto dos; SILVA, Leandro Londero da. A história que o filme Radioactive não conta e a percepção de alunos de licenciatura em física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 43, 2021.