Reação nuclear
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- Faculdade de Ciências da Universidade do Porto
Referência Ribeiro, D., (2015) Reação nuclear, Rev. Ciência Elem., V3(3):180
DOI http://doi.org/10.24927/rce2015.180
Palavras-chave nucleossíntese estelar, estrelas;
Resumo
Uma reação nuclear caracteriza-se por ser uma transformação em que ocorrem mudanças no núcleo dos átomos. Ao contrário das reações químicas, que envolvem rearranjos de eletrões, as reações nucleares envolvem alteração do número de nucleões de um átomo, isto é, transformação dos núcleos atómicos. Estas reações podem originar novos isótopos de um átomo (por alteração do número de neutrões) ou, até mesmo, novos elementos (por alteração do número de protões).
Alguns processos nucleares são responsáveis pelo brilho das estrelas mas só em 1920 é que
os primeiros
processos nucleares foram formalmente estudados, pelo astrónomo Sir Arthur Eddington (1882 – 1944), que propôs
modelos estelares que envolviam fusões nucleares. Contudo, só nos anos 30 é que a fusão nuclear foi verificada
experimentalmente. Em 1932 a fusão de isótopos de hidrogénio foi conseguida em laboratório e em 1939 o físico
nuclear Hans Bethe (1906 – 2005) descreveu os processos de fusão nuclear que ocorrem nas estrelas
(nucleossíntese estelar). Em 1938, a fissão nuclear foi, pela primeira vez, observada por Otto Hahn (1879 –
1968) e Fritz Strassmann (1902 – 1980) que dispararam neutrões contra núcleos de urânio com o objetivo de
produzir um núcleo mais pesado.1 Contudo, verificaram a formação de
elementos com cerca de metade
da massa do urânio. Este facto intrigou os investigadores visto que estava a ser observado um núcleo a partir-se
em dois.
Consideremos uma partícula (P) em movimento a embater numa partícula alvo (T) em repouso:
P (partícula projetada) + T (partícula alvo) \(\longrightarrow\) x (partícula emitida) + R (núcleo residual)
Para este tipo de reações nucleares, desprezando a energia de ligação dos eletrões, podemos estabelecer o seguinte balanço energético
\(m_Pc^2+E_c(P)+m_Tc^2=m_Rc^2+E_c(R)+m_xc^2+E_c(x) \qquad \qquad (1)\)
em que Ec(i) e mi são, respetivamente, a energia cinética e a massa da
partícula i e c é a velocidade da
luz.
(Note-se que o produto mic2 também
pode
ser designado “energia de repouso” de uma partícula. Repare-se, também, que, como se partiu do princípio de que
a partícula T estaria em repouso, esta não possui energia cinética.)
Desta forma pode ser definido o
valor Q, que corresponde à diferença das massas de repouso dos reagentes
pelos produtos
\(Q=[m_P+m_T-(m_R+m_x)]c^2=E_c(x)+E_c(R)-E_c(P) \qquad \qquad (2)\)
Com esta definição, é possível verificar que, se Q for positivo, a reação nuclear será
exoenergética e, consequentemente, se Q for negativo, a reação será endoenergética – a convenção de sinais é
oposta da utilizada na variação de entalpia, ΔH, das reações químicas. Assim, com este balanço energético
verifica-se que uma das condições necessárias, mais não suficiente, para que ocorra uma reação nuclear é
\(Q+E_c(P)>0 \qquad \qquad (3)\)
dado que, para que a reação ocorra, será necessário que as partículas formadas possuam alguma
energia cinética.2
Para avaliar se uma reação nuclear é
endoenergética ou exoenergética
é necessário ter em consideração que, no núcleo, as forças nucleares fortes (atrativas e que mantêm o núcleo
coeso) devem estar minimamente equilibradas com as forças electroestáticas (repulsivas que tendem a afastar os
protões entre si). As forças nucleares são bastante mais fortes que as forças eletromagnéticas para distâncias
até pouco mais de 2 vezes o diâmetro do protão. Para lá dessa distância, as forças eletromagnéticas são
superiores às forças nucleares.
