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Bomba de Hidrogênio – Poder de Destruição

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Entenda o que é Bomba de hidrogênio

A bomba de hidrogênio, também conhecida como bomba de fusão ou bomba “H”, é uma das armas mais poderosas que existe na Terra. O seu poder de destruição é equivalente a dezenas ou até mesmo centenas de bombas atômicas como as que foram lançadas em Hiroshima e Nagasaki.

Para entender o que é e como funciona uma bomba de hidrogênio, é necessário entender conceitos sobre fusão nuclear e bomba atômica.

Fusão Nuclear

Fusão Nuclear significa junção, união de dois ou mais núcleos atômicos leves, originando um núcleo atômico mais pesado e uma grande quantidade de energia.

A fusão nuclear ocorre quando núcleos de átomos leves, como o hidrogênio, são acelerados e colidem com elevada quantidade de energia. A colisão entre os núcleos é tão grande que os núcleos se fundem em apenas 1, liberando uma quantidade de energia gigantesca, muitas vezes maior do que a energia necessária para promover a reação. No caso de utilizar núcleos atômicos de hidrogênio, há a formação de núcleos atômicos de hélio, que possuem massa atômica igual a 4 vezes a do hidrogênio. O núcleo atômico de hélio é também conhecida como radiação de partícula alfa, desde que ele esteja se movendo em alta velocidade.

A energia liberada na fusão nuclear é calculada pela equação E = mc2, onde c é a velocidade da luz e m é a variação da massa nuclear que se transforma em energia (quanto da massa inicial se transforma em energia).

No Sol, assim como na maioria das estrelas, o átomo de hidrogênio é o mais abundante. A energia solar, ou seja, a energia proveniente do Sol é originária de reações de fusão nuclear, de átomos de hidrogênio formando átomos de hélio.

4 1H  →  4He  + 2     E= -2,48 x 1015J

No núcleo (no centro) e na superfície do Sol, temperaturas da ordem de 106 a 107°C são encontradas e é isso que propicia as reações de fusão nuclear.

Como é necessária elevada temperatura (milhões de graus Celsius) para promover a fusão nuclear, utiliza-se bombas atômicas (acopladas em torno do reservatório de isótopos de hidrogênio a serem fundidos) para gerar a energia necessária e ativar a fusão nuclear.
A bomba atômica utiliza o princípio da fissão nuclear, produzindo muita energia e temperaturas de milhões de graus Celsius.

Poder de destruição da bomba H

A bomba de fusão nuclear é uma arma com poder de destruição equivalente à milhões de toneladas de dinamite.

O poder de destruição de uma bomba de hidrogênio, pode ser milhares de vezes maior do que a de uma bomba atômica.  O seu poder de destruição é medido em megatons (Mton), enquanto, o de uma bomba atômica é medido em kilotons (kton).

1 kton equivale a 1000 toneladas de dinamite.
1 Mton equivale a 1000000 toneladas de dinamite.

Dessa forma, uma bomba de hidrogênio tem o mesmo poder de destruição de milhões de toneladas de dinamite, se essa quantidade de dinamite fosse usada em um mesmo ponto.

Lembrete: Em uma bomba de fusão, a massa de isótopos de hidrogênio e urânio é da ordem de dezenas a centenas de quilos. Ou seja, a geração de energia da fusão nuclear, de uma bomba de hidrogênio é MUITO GRANDE!

Até os dias de hoje, início do século XXI, ainda não se consegue controlar a reação de fusão nuclear para aplicações pacíficas, como se faz com a fissão nuclear para produzir energia térmica e elétrica. Um dos fatores que pesam contra o seu uso, é a falta de habilidade para controlar altíssimas temperaturas, na casa de milhões de graus Celsius (temperaturas impossíveis de serem medidas ou imaginadas por pessoas comuns).

Uma bomba de hidrogênio pode destruir não apenas pelo calor gerado ao redor do centro da explosão, mas também por radiações e ondas eletromagnéticas e de choque geradas pela explosão. A destruição não se limita a bens materiais, mas também a seres vivos diversos, podendo até mesmo extinguir toda uma espécie animal ou vegetal. Os seus danos podem perdurar por anos, até mesmo décadas.

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O que é uma Bomba Atômica?
Radiações e seus usos.

