fisión nuclear - Wikilingue - Encydia
Em física nuclear, a fisión é uma reacção nuclear, o que significa que tem lugar no núcleo atómico. A fisión ocorre quando um núcleo pesado se divide em dois ou mais núcleos pequenos, além de alguns subproductos como neutrones livres, fotones (geralmente raios gama) e outros fragmentos do núcleo como partículas alfa (núcleos de helio ) e beta (elétrons e positrones de alta energia).
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Mecanismo
A fisión de núcleos pesados é um processo exotérmico o que supõe que se libertam quantidades substanciais de energia. O processo gera muita mais energia que a libertada nas reacções químicas convencionais, nas que estão implicadas as cortezaselectrónicas ; a energia emite-se, tanto em forma de radiación gama como de energia cinética dos fragmentos da fisión, que aquecerão a matéria que se encontre ao redor do espaço onde se produza a fisión.
A fisión pode-se induzir por vários métodos, incluindo o bombardeio do núcleo de um átomo fisionable com uma partícula da energia correcta; a outra partícula é geralmente um neutrón livre. Este neutrón livre é absorvido pelo núcleo, fazendo-o instável (como uma pirâmide de laranjas no supermercado chega a ser instável se alguém lança outra laranja nela à velocidade correcta). O núcleo instável então partir-se-á em dois ou mais pedaços: os produtos da fisión que incluem dois núcleos mais pequenos, até sete neutrones livres (com uma média de duas e médio por reacção), e alguns fotones.
Os núcleos atómicos lançados como produtos da fisión podem ser vários elementos químicos. Os elementos que se produzem são resultado da casualidade, mas estatisticamente o resultado mais provável é encontrar núcleos com a metade de protones e neutrones do átomo fisionado original.
Os produtos da fisión são geralmente altamente radiactivos, não são isótopos estáveis; estes isótopos então decaen, mediante correntes de desintegração.
Fisión fria e rompimento de pares de nucleones
A maior parte das investigações sobre fisión nuclear baseia-se na distribuição de massa e energia cinética dos fragmentos de fisión. No entanto, esta distribuição é perturbada pela emissão de neutrones por parte dos fragmentos dantes de chegar aos detectores.
Ainda que com muito baixa probabilidade, nos experimentos detectou-se eventos de fisión fria, isto é fragmentos com tão baixa energia de excitação que não emitem neutrones. No entanto, ainda nesses casos, se observa o rompimento de pares de nucleones, a que se manifesta como igual probabilidade de obter fragmentos com número par ou ímpar de nucleones . Os resultados destes experimentos permitem compreender melhor a dinâmica da fisión nuclear até o ponto de escisión, isto é, dantes de que se desvaneça a força nuclear entre os fragmentos.
Induzindo a fisión
A fisión nuclear dos átomos foi descoberta em 1938 pelos investigadores alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann a partir do trabalho desenvolvido pelo próprio Hahn junto a Lise Meitner durante anos anteriores. Por esta descoberta Otto Hahn recebeu em 1944 o Prêmio Nobel de química, mas o trabalho de Meitner ficou sem reconhecimento. O estudo da fisión nuclear considera-se parte dos campos da química e a física.
- Ainda que a fisión é praticamente a desintegração de matéria radioactiva, começada com frequência da maneira mais fácil possível (induzido), que é a absorción de um neutrón livre, pode também ser induzida lançando outras coisas em um núcleo fisionable. Estas outras coisas podem incluir protones, outros núcleos, ou ainda os fotones de grande energia em quantidades muito altas (porções de raios gama).
- Muito rara vez, um núcleo fisionable experimentará a fisión nuclear espontánea sem um neutrón entrante.
- Quanto mais pesado é um elemento mais fácil é induzir seu fisión. A fisión em qualquer elemento mais pesado que o ferro produz energia, e a fisión em qualquer elemento mais liviano que o ferro requer energia. O contrário também é verdade nas reacções de fusão nuclear (a fusão dos elementos mais livianos que o ferro produz energia e a fusão dos elementos mais pesados que o ferro requer energia).
- Os elementos mais frequentemente usados para produzir a fisión nuclear são o urânio e o plutónio. O urânio é o elemento natural mais pesado; o plutónio experimenta desintegrações espontáneas e tem um período de vida limitado. Por conseguinte, ainda que outros elementos podem ser utilizados, estes têm a melhor combinação de abundância e facilidade de fisión.
Reacção em corrente
Uma reacção em corrente ocorre como segue: um acontecimento da fisión começa lançando 2 ou 3 neutrones em média como subproductos. Estes neutrones escapam-se em direcções a esmo e golpeiam outros núcleos, incitando a estes núcleos para experimentar a fisión. Já que a cada acontecimento da fisión lança 2 ou mais neutrones, e estes neutrones induzem outras fisiones, o processo constrói-se rapidamente e causa a reacção em corrente. O número dos neutrones que se escapam de uma quantidade de urânio depende de sua área superficial. Somente os materiais fisibles são capazes de sustentar uma reacção em corrente sem uma fonte de neutrones externa.
Massa crítica
A massa crítica é a mínima quantidade de material requerida para que o material experimente uma reacção nuclear em corrente. A massa crítica de um elemento fisionable depende de sua densidade e de sua forma física (barra longa, cubo, esfera, etc.). Já que os neutrones da fisión emitem-se em direcções a esmo, para maximizar as ocasiões de uma reacção em corrente, os neutrones deverão viajar tão longe como seja possível e dessa forma maximizar as possibilidades de que a cada neutrón choque com outro núcleo. Assim, uma esfera é a melhor forma e a pior é provavelmente uma folha alisada, já que a maioria dos neutrones voariam da superfície da folha e não chocariam com outros núcleos.
