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Transforma¸˜es nucleares
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Marie Sklodowska Curie (1867-1934)

F´
ısica e Qu´
ımica francesa de origem polaca (nasci...
11.1

Introdu¸˜o
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Desintegra¸˜es radioactivas
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Lei do decaimento radioactivo

A taxa de desintegra¸˜o de R n´cleos radioactivos (ou actividade da amosca
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  1. 1. 11 Transforma¸˜es nucleares co Marie Sklