17. Espectroscópio de bolso

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17. Espectroscópio de bolso

ANTES DA GUERRA sempre celebrávamos a noite de Guy Fawkes com fogos de artifício. Os fogos de bengala, de centelhas verdes ou vermelhas, eram meus favoritos. O verde, minha mãe explicou, provinha de um elemento chamado bário, e o vermelho, do estrôncio. Eu, na época, não fazia ideia do que fossem bário e estrôncio, mas seus nomes, como suas cores, caram gravados em minha mente.

Quando minha mãe percebeu quanto aquelas luzes me fascinavam, mostrou-me como fazer a chama do gás do fogão subitamente fulgurar num amarelo-brilhante atirando-lhe um punhado de sal — isso era causado pela presença de outro elemento, o sódio (até os romanos, ela contou, o haviam usado para dar às suas fogueiras e chamas uma cor mais viva). Assim, em certo sentido, fui apresentado aos “testes de chama” mesmo antes da guerra, mas só alguns anos depois, no laboratório do tio Dave, aprendi que eles eram uma parte essencial da vida química, um modo instantâneo de detectar certos elementos, mesmo na presença de quantidades minúsculas.

Bastava pôr uma quantidade mínima do elemento ou um de seus compostos em um gancho de o de platina e levar o gancho à chama incolor de um bico de Bunsen para ver as colorações produzidas. Estudei todo um conjunto de cores de chama. Havia a chama azul-celeste produzida pelo cloreto de cobre. E havia a luz azul — a luz azul “venenosa”, como eu a considerava — produzida pelo chumbo, arsênio e selênio. Havia numerosas chamas verdes: uma verde-esmeralda, obtida com a maioria dos outros compostos de cobre, uma verde-amarelada, com compostos de bário e também com alguns compostos de boro — o borano, híbrido de boro, era altamente in amável e produzia uma estranha e singular chama esverdeada. Havia as chamas vermelhas: a chama carmesim de compostos de lítio, a escarlate, do estrôncio, a vermelho-pardacenta, do cálcio. (Li depois que o rádio também dava uma cor avermelhada às chamas, mas isso, obviamente, nunca seria visto. Imaginei essa chama com um fulgor resplandecente, uma espécie de vermelho nal e fatal. O químico que a viu pela primeira vez, imaginei, cou cego logo em seguida, e o vermelho radioativo do rádio, destruidor da retina, foi a última coisa que ele viu.)

Esses testes de chama eram muito sensíveis — muito mais do que muitas reações químicas, os testes “molhados” que também eram feitos para analisar substâncias — e reforçavam a noção de que os elementos eram fundamentais, pois retinham suas propriedades únicas independentemente de como fossem combinados. O sódio podia dar a impressão de “perder-se” quando combinado ao cloro para formar sal — mas a reveladora presença do amarelo do sódio no teste de chama servia para nos lembrar de que ele ainda estava lá.

Tia Len dera-me o livro The stars in their courses, de James Jeans, em meu décimo aniversário, e eu cara inebriado com a jornada imaginária ao centro do Sol descrita por Jeans e com sua menção casual de que o Sol continha platina, prata e chumbo, a maioria dos elementos que temos na Terra.

Quando mencionei isso a tio Abe, ele decidiu que chegara a hora de eu aprender sobre espectroscopia. Deu-me um livro de 1873, The spectroscope, escrito por J. Norman Lockyer, e me emprestou um pequeno espectroscópio. O livro de Lockyer trazia ilustrações encantadoras mostrando vários espectroscópios e espectros, além de barbudos cientistas vitorianos de sobrecasaca examinando chamas de vela com o novo aparelho; com ele adquiri uma noção muito pessoal da história da espectroscopia, desde os primeiros experimentos de Newton até as observações pioneiras dos espectros do Sol e das estrelas feitas pelo próprio Lockyer.

