O estudo sobre a matéria, sua constituição e características estava em crescente investigação desde o final do século XIX, seja por novas descobertas empíricas, como a dos raios-x por W. C. Röntgen, em 1895 - que abriu um novo campo de estudo; ou por formulações teóricas, como a teoria da Relatividade de A. Einstein (1905 e 1915) - que forneceu novas interpretações para o comportamento elementar (relacionando energia, massa e velocidade) e desenvolvimento técnico, com a utilização de circuitos e redes de transmissão.
O principal método para estudos das interações atômicas e nucleares se dava pelo estudo dos raios cósmicos e suas características. Este cenário começou a se modificar logo após a Segunda Guerra Mundial, com a produção artificial de uma série de partículas elementares em aceleradores, que podiam ter diversas configurações - cada uma servindo a um propósito energético e de estudos, como para aceleração de partículas pesadas (prótons, deuterons, etc) por instrumentos como o Ciclotron e o gerador Van de Graaff; ou para a obtenção de feixes de elétrons de alta energia, por instrumentos como o Betatron.
A Universidade de São Paulo, que acompanhou os avanços da física nuclear e de partículas junto com o resto do mundo, recebeu seus primeiros aceleradores na década de 1950: um acelerador de elétrons Betatron, providenciado por Marcello Damy, e um acelerador eletrostático Van de Graaff, projetado por Oscar Sala.
O acelerador Betatron de elétrons
O Betatron é um acelerador de formato toroidal, que se utiliza da Lei de Faraday (campo elétrico induzido por variação de campo magnético) para acelerar elétrons em órbita circular.
Desde o fim da década de 1920, pensava-se em acelerar elétrons através da indução magnética, porém, apenas na década de 1940, foi construído o primeiro modelo para um acelerador de elétrons por indução magnética, o Betatron (cujo nome se deve ao tipo de partículas que acelera, elétrons, que quando a velocidades muito altas, são chamados de partículas beta ou radiação beta), desenvolvido pelo físico estadunidense Donald Kerst (1911-1993), na Universidade de Illinois. No Betatron, Kerst foi capaz de produzir elétrons de até 2,3 MeV de energia. Seu sucesso da produção de elétrons dentro de um acelerador com uso da indução magnética deveu-se a seus fortes estudos nessa área e à cautela no projeto do acelerador.
Após ser desenvolvido, o Betatron foi rapidamente colocado em uso na indústria, na medicina e na pesquisa em Física Nuclear. Kerst firmou acordos com a General Electric Company, e projetou, junto com sua equipe de engenheiros, um Betatron de 20 MeV e outro de 100 MeV, ambos utilizados para fins comerciais. A produção comercial de Betatrons de energia na escala de 20 MeV não se deu apenas por esta companhia, mas foi feita também pelas empresas estadunidenses Westinghouse e Allis-Chalmers e pela Philips de Eindhoven.
Em 1945, Marcello Damy de Souza Santos foi para a Faculdade de Illinois, EUA, trabalhar com Kerst e aprender a operar e construir um Betatron. Em 1950, com apoio da Comissão Americana de Energia Atômica, onde atuou o físico estadunidense R. G. Herb; verbas da Fundação Rockefeller e um prédio erguido com financiamentos dos Fundos Universitários de Pesquisas, foi construído um Betatron na Cidade Universitária Armando Salles de Oliveira, sendo um dos primeiros prédios da USP, no Campus Butantã.
Figura 1: Construção do prédio do Betatron em 1950. Foto do Acervo IFUSP.
O acelerador Betatron da USP, foi utilizado em diversas pesquisas nos mais variados campos, desde agronomia, p.e. com efeitos da radiação em sementes; no estudo de reações fotonucleares, funcionando por mais de 20 anos até sua substituição pelo acelerador linear pela Universidade de Stanford, em 1968.
Figura 2: O acelerador Betatron. José Goldemberg ao fundo. Foto do Acervo IFUSP.
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O acelerador eletrostático Van de Graaff
O gerador van de Graaff, um arranjo mecânico para produzir alta diferença de potencial, foi inventado pelo engenheiro americano Robert J. Van de Graaff por volta de 1929, e aperfeiçoado por muitos pesquisadores. Geradores de milhares de volts são usados para demonstrações em laboratórios de ensino. Geradores de grande porte, que atingem milhões de volts (MeV), começaram a ser usados a partir dos anos 1930 como aceleradores de partículas para pesquisas em Física Nuclear. Esses geradores também foram usados na produção de radiações para finalidades médicas e estudos de materiais.
Em 1948, o Departamento de Física da USP decidiu ter um acelerador eletrostático Van de Graaff, incumbindo Oscar Sala do assunto. Na Universidade de Wisconsin, sob orientação do físico estadunidense Raymond G. Herb, ele projetou a máquina que seria construída na USP com uma diferença de potencial de até 3,5 milhões de volts.
O gerador Van de Graaff começou a ser construído em 1951, e finalizado em 1954, com verbas recebidas da Fundação Rockefeller, do Fundo de Pesquisas da USP e de verbas de outros organismos norte-americanos. A construção do acelerador, sob coordenação de Sala e sua equipe, contou com a participação do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), do Instituto de Eletrotécnica (IE) da USP, e de setores do parque industrial paulista.
Permaneceu ativo até o início dos anos 1970, ajudando a formar uma geração valiosa de físicos. Foi utilizado em pesquisas sobre reações nucleares induzidas por prótons e deuterons. Em 1972, a pesquisa nuclear no IFUSP passou a ser feita com um acelerador Pelletron; o acelerador Van de Graaff foi desmontado, mas o prédio preserva seu nome.
Figuras 3 e 4: Fotos da montagem do terminal de alta tensão do acelerador Van de Graaff. Acervo IFUSP
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