Fissão e fusão nuclear resumo

Fissão e fusão nuclear

Várias armas do terrorismo preocupam a comunidade internacional. Uma delas seria a "bomba suja": uma bomba suja é um artefato explosivo, que emprega dinamite, com um material radioativo (pó ou líquido), para que, após a explosão, haja dispersão de radioatividade.

Mas o que está por trás de uma terrível ameaça como essa?

Todo elemento químico com número atômico acima de 84 é naturalmente radioativo. Todo elemento químico com número atômico acima de 84 tende a se transformar naturalmente no elemento chumbo.

Ou seja, o elemento urânio 235, depois de algum tempo (algo na casa de dezenas de bilhões de anos), acabará se transformando em chumbo.

Ao se colocar material radioativo sobre uma chapa fotográfica, ela fica velada, ou seja, algum tipo de energia a atingiu. Foi assim que se descobriu a radioatividade.

Ao se analisar uma amostra de um elemento radioativo (por exemplo, o material que deu o nome ao fenômeno, o rádio - Ra), observam-se três tipos de emissão:

a) Partículas alfa: são corpusculares, de carga positiva e de alta velocidade (30.000 km/s);

b) Partículas beta: são também corpusculares (elétrons), de carga negativa e de altíssimas velocidades;

c) raios gama: são de caráter eletromagnético (ondas), sem carga e de grande poder de penetração.

Essas emissões causam sérios problemas aos seres vivos, chegando a matá-los. Muitos dos primeiros pesquisadores da radioatividade, tornaram-se suas vítimas, como aconteceu com a cientista Marie Curie, que morreu de leucemia provocado pela exposição excessiva à radiação.

Se elementos naturalmente radioativos já são perigosos, imagine elementos que tiveram sua radioatividade artificialmente aumentada.

Acidentes com a radioatividade

Sempre que se fala em vítimas de radioatividade é inevitável a referência a Hiroshima e Nagasaki, as cidade japonesas que se tornaram alvo das primeiras bombas atômicas na Segunda Guerra Mundial.

O número de vítimas das bombas atômicas em Hiroshima e Nagasaki e nos acidentes com radioatividade em geral são de difícil contagem, pois, as vítimas que recebem menor radiação e morrem depois de anos, por câncer, por exemplo, podem ou não ser incluídas nas contagens oficiais.

Vítimas do vazamento de césio-137, em Goiânia, ainda sofrem
com preconceito (Foto: Reprodução /TV Globo).

O acidente de Goiânia, em 13 de setembro de 1987, segundo algumas estimativas, pode ter afetado dezenas de milhares de pessoas, enquanto a bomba de Hiroshima vitimou centenas de milhares de pessoas.

A bomba de Hiroshima possuía 10 kg de Urânio 235 enquanto o acidente em Goiânia foi causado por 19,26 g de cloreto de Césio 137.

Em Goiânia, a causa do acidente foi uma cápsula de Césio usada para tratamento de câncer que foi abandonada em um prédio. Um catador de lixo levou-a para casa e a base de marretadas consegui abri-la. Como "a coisa" brilhava no escuro, tornou-se alvo de curiosidade dele e de muitos vizinhos. Sua filha pequena chegou a engolir o material, vindo a falecer pouco tempo depois.

Para o mal

Imagine o acidente de Goiânia acontecendo no centro de São Paulo ou Rio de Janeiro. Você sabia que, no Brasil, existem um número muito grande de cápsulas com material radioativo em utilização neste momento?

Mas não precisa se preocupar as rigorosas autoridades brasileiras possuem total controle sobre todas elas. Aliás, essas notícias que periodicamente você escuta por aí sobre roubos de carros com essas cápsulas, normalmente são fantasiosos e o ladrão está mais interessado no carro do que no material radioativo, é claro.

Ou seja, em países que não o Brasil, existem falhas de segurança que possibilitam aos interessados conseguir material radioativo para a construção de uma bomba suja.

Para o bem

Convém lembrar que essas cápsulas não geram somente destruição nem causam problemas. Ao contrário, elas estão em funcionamento exatamente para o seu uso industrial (gamagrafia), medicinal (tratamento de câncer, diagnósticos com contrastes radioativos etc.), agricultura etc.

Muitas vidas já foram salvas com a sua utilização. O que é absolutamente necessário é um controle maior da segurança com esse material, não só aqui, mas em todo o mundo. 

BOMBAS NUCLEARES

Nagasaki depois da explosão da bomba nuclear
(Foto: US Army)

As bombas nucleares, ou superbombas, podem ser de dois tipos: as bombas de fissão e as de fusão. Para compreender como elas funcionam, é preciso, antes de mais nada, conhecer o conceito que segue:

Isótopo

Isótopos são átomos de um elemento químico que possuem, em seu núcleo, um número de nêutrons diferente do elemento original. Assim, o urânio tem uma massa atômica 238, sendo o seu isótopo o U-235 - o que significa que em seu núcleo possui três nêutrons a menos.

A partir disso, pode-se compreender as superbombas.

Bomba de fissão

O termo fissão significa quebra. Então, na bomba de fissão, ou bomba atômica, o núcleo de um átomo se rompe.

O isótopo de urânio 235, por ter três nêutrons a menos, captura nêutrons livres que se tornam altamente instáveis. Esta instabilidade é tamanha que ele se quebra em dois outros (bário e criptônio) e libera três nêutrons, gerando uma quantidade enorme de energia.

Esses três nêutrons tendem a romper outros três núcleos, os quais libertarão nove nêutrons, que libertarão 27 e, assim, sucessiva e exponencialmente. Se essa reação for muito rápida, ocorre uma grande explosão.

Massa crítica

Como o urânio 235 é muito instável, a simples concentração de uma quantidade (por volta de 3,5 quilos) pode iniciar essa reação. A essa massa mínima, suficiente para iniciar o processo, dá-se o nome de massa crítica.

A simples obtenção de massa crítica não necessariamente a fará explodir, mas a sua temperatura pode alcançar milhares de graus e, como numa bomba, acontecerão emissões alfa, beta e gama.

Bomba de fusão

A fusão significa a união de dois ou mais núcleos, resultando em um novo elemento mais pesado. Quando isso acontece, o novo elemento formado é mais estável, daí a grande liberação de energia.

Quando dois isótopos de hidrogênio se fundem formam um átomo de hélio. Esta reação é a responsável pela energia do Sol e das maiorias das estrelas. Dá para imaginar a sua potência, não é?

Para o início de uma reação como essa, necessita-se de altas pressões e altas temperaturas. No Sol, isso é conseguido pela enorme massa dele mesmo, que provoca altíssimas pressões, e pela continuidade das reações de fusão.

Na bomba H, essas pressões e temperaturas são obtidas com a detonação de uma bomba de fissão, que é o detonador. A bomba de hidrogênio é mil vezes mais potente que a de urânio.

A energia de fissão nuclear

A energia de fissão nuclear já foi domada e pode servir para fins pacíficos, como a produção de energia elétrica. Já a energia de fusão ainda está em estudos, embora muito provavelmente também possam se adequar às mesmas finalidades.

Reatores de fusão já estão em funcionamento dentro de laboratórios, só que a energia gasta para o controle da fusão é maior que a energia aproveitada. Ou seja, na relação custo x benefício, elas ainda deixam a desejar.

O projeto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) do qual participam Rússia, Estados Unidos, União Européia (UE), China, Japão e Coréia do Sul, pretende construir na cidade francesa de Cadarache, o primeiro reator sustentável. A China, apesar de participar do ITER, anunciou recentemente que os testes de seu reator próprio (EAST) foram um sucesso.

MATÉRIA e ANTIMATÉRIA

Época de terrorismo internacional, todas as armas estão na lista das prováveis ameaças: explosivos plásticos, armas químicas, artefatos nucleares, bomba radioativa suja (uma bomba normal, mas que contém material radioativo liberado ao explodir) etc.

De repente, surge um best-seller que fala sobre nada menos do que uma bomba de antimatéria (Anjos e Demônios, de Dan Brown). Será que uma coisa assim seria possível?

De acordo com a obra, uma bomba contendo ¼ de grama (na versão em português do livro) de antimatéria ameaça explodir a Cidade do Vaticano durante um conclave para eleger um novo papa.

Não se preocupe! Aqui não se revelará o fim da história, mas simplesmente explicar se um ato como esse é possível.

Só para dar uma idéia inicial, a bomba de Hiroshima, sempre tomada como referência nesses casos, tinha 3,2 m de comprimento, 75 cm de diâmetro e 4300 kg de peso, mas o tamanho do explosivo era de aproximadamente 10 kg de urânio 235. Sua potência foi de 20 kilotons. O resultado trágico de sua explosão é bastante conhecido. 

Acelerador de partículas ionizadas

Imagine o seguinte experimento:

a) Pegue um fio de cobre e enrole em torno de um cano de plástico, formando uma bobina, segundo o esquema abaixo (em corte transversal):



b) Ligue as duas pontas do fio em uma fonte de energia elétrica.

Dentro do tubo vai se formar um campo magnético. Agora imagine que se coloque dentro dele um íon positivo (por exemplo, um átomo de hidrogênio sem o seu elétron) e suponha que - por causa da direção de enrolamento da bobina - esse íon seja impulsionado para a direita, pois uma partícula com carga (íon) dentro de um campo magnético sofre a ação de uma força. Resultado: temos um pequeno canhão de íons. 

c) Coloque agora duas placas na saída do seu canhão, uma positiva e outra negativa.



Como a carga do íon é positiva, ele será atraído pela placa negativa na sua passagem. Logo, terá a sua trajetória desviada para cima. Imagine agora que haja uma placa de detecção em sua trajetória e que a mesma seja sensível ao impacto. Acabou-se de fabricar um acelerador de partículas ionizadas.



Obs.: Troque o íon de hidrogênio por elétrons e a placa de detecção por um vidro coberto por uma substância que acende quando do impacto e você terá um tubo de imagem de televisão.

O CERN e o Large Hadron Collider (LHC)

Se entre a bobina e as placas de desvio for colocada uma placa de impacto de tungstênio suficientemente grossa para "quebrar" o íon, mas suficientemente fina para, após o impacto, deixar passar os elementos que formavam o íon, pode-se detectar a carga e a massa de cada elemento.



Pela intensidade da energia de impacto na placa de detecção determina-se a massa da partícula.

Se o impacto for no meio da placa de detecção a partícula não sofreu interferência das placas (negativa e positiva). Logo, não possui carga elétrica. Se o impacto for detectado na parte superior, a partícula tem carga positiva e, se na parte inferior, carga negativa.

Se a bobina do esquema tiver aproximadamente 150 km de comprimento num formato de circunferência com 27 km de diâmetro, a 100 m debaixo da terra e uma energia suficiente para acelerar a partícula em velocidades perto de 300.000 km/s (quase a velocidade da luz) você terá o LHC do CERN (Centro Europeu de Pesquisas Nuclear), mencionado no livro, que será o maior acelerador de partículas do mundo, quando ficar pronto.

Só houve um problema até agora, na experiência com o íon de hidrogênio que só tem um próton: quando o íon é destruído, uma partícula bate na parte superior e outra com a mesma intensidade (massa) bate na parte inferior da placa de detecção. Isso mostrou que, ao íon ser desintegrado, aparece um antipróton, que se desintegra em contato com qualquer matéria, sobrando somente energia.

A antimatéria foi prevista pela Teoria Quântica (Max Planck e Werner Heisenberg) e comprovado por Carl Anderson experimentalmente.

Numa explicação bem simplificadora, a antimatéria é a matéria com as cargas elétricas trocadas. No anti-hidrogênio existe um antielétron de pequena massa e carga positiva orbitando em torno de um antipróton de massa 1 e de carga negativa.

Cálculo da energia da suposta bomba de antimatéria
Um kiloton é o equivalente a explosão de 1.000 toneladas de TNT, e corresponde a 4,2 x 10¹²joules.

Nota 1: uma lâmpada de 60 watts consome 60 joules por segundo.

Nota 2: a notação 4,2 x 10¹² significa 4,2 seguidos de 12 zeros 42.000.000.000.000.

Uma grama é 0,001 kg e a velocidade da luz é 300.000.000 m/s. Usando a famosa fórmula de Einstein E = mc² temos:



Se 4,2 x 10¹² J é igual a 1 kiloton, então a potência da bomba seria 21,4 kilotons. Mas, ao ser desintegrado, um grama de antimatéria desintegra junto um grama de matéria, logo serão 42,8 kilotons.

Como no livro foram usados ¼ de grama de antimatéria, a potência da bomba seria de aproximadamente 10 Kilotons. Uma bela explosão para ¼ grama se comparada aos 10 kg de urânio 235 da bomba de Hiroshima...

O único problema é que a antimatéria é muitíssimo instável. Sua armazenagem custaria muita energia e seria inviável transportá-la da Suíça para a Cidade do Vaticano.

Outro aspecto a considerar é que, segundo o site do CERN, eles produzem normalmente antimatéria à razão de 107 antiprótons por segundo. Como um grama de antimatéria possui 6 x 10^{(23 - 7)} = 6 x 10¹⁶ antiprótons seriam necessários 6 x 10²³ x 10⁷ segundos para se produzir um grama. Ou seja, aproximadamente, 2 bilhões de anos!

Para ver os fenômenos de fusão e fissão nuclear em ação, assista:

Questões sobre fusão e fissão nuclear

1) A energia lançada no espaço pelo Sol:

a) provém das reações nucleares que ocorrem em seu interior por causa da alta pressão e da temperatura.
b) ocorrem na superfície.
c) ocorrem na fotosfera.
d) ocorrem na cromosfera.
e) não ocorrem no Sol.


2) Calcule a energia nuclear liberada numa reação em cadeia de um mol de átomos de urânio (dado: 1 mol = 6 x 1023 átomos).

a) 2,2 x 1012 J
b) 3,8 x 1014 J
c) 1,92 x 1013 J
d) 5,47 x 1011J
e) 1,6 x 1019 J

3) (UFRS) Assinale a alternativa que preenche corretamente a lacuna do parágrafo abaixo.

O Sol é a grande fonte de energia para toda a vida na Terra. Durante muito tempo, a origem da energia irradiada pelo Sol foi um mistério pra a humanidade. Hoje, as modernas teorias de evolução das estrelas nos dizem que a energia irradiada pelo Sol provém de processos de _______ que ocorrem no seu interior, envolvendo núcleos de elementos leves.

a) espalhamento
b) fusão nuclear
c) fissão nuclear
d) fotossíntese
e) combustão

4) O que acontece com o número atômico ( Z ) e o número de massa ( A ) de um núcleo radiativo quando ele emite uma partícula alfa ?

a) Z diminui em uma unidade e A aumenta em uma unidade.
b) Z aumenta em duas unidades e A diminui em quatro unidades.
c) Z diminui em duas unidades e A diminui em quatro unidades.
d) Z diminui em duas unidades e A aumenta em quatro unidades.
e) Z aumenta em duas unidades e A aumenta em quatro unidades.

5)  Quando um átomo emite uma partícula alfa e, em seguida, duas partículas beta, os átomos inicial e final:

a) têm o mesmo número de massa.

b) são isótopos radioativos.

c) não ocupam o mesmo lugar na tabela periódica.

d) possuem números atômicos diferentes.

e) são isóbaros radioativos.

6) (FEPECS DF/2006) 

“No coração das estrelas ocorre a fusão do hidrogênio em outros elementos. As enormes pressões geram temperaturas de dezenas de milhares de graus, que causam reações capazes de fundir prótons com prótons, formando, como num jogo de lego, outros elementos. Nas estrelas como o Sol, a fusão vai até o carbono e oxigênio. Nas mais pesadas, até o ferro. São elas as fornalhas alquímicas do cosmo.” 

ALQUIMIA CÓSMICA, Marcelo Gleiser Folha de 

São Paulo, Caderno Mais, 18/09/2005. 

Segundo o texto um elemento que NÃO devemos encontrar no Sol é o: 

a) hélio;             b) nitrogênio;             c) boro;          d) cloro;               e) lítio

7) Um elemento químico radioativo submete-se à seguinte série de desintegrações:

X à Y à Z à W

por emissão, respectivamente, de partículas beta, beta e alfa. São isótopos: 

a) X e Y.

b) X e W.

c) Y e Z.

d) Y e W.

e) Z e W.

8) Entende-se por radiação gama:

a) partículas constituídas por 2 prótons e 2 nêutrons.
b) partículas constituídas por núcleos do elemento hélio , He.
c) ondas eletromagnéticas emitidas pelo núcleo , como conseqüência da emissão de partículas alfa e beta.
d) partículas constituídas por elétrons , como conseqüência da desintegração neutrônica.
e) partículas sem carga e massa igual à do elétron.

9) Na família radioativa natural do tório, parte-se do tório, ₉₀Th²³², e chega-se no ₈₂Pb²⁰⁸. Os números de partículas alfa e beta emitidas no processo são, respectivamente: 

a) 1 e 1.
b) 4 e 6.
c) 6 e 4.
d) 12 e 16.
e) 16 e 12.

10) Quando um átomo do isótopo 228 do tório libera uma partícula alfa, transforma-se em um átomo de rádio, de acordo com a equação a seguir:

_xTh²²⁸ à ₈₈Ra^y + alfa

Os valores de x e y são, respectivamente:

a) 90 e 224.
b) 88 e 228.
c) 89 e 226.
d) 91 e 227.
e) 92 e 230.
Gabarito:

1) A   2) Lembrando que cada átomo de urânio que sofre fissão nuclear libera 3,2 x 10-11 J, então temos:

E = 6 x 1023 x 3,2 x 10-11

E = 1,92 x 1013 J

3) B    4) C    5) B    6) D   7) B   8) C   9) C   10) A