Também é importante a densidade do material. Se o material é gasoso, é pouco provável que os neutrones choquem com outro núcleo porque há demasiado espaço vazio entre os átomos e um neutrón voaria provavelmente entre eles sem golpear nada. Se o material põe-se baixo alta pressão, os átomos estarão bem mais próximos e a probabilidade de uma reacção em corrente é bem mais alta. A alta compressão pode ser atingida pondo o material no centro de uma implosión, ou lançando um pedaço dela contra outro pedaço dela muito fortemente (com um ónus explosivo, por exemplo). Uma massa crítica do material que tem começado uma reacção em corrente se diz que se converte em supercrítica.
Moderadores
Unicamente com juntar muito urânio em um só lugar não é suficiente como para começar uma reacção em corrente. Os neutrones são emitidos por um núcleo em fisión a uma velocidade muito elevada. Isto significa que os neutrones escaparão do núcleo dantes de que tenham oportunidade de golpear qualquer outro núcleo (devido a um efeito relativista).
Um neutrón de movimento lento chama-se neutrón térmico e somente esta velocidade do neutrón pode induzir uma reacção de fisión. Por conseguinte, temos quatro velocidades de neutrones:
- Um neutrón (não-térmico) rapidamente escapar-se-á do material sem a interacção;
- Um neutrón de velocidade média será capturado pelo núcleo e mudará o material em um isótopo (mas não induziria a fisión).
- Um neutrón de movimento lento (térmico) induzirá a um núcleo a que experimente a fisión.
- Um neutrón móvel realmente lento será capturado ou escapará, mas não causará fisión.
Em alguns anos dantes da descoberta da fisión, a maneira acostumada de atrasar os neutrones era fazê-los passar através de um material de importância atómico baixo, tal como um material hidrogenoso. O processo de atraso ou de moderación é simplesmente uma das colisões elásticas entre as partículas de alta velocidade e as partículas praticamente em repouso. Quanto mais parecidas sejam as massas do neutrón e da partícula pulsada, maior é a perda de energia cinética pelo neutrón. Portanto os elementos ligeiros são os mais eficazes como moderadores do neutrón.
A uns quantos físicos nos anos 30 ocorreu-se-lhes a possibilidade de misturar o urânio com um moderador: se fossem misturados correctamente, os neutrones de alta velocidade da fisión poderiam ser atrasados ao rebotar de um moderador, com a velocidade correcta, para induzir a fisión em outros átomos de urânio. As características de um bom moderador são: peso atómico baixo e baixa ou nula tendência a absorver os neutrones. Os moderadores possíveis são então o hidrógeno, helio, litio, berilio, boro e carbono. O litio e o boro absorvem os neutrones facilmente, de modo que excluem-se. O helio é difícil de utilizar porque é um gás e não forma nenhum composto. A opção de moderadores estaria então entre o hidrógeno, deuterio, o berilio e o carbono. Foram Enrico Fermi e Leó Szilárd quem propuseram primeiro o uso de grafito (uma forma de carbono) como moderador para uma reacção em corrente. O deuterio é o melhor tecnologicamente (introduzido na água pesada), no entanto o grafito é bem mais económico.
Efeitos dos isótopos
O urânio natural compõe-se de três isótopos: 234Ou (0,006%), 235Ou (0,7%), e 238Ou (99,3%). A velocidade requerida para um acontecimento de fisión contra acontecimento de captura da não-fisión é diferente para a cada isótopo.
O urânio-238 tende a capturar neutrones de velocidade intermediária criando 239Ou, que decae sem fisión a plutónio -239, que sim é fisible. Devido a sua capacidade de produzir material fisible, a este tipo de materiais costuma-se-lhes chamar fértiles.
Os neutrones de alta velocidade (52.000 km/s), como os produzidos em uma reacção de fusão tritio-deuterio, podem fisionar o urânio-238. No entanto os produzidos pela fisión do urânio-235, de até 28.000 km/s, tendem a rebotar inelásticamete com ele, o qual os desacelera. Em um reactor nuclear, o 238Ou tende, pois, tanto a desacelerar os neutrones de alta velocidade provenientes da fisión do urânio-235 como aos capturar (com a consiguiente transmutación a plutónio-239) quando sua velocidade se modera.
O urânio-235 fisiona com uma faixa bem mais ampla de velocidades de neutrones que o 238Ou. Já que o urânio-238 afecta a muitos neutrones sem induzir a fisión, ter na mistura é mau para promover a fisión. De facto, a probabilidade da fisión do 235Ou com neutrones de velocidade alta pode ser o suficientemente elevada como para fazer que o uso de um moderador seja desnecessário uma vez que se tenha tirado o 238Ou.
No entanto, o 235Ou está presente ao urânio natural em quantidades muito reduzidas (uma parte pela cada 140). A diferença relativamente pequena em massa entre os dois isótopos faz, ademais, que sua separação seja difícil. A possibilidade de separar 235Ou foi descoberta com bastante rapidez no projecto Manhattan, o que teve grande importância para seu sucesso.
Veja-se também
Enlaces externos
Wikilibros alberga um livro ou manual sobre Fisión nuclear.
- Energia nuclear: o poder do átomo
- O átomo e suas reacções