Assim, com o aumento do número atómico, maior será a estabilidade do
núcleo e, consequentemente, a energia de ligação do núcleo. No entanto isto só acontece até ao limite em que as
forças electroestáticas superam as forças nucleares (um pouco mais de 2 vezes o diâmetro do protão). Esse limite
é atingido para o elemento químico ferro, Fe; após esse elemento, o aumento do número de nucleões resulta numa
diminuição da energia de coesão nuclear – ver figura 1. Isto acontece porque, a partir do ferro, as forças
electroestáticas, de natureza repulsiva, começam a superar as forças nucleares, instabilizando o núcleo atómico.
É por este motivo que, até ao elemento químico ferro, a fusão nuclear é uma reação exoenergética e
para lá desse elemento é a fissão nuclear que é exoenergética. Em ambos os casos, o facto de a reação ser
exoenergética depreende-se com a necessidade de estabilização do núcleo. Por esta razão é que, para obter
energia, é necessário fundir núcleos leves ou cindir núcleos pesados.
Existem muitos tipos de reações
nucleares: fusão nuclear, fissão nuclear, espalação nuclear, decaimento por emissão de partículas α, decaimento β − , entre outros, como se
exemplifica:
\({}_2^3 He + {}_2^3 He \longrightarrow {}_2^4 He + 2\ {}_1^1 H\) Fusão Nuclear
\({}_{92}^{235} U + {}_0^1 n \longrightarrow {}_{56}^{142} Ba + {}_{36}^{91} Kr + 3\ {}_0^1 n\) Fissão Nuclear
\({}_{0}^{1} n + {}_{7}^{14} N \longrightarrow {}_{1}^{1} p + {}_{6}^{14} C\) Espalação Nuclear
\({}_{92}^{238} U \longrightarrow {}_{90}^{234} Th + {}_{2}^{4} He\) Decaimento \({\displaystyle \alpha}\)
\({}_{55}^{137} Cs \longrightarrow {}_{56}^{137} Ba + e^- + \bar{\nu}_e\) Decaimento β −
A escrita de equações que traduzem reações nucleares obedece a duas regras específicas4:
- Regra Z – A soma dos números atómicos, Z, das partículas reagentes é igual à soma dos números atómicos dos produtos de reação;
- Regra A – A soma dos números de massa, A, das partículas reagentes é igual à soma dos números de massa dos produtos da reação.
Note-se que a energia envolvida nestes processos é expressa em MeV/átomo em vez de kJ/mol, o que
evidencia a enorme diferença entre as ordens de grandeza das energias envolvidas nas reações químicas e nas
nucleares.4 Por exemplo, a combustão do gás propano debita 2220 J por cada mole de
gás (3,686 x
10-21 J/molécula de propano) que reage enquanto a referida reação de fissão nuclear do urânio debita
19,3 x 1012 J por cada mole de átomos de urânio-235 (3,20 x 10-11 J/átomo = 200
MeV/átomo).‡
As reações nucleares têm variadas aplicações, dependendo do tipo a que
pertencem. Permitem, por exemplo, o abastecimento de redes de energia elétrica, a datação de artefactos
históricos e, infelizmente, permitiram a criação do material bélico mais destrutivo do planeta.
‡ Como 1 eV = 1,6022 x 10-19 J, 1 MeV/átomo corresponde a 9,65 x 107 kJ/mol.5
Referências
- 1 J. Baker, 50 Ideias Que Precisa Mesmo De Saber – Física, 1ª edição, Alfragide: Publicações Dom Quixote, 2011, ISBN: 978-972-20-4707-4.
- 2 W. Loveland, Modern nuclear chemistry, Hoboken, N.J.: Wiley-Interscience, 2006, ISBN: 978-0-471-11532-8.
- 3 Wikimedia Commons: Binding energy curve - common isotopes, consultado em 08/12/2011.
- 4 C. Corrêa, F. P. Basto, N. Almeida, Química, 1ª edição, Porto: Porto Editora, 2008, ISBN: 978-972-0-42248-4.
- 5 NIST electron volt-joule relationship, consultado em 08/12/2011
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