A espectroscopia, com efeito, começara no céu, quando Newton decompôs a luz solar usando um prisma, em 1666, demonstrando que ela se compunha de raios “diferentemente refrangíveis”. Newton obteve o espectro solar como uma faixa luminosa contínua de cores que iam do vermelho ao violeta, como um arco-íris. Cento e cinquenta anos depois, Joseph Fraunhofer, jovem óptico alemão, usando um prisma muito mais preciso e uma fenda estreita, pôde ver que todo o comprimento do espectro de Newton era interrompido por curiosas linhas escuras, “um número in nito de linhas verticais de espessuras diferentes” (ele por m conseguiu contar mais de quinhentas).

Era preciso uma luz brilhante para obter um espectro, mas não tinha de ser a luz do Sol. Podia ser a luz de uma vela, de um re etor ou as chamas coloridas dos metais alcalinos ou alcalinoterrosos. Nas décadas de 1830 e 1840 esses tipos de luz também estavam sendo examinados, e um tipo totalmente diferente de espectro foi visto. Enquanto a luz solar produzia uma faixa luminosa contendo todas as cores espectrais, a luz de sódio vaporizado produzia apenas uma linha amarela, uma linha muito estreita e brilhante, contrastando com um fundo negro como o carvão. O mesmo se dava com os espectros de chama do lítio e do estrôncio, só que estes apresentavam numerosas linhas brilhantes, principalmente na parte vermelha do espectro.

Qual era a origem das linhas escuras vistas por Fraunhofer em 1814? Teriam alguma relação com as brilhantes linhas espectrais dos elementos in amados? Essas questões surgiram em muitas mentes da época, mas só foram respondidas em 1859, quando o jovem físico alemão Gustav Kirchhoff uniu suas forças às de Robert Bunsen. Na época, Bunsen era um químico eminente e um inventor prolí co — inventara os fotômetros, os calorímetros, a pilha de carbono-zinco (ainda usada, com ín mas mudanças, nas baterias que desmontei na década de 1940) e, evidentemente, o bico de Bunsen, que ele aperfeiçoara para poder investigar melhor os fenômenos das cores. Formavam um par ideal — Bunsen, um soberbo experimentalista, prático, tecnicamente brilhante, inventivo; e Kirchhoff, com uma capacidade para a teorização e uma facilidade para a matemática que talvez faltassem a Bunsen.

Em 1859, Kirchhoff fez um experimento simples e primorosamente concebido, mostrando que os espectros de linhas brilhantes e linhas escuras — espectros de emissão e de absorção — eram um só, opostos correspondentes do mesmo fenômeno: a capacidade dos elementos de emitir luz de comprimento de onda característico quando vaporizados, ou de absorver luz exatamente do mesmo comprimento de onda quando iluminados. Assim, a linha característica do sódio podia ser vista quer como uma linha amarela brilhante em seu espectro de emissão, quer como uma linha escura exatamente na mesma posição em seu espectro de absorção.

Direcionando seu espectroscópio para o Sol, Kirchhoff percebeu que uma das inúmeras linhas escuras de Fraunhofer no espectro solar cava exatamente na mesma posição que a brilhante linha amarela do sódio, e que o Sol, portanto, seguramente continha sódio. Na primeira metade do século XIX julgava-se, em geral, que nunca saberíamos coisa alguma sobre as estrelas além do que pudesse ser obtido com a observação simples — que sua composição e química, em especial, permaneceriam eternamente desconhecidas; assim, a descoberta de Kirchhoff causou

grande assombro.1

Kirchhoff e outros (especialmente o próprio Lockyer) identi caram então numerosos outros elementos terrestres no Sol, e assim o mistério de Fraunhofer — as centenas de linhas pretas no espectro solar — pôde ser compreendido: aquelas linhas correspondiam aos espectros de absorção desses elementos nas camadas mais externas do Sol, quando eram transiluminadas de dentro para fora. Por outro lado, foi predito que um eclipse solar, com o brilho central do Sol obscurecido e estando visível apenas sua coroa brilhante, produziria fascinantes espectros de emissão correspondentes às linhas escuras.

Com a ajuda do tio Abe — que tinha um pequeno observatório no telhado de sua casa e mantinha um de seus telescópios ligado a um espectroscópio —, vi tudo isso pessoalmente. Todo o universo visível — planetas, estrelas, galáxias distantes — prestava-se à análise espectroscópica, e senti um prazer inebriante, quase extático, ao ver elementos terrestres conhecidos lá no espaço, ao ver o que eu antes soubera apenas intelectualmente: que os elementos não eram somente terrestres, mas cósmicos; que eram, de fato, as unidades constitutivas do universo.

Nessa etapa, Bunsen e Kirchhoff desviaram sua atenção do céu para ver se conseguiam encontrar elementos novos ou não descobertos na Terra usando sua nova técnica. Bunsen já observara o grande poder do espectroscópio para decompor misturas complexas — para fornecer, efetivamente, uma análise óptica de compostos químicos. Se o lítio, por exemplo, estivesse presente em pequenas quantidades junto com o sódio, não havia um modo de detectá-lo na análise química convencional. Tampouco as cores de chama ajudariam nesse caso, pois a chama amarela brilhante do sódio tendia a ofuscar as demais cores de chama. Mas com um espectroscópio, o espectro característico do lítio podia ser visto de imediato, mesmo se estivesse misturado a uma quantidade de sódio 10 mil vezes mais pesada.

Isso permitiu a Bunsen demonstrar que certas águas minerais ricas em sódio e potássio também continham lítio (o que era totalmente ignorado, pois até então as únicas fontes haviam sido certos minerais raros). Conteriam outros minerais alcalinos? Quando Bunsen concentrou sua água mineral, reduzindo seiscentos quintais (aproximadamente 44 toneladas) a alguns litros, ele viu, entre as linhas de muitos outros elementos, duas notáveis linhas azuis, muito próximas, que nunca tinham sido vistas antes. Aquela poderia ser a assinatura de um novo elemento, ele pressentiu. “Eu o chamarei de césio, por sua bela linha espectral azul”, ele escreveu, anunciando sua descoberta em novembro de 1860.

Três meses depois, Bunsen e Kirchhoff descobriram outro novo metal alcalino, que denominaram rubídio, pelo “magní co vermelho-escuro de seus raios”.

Poucas décadas após as descobertas de Bunsen e Kirchhoff, haviam sido descobertos mais vinte elementos com a ajuda da espectroscopia — índio e tálio (também batizados em alusão às suas linhas espectrais de cores brilhantes), gálio, escândio e germânio (os três elementos que haviam sido preditos por Mendeleiev), todos os elementos de terras-raras remanescentes e, na década de 1890, os gases inertes.

Mas talvez a história mais fascinante de todas, certamente a que mais atraía um garoto como eu, estava relacionada à descoberta do hélio. Foi o próprio Lockyer quem conseguiu ver, durante um eclipse solar em 1868, uma linha amarela brilhante na coroa do Sol, uma linha próxima mas claramente distinta das linhas amarelas do sódio. Ele supôs que essa nova linha deveria pertencer a um elemento desconhecido na Terra, e lhe deu o nome de hélio (atribuiu-lhe o su xo dos metais porque supôs que se tratasse de um elemento dessa categoria). A descoberta causou espanto e empolgação; chegou-se a especular que talvez cada estrela possuísse seus próprios elementos especiais. Só 25 anos mais tarde se constatou que certos minerais terrestres (urânio) continham um estranho gás, leve, que se desprendia facilmente, e quando esse gás foi submetido à espectroscopia, revelou ser o mesmo hélio.

O prodígio da análise espectral, uma análise à distância, também teve ressonâncias literárias. Eu lera Our mutual friend (escrito em 1864, apenas quatro anos depois de Bunsen e Kirchhoff terem inaugurado a espectroscopia), livro no qual Dickens imaginou um “espectroscópio moral” que permitia aos habitantes de galáxias e estrelas remotas analisar a luz proveniente da Terra e avaliar o bem e o mal, o espectro moral de seus habitantes.

“Não duvido”, escreveu Lockyer no nal de seu livro, “que, com o passar do tempo [...] o espectroscópio se tornará um companheiro que cada um de nós carregará no bolso.” Um pequeno espectroscópio tornou-se meu companheiro constante, meu analisador instantâneo do mundo, sacado em todo tipo de ocasião: para examinar as novas luzes

uorescentes que começavam a aparecer nas estações de metrô

londrinas, para analisar soluções e chamas em meu laboratório ou as chamas de carvão e gás em casa.

Também explorei os espectros de absorção de todo tipo de compostos, de soluções inorgânicas simples a sangue, folhas, urina e vinho. Maravilhei-me ao descobrir quanto o espectro do sangue era característico, mesmo quando seco, e que uma quantidade minúscula bastava para analisá-lo dessa maneira — era possível identi car uma tênue mancha de sangue de mais de cinquenta anos e distingui-la de uma mancha de ferrugem. As possibilidades forenses desse fato deram-me o que pensar: será que Sherlock Holmes, nas investigações químicas, também teria usado um espectroscópio? (Eu gostava muito das histórias de Sherlock Holmes, e mais ainda das do professor Challenger que Conan Doyle escreveu posteriormente — identi cava-me com Challenger; com Holmes eu não conseguia me identi car. Em A nuvem da morte, a espectroscopia tem um papel crucial, pois é uma mudança nas linhas do espectro solar de Fraunhofer que alerta Challenger para a aproximação de uma nuvem venenosa.)

Mas era para as linhas brilhantes, as cores vivas, os espectros de emissão que eu sempre voltava. Recordo-me de ir a Piccadilly Circus e Leicester Square com meu espectroscópio de bolso e examinar as novas lâmpadas de sódio que estavam sendo usadas na iluminação das ruas, os anúncios escarlate de neônio e as outras lâmpadas de enchimento gasoso — amarelas, azuis, verdes, conforme o gás usado — que, depois do longo blecaute da guerra, mergulhavam o West End em um esplendor de luzes coloridas. Cada gás, cada substância, tinha seu próprio espectro único, sua assinatura.

Bunsen e Kirchhoff haviam conjecturado que a posição das linhas espectrais não era apenas uma assinatura exclusiva de cada elemento, mas também uma manifestação de sua natureza essencial. Pareciam ser “uma propriedade de natureza imutável e fundamental, como a do peso atômico”; de fato, uma manifestação — até então hieroglí ca e indecifrável — de sua própria constituição.

A própria complexidade dos espectros (o do ferro, por exemplo, continha várias centenas de linhas) levava a pensar que os átomos não poderiam ser as pequeninas e densas massas imaginadas por Dalton, que se distinguiam por seu peso atômico e por quase mais nada.

Um químico, W. K. Clifford, escrevendo em 1870, expressou essa complexidade em uma metáfora musical:

[...] um piano de cauda há de ser um mecanismo muito simples se

comparado a um átomo de ferro. Pois no espectro do ferro existe uma

riqueza quase incontável de linhas brilhantes separadas, cada qual

correspondendo a um nítido período de nido de vibração do átomo

de ferro. Em vez das cento e tantas vibrações de som que um piano de

cauda pode emitir, o átomo de ferro individual parece emitir milhares

de vibrações de luz de nidas.

Na época surgiram diversas imagens e metáforas musicais desse tipo, todas relacionadas às proporções, aos harmônicos que pareciam esconder-se nos espectros e à possibilidade de expressá-los em uma fórmula. A natureza desses “harmônicos” permaneceu obscura até 1885, quando Balmer conseguiu descobrir uma fórmula relacionando a posição das quatro linhas no espectro visível do hidrogênio, uma fórmula que lhe permitiu predizer corretamente a existência e a posição de linhas adicionais no ultravioleta e no infravermelho. Balmer também fez analogias musicais, e se perguntou se seria “possível interpretar as vibrações das linhas espectrais individuais como harmônicos, por assim dizer, de uma tônica especí ca”. De imediato se reconheceu que Balmer estava aludindo a algo fundamentalmente importante, e não a alguma superstição numerológica, mas as implicações de sua fórmula eram absolutamente enigmáticas, tão enigmáticas quanto a descoberta, por Kirchhoff, de que as linhas de emissão e absorção dos elementos eram as mesmas.

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