Escrito por: Miguel A. Medeiros
Revisado em: 04 de setembro de 2017

Miguel

Bomba Atômica – Como funciona

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Bomba atômica

Quem nunca ouviu falar sobre bomba atômica? Geralmente, todos os estudantes ouvem falar sobre esse assunto em História, quando se estuda 2ª Guerra Mundial. No entanto, será que todos eles sabem o que é bomba atômica?
Para entender o que é e como funciona uma bomba atômica, é necessário que se entenda alguns conceitos sobre núcleo atômico e fissão nuclear.

Núcleo atômico

Um núcleo de um átomo qualquer é constituído basicamente por prótons (partículas de carga positiva) e nêutrons (partículas semelhantes aos prótons, mas, que não possuem carga).
No núcleo de um átomo existem forças (forças nucleares) que mantêm os prótons e nêutrons ligados. Estas forças devem ser suficientemente grandes para contrabalancear as repulsões elétricas decorrentes da carga positiva dos prótons. Uma vez que os nêutrons não possuem carga elétrica. Isso deve ocorrer para explicar a existência de núcleos atômicos estáveis.

Fissão nuclear

O termo fissão significa quebra, separação. Então, fissão nuclear é a quebra, ruptura do núcleo atômico.
Em torno de 1934, Otto Hahn e Fritz Strassman observaram átomos de bário em rejeitos de reação nuclear com urânio e nêutrons acelerados. A partir disso, estudos surgiram para confirmar que o núcleo de urânio teria dado origem a outros menores.
Estes estudos verificaram que núcleos de urânio-235 capturavam um nêutron e se tornavam instáveis. Essa instabilidade é tamanha, que o núcleo, para se estabilizar, divide-se em dois outros, e em três novos nêutrons. Estes nêutrons que são produzidos são capazes de induzir outras três reações de fissão nuclear. As novas reações produzirão mais nêutrons e esses iniciaram novas reações, e assim por diante. Esse é o processo de reação em cadeia, no qual um nêutron dá origem à uma série de reações de quebras nucleares.
A energia produzida em uma reação de fissão nuclear é gigantesca e é produzida na forma de explosão. Como pode ser visto na equação anterior, a energia liberada é da ordem de 1010 kJ por mol de urânio bombardeado por mol de nêutrons absorvido.

Para que ocorra a reação em cadeia é necessário uma quantidade tal de urânio-235 (aproximadamente 3,5 kg), pois senão a reação não se sustenta e finaliza-se.

Em uma bomba atômica, dois fragmentos de urânio, nenhum deles capaz de sustentar a reação em cadeia, são unidos para formar um bloco maior capaz de suportar a reação em cadeia.1 Com isso, ocorre a liberação de energia e a catastrófica explosão devastadora vista em Hiroshima e em Nagasaki, em 1945, quando os EUA atacaram o Japão para finalizar a 2 Guerra Mundial.

A energia produzida nessa “explosão” pode ser obtida a partir da fórmula E = mc2, onde c é a velocidade da luz e m é a massa do elemento que se transforma em energia (energia cinética, térmica, eletromagnética, etc).

O processo de fissão nuclear, também, pode ocorrer de forma controlada, ou seja, controlando a reação em cadeia, a partir da introdução de barras de elementos absorvedores de nêutrons, como cádmio e boro.
No caso do controle da reação em cadeia da fissão nuclear, a energia obtida é utilizada com fins pacíficos, para  aquecer uma caldeira de água, que tornará em vapor e movimentará uma turbina. Esta turbina será a responsável pela geração de energia elétrica utilizada em domicílios de diversos países de primeiro mundo e em parte do estado do Rio de Janeiro, através das usinas de Angra dos Reis.

O poder de destruição da bomba atômica não está apenas na liberação enorme de energia, mas também na grande quantidade de radiações ionizantes liberadas (partículas alfa, beta, radiação gama, radiação X, infravermelho, ultravioleta, etc).

Os ataques nucleares no Japão não só destruiu totalmente duas cidades, mas também fez desaparecer dezenas de milhares de pessoas (mortas pelo ataque) e ferir outros milhares.
A temperatura no núcleo da explosão chegou a milhões de graus Celsius e fez pessoas, literalmente, sublimar (passar do estado sólido para o gasoso) em questões de milésimos de segundo.
Há dezenas de quilômetros podia se ver o famoso cogumelo da morte e destruição, que ficou característico da bomba atômica.

O poder de destruição de uma bomba atômica é inquestionável e a sua ação de destruição ocorre em poucos segundos. Já as conseqüências podem durar vários anos.

Além da bomba atômica, há também a bomba de hidrogênio, com poder de destruição ainda maior, equivalente à várias bombas atômicas. A bomba de hidrogênio não usa fissão nuclear, mas sim, fusão nuclear, confira.

Referência
1- KOTZ, J., C., TREICHEL, P., Química e Reações Químicas, 3ª ed., v. 2; Rio de Janeiro, Ed. LTC, 1998.
2– REIS, M., Completamente Química – Físico Química, Ed. FTD, 1ª ed., São Paulo, 2001.
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Radiação Nuclear – O que é?

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Radiação nuclear

Radiação nuclear é um tipo de radiação originada no núcleo de determinados átomos de elementos químicos que não estão estáveis.

As radiações nucleares podem ser de vários tipos, mas, principalmente: partículas alfa (α), partículas beta (β) e radiação gama (γ).

Partículas alfa (α)

Núcleos atômicos instáveis, geralmente, de elevada massa atômica, emitem radiação alfa,  que é constituída por dois prótons e dois nêutrons. Esta é a forma “mais rápida” de procurar a estabilidade, pois cada partícula alfa tem número de massa igual a 4. Sendo assim, a cada partícula alfa emitida por um núcleo instável, a sua massa diminui de 4 unidades.

Estas partículas liberadas possuem alta energia cinética, ou seja, alta “energia de movimento”, pois o núcleo, além de liberar os prótons e nêutrons, também libera energia, na forma de energia cinética das partículas. No entanto, essas partículas possuem baixo poder de penetração.

Partículas beta (radiação beta) (β–,β+)

Uma outra forma de um núcleo atômico se estabilizar é quando existe um número bem maior de nêutrons do que de prótons. Nesse caso poderá ocorrer a transformação de um nêutron em um próton. Para esta transformação ocorrer, e a quantidade de prótons aumentar em relação à de nêutrons, é necessário que ocorra a liberação de um elétron pelo núcleo atômico. Ou seja, o núcleo atômico irá emitir, liberar, um “elétron”, ou melhor, uma sub-partícula carregada negativamente, também conhecida como partícula beta, ou beta menos, β–.

É importante que a atenção seja voltada para o fato do “elétron” (partícula β–) ser emitido pelo núcleo atômico, ou seja, não tem nada a ver com os elétrons da eletrosfera.

Por outro lado, quando o número de nêutrons for insuficiente para estabilizar a quantidade de prótons presentes no núcleo atômico, poderá ocorrer a transformação de um próton em um nêutron. Para esta transformação ocorrer, será necessária a liberação de uma sub-partícula positiva do núcleo atômico. Será emitida uma partícula beta positiva, β+, também, conhecida, como pósitron.

As partículas beta possuem alta energia cinética e poder de penetração superior ao das partículas alfa. O seu poder de penetração superior é devido ao fato da partícula possuir massa muito inferior à da partícula alfa. Mesmo que a partícula beta, possua carga (carga negativa, ou positiva), ela irá ter maior penetração, pois é mais leve e terá menor perda de energia. Entretanto, a sua penetração não será, ainda, muito alta. O seu poder de ionização também será considerável, no entanto, menor que o das partículas alfa, visto que a quantidade de cargas das partículas beta é inferior ao das partículas alfa.

Radiação gama (γ)

De uma forma geral, a radiação gama é emitida por um núcleo atômico, quando emite outros tipos de radiação, seja ela alfa ou beta. A liberação de radiação gama é uma forma encontrada pelo núcleo para se “estabilizar” quando ocorre a liberação de alguma partícula nuclear, pois com a emissão de partícula ainda resta energia em excesso no núcleo atômico, que deve ser liberada (transformação de massa em energia, segundo a equação: E = mc2). A forma encontrada pelo núcleo para liberar esta energia é através de radiação gama, que é uma forma de energia eletromagnética.

A radiação gama, por ser uma onda eletromagnética,  da mesma natureza da luz, pode viajar com a velocidade da luz, ou seja, a radiação gama, propaga a 300.000 km/s, assim como a luz.

Esta radiação é altamente penetrante, ou seja, como seu poder de penetração é muito elevado, pode atravessar um corpo humano com grande facilidade, pois é muito energética, não possui massa e não possui carga elétrica, nem positiva, nem negativa (não sofre interferência elétrica, como as radiações alfa e beta).


Poder de ionização

O poder de ionização da radiação gama, normalmente é superior ao das partículas alfa e beta. O dano causado a matéria, pela radiação gama, é muitas vezes superior ao causado pelas radiações particulares, tais como alfa e beta, pois se trata de uma radiação muito energética.

Os átomos e moléculas possuem elétrons, que podem ser retirados. Quando uma radiação retira um ou mais elétrons de um átomo ou molécula, diz que ocorreu a ionização da espécie. A espécie formada ficou deficiente em elétrons e se torna muito reativa.

Quando se fala em ionizar um  átomo ou molécula, é necessária uma quantidade de energia específica, nem mais, nem menos, que é definida como pacote de energia (energia quantizada), que possibilita a ionização do átomo ou molécula. A radiação gama, por ter grande quantidade de energia, irá quebrar uma ligação química com mais facilidade do que a radiação alfa ou beta, daí, a sua capacidade em provocar danos é maior.

É importante que seja observado que a radiação gama é neutra, mas não tem relação alguma com os nêutrons, que também são neutros, ou seja, radiação gama não é nêutron. Mesmo porque, quando um núcleo atômico emite nêutrons, esta radiação (de partículas) é denominada de feixe de nêutrons.

 

Miguel

Radiações – De onde elas surgem?

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O que são radiações?

No final do século XIX, um minério de urânio foi esquecido em cima de um filme fotográfico. Dias depois, o filme foi verificado e visualizaram uma marca derivada de “alguma coisa” que saia do minério de urânio. Na época, denominaram “essas coisas” de raios ou radiações.

O fenômeno de liberação de radiações foi denominado de radioatividade e os elementos químicos que apresentavam esta propriedade foram chamados de elementos radioativos.

Atualmente, definem-se radiações, como sendo: ondas eletromagnéticas ou partículas que se propagam com alta velocidade e energia, e que, quando interagem com a matéria, podem produzir variados efeitos sobre ela.

De onde surgem as radiações?

Geralmente, as radiações podem ser geradas por fontes naturais (ex.: átomos instáveis em decaimento) ou por dispositivos desenvolvidos pelo homem (rádio AM, FM e forno de microondas).

Luz, microondas, ondas de rádio AM e FM, laser, raios X e radiação gama são as formas de radiação eletromagnéticas mais conhecidas. Já feixes de elétrons, feixes de prótons, partículas beta, partículas alfa e feixes de nêutrons são exemplos de radiação de partículas, ou seja, são radiações com massa, que podem originar de átomos de elementos químicos.

Todos os elementos químicos naturais apresentam isótopos radioativos, que podem ser, também, naturais ou artificiais (criados pelo homem).

Radiação alfa (α) | Radiação beta (β) | Radiação gama(γ) | Tempo de meia-vida

Isótopos

Isótopos são átomos de um mesmo elemento químico, ou seja, possuem o mesmo número atômico (mesmo número de prótons). No entanto, possuem massas atômicas (soma da quantidade de prótons e nêutrons existentes no núcleo atômico) diferentes.

Ex.: 1H1, 2H1, 3H1

1H1 à significa, que o átomo possui 1 próton e número de massa igual a 1.
2H1 à significa, que o átomo possui 1 próton e 1 nêutron, logo, número de massa igual a 2.
3H1 à significa, que o átomo possui 1 próton e 2 nêutrons, logo, número de massa igual a 3.

Um núcleo de um átomo qualquer é constituído basicamente por prótons e nêutrons. No entanto, por que alguns átomos (ou isótopos) são estáveis, como o 12C6, e outros, como 14C6, não são estáveis e sofrem decaimento radioativo para se estabilizar?

No núcleo de um átomo existem forças (forças nucleares) que mantêm os prótons e nêutrons ligados. Estas forças devem ser suficientemente grandes para contrabalancear as repulsões elétricas decorrentes da carga positiva dos prótons. Uma vez que os nêutrons não possuem carga elétrica. Isso deve ocorrer para explicar a existência de núcleos atômicos estáveis.

Geralmente considera-se que um núcleo atômico é estável quando a relação nêutron / próton é igual ou próxima de 1 (um).

Essa  relação pode ser bem verificada para os vinte primeiros elementos químicos da tabela periódica, ou seja, até o cálcio esta relação fornece valor igual ou próximo da unidade.

Quando o número atômico, ou seja, o número de prótons no núcleo atômico aumenta, o valor da relação n / p vai se tornando cada vez maior. Mas como isso é possível, se o número atômico é que aumenta? Bem, quando o número atômico aumenta, aumenta também o número de nêutrons no interior do núcleo. Este aumento não é linear, ou seja, quando se aumenta 1 próton podem ser aumentados 1, 2, 3 ou mais nêutrons. Este número não é fixo, mas cresce mais rápido que o número de prótons. Daí, um aumento na razão n / p.

O aumento da razão n / p é para evitar a autodestruição do núcleo. Entretanto, quando há mais de 83 prótons num núcleo, nenhuma relação n / p é suficiente para estabilizar o núcleo, pois uma grande quantidade de prótons ou de nêutrons pode tornar um núcleo instável. Essa é uma realidade que a natureza impõe, ou seja, para um volume nuclear máximo é necessário que haja uma determinada quantidade de prótons e por conseqüência de estabilidade um número maior de nêutrons. A quantidade máxima de prótons existentes em um núcleo atômico estável é 83. Logo, 83 é o maior número atômico de um  elemento químico natural estável, encontrado na natureza.

Sendo assim, o bismuto, número atômico 83 (Z=83), é o último elemento químico da tabela que apresenta isótopo estável. Todos os elementos de número atômico superior a 83 são radioativos, ou seja, eles necessitam sofrer decaimento radioativo para se estabilizar dando origem, assim, a átomos estáveis, geralmente Pb (Z=82) e Bi (Z=83).

Um elemento químico instável sofre decaimento radioativo liberando radiação, que pode ser partícula alfa (α), partícula beta menos (β–) ou beta mais (β+). Juntamente com estas partículas, geralmente, é liberada radiação gama (γ). Dessa forma, decaindo, ou seja, liberando partículas, o núcleo atômico se torna mais estável que de início, pois a relação n / p é alterada.

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Reações Nucleares

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Reação Nuclear

A emissão natural de uma partícula, por um núcleo atômico instável, seja ela, alfa, beta, nêutron, próton, etc, transforma o núcleo de um determinado elemento químico em um novo núcleo que corresponde à um outro elemento químico. Assim , cada uma dessas desintegrações radioativas representa a transmutação de um elemento em outro. (Transmutação também pode ser efetuada artificialmente).

Transmutação

Em 1919, Rutherford bombardeou nitrogênio-14 com partículas alfa obtidas da desintegração radioativa do rádio. O resultado dessa experiência foi a obtenção de um novo nuclídeo (espécie constituída de um nº definido de prótons e de nêutrons, em seu núcleo atômico) e de átomos de hidrogênio. Posteriormente, outro cientista, Blackett, demonstrou que o nuclídeo era o oxigênio-17.

Partícula alfa(µ ) ou núcleo de átomo de hélio é o mesmo, daí o uso do hélio no lugar da partícula alfa.

Nessa reação existe um nuclídeo intermediário instável, que é um núcleo de flúor instável que se desintegra com uma meia-vida de menos de 10-12 s e sua desintegração ocorre por emissão de um próton, dando origem ao oxigênio-17 estável e o próton da reação anterior.

Em muitos casos, o produto de uma reação de bombardeio nuclear é instável e produz subsequente desintegração radioativa. Por exemplo, quando o núcleo de cobalto 59 é bombardeado com um nêutron de alta energia, é formado cobalto 60 que é pouco estável, sendo esse transformado em manganês 56 mais He. Porém, o manganês 56 produzido não é estável, desintegrando-se com uma meia-vida de 2,6 h e formando-se o ferro 56, que é estável.

Esse é um exemplo de radioatividade induzida ou artificial.

Miguel

Meia Vida

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Núcleo Atômico

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