Reação nuclear

Referência : Ribeiro, D., (2015) Reação nuclear, Rev. Ciência Elem., V3(3):180
Autor: Daniel Ribeiro
Editor: Jorge Gonçalves
DOI: [http://doi.org/10.24927/rce2015.180]

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Figura 1 Evolução da energia de ligação média por nucleão com o número de nucleões no núcleo atómico. (Adaptado de ^[3])

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 E_c(i) e m_i são, respectivamente, a energia cinética e a massa da partícula i e c é a velocidade da luz. (Note-se que o produto m_ic² 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 reacção 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 $\alpha$

${}_{55}^{137} Cs \longrightarrow {}_{56}^{137} Ba + e^- + \bar{\nu}_e$            Decaimento β ⁻

A escrita de equações que traduzem reações nucleares obedece a duas regras específicas^[4]:

• 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.

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^‡ Como 1 eV = 1,6022 x 10^-19 J, 1 MeV/átomo corresponde a 9,65 x 10⁷ kJ/mol.^[5]

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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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Criada em 09 de Fevereiro de 2012
Revista em 20 de Fevereiro de 2012
Aceite pelo editor em 20 de Fevereiro de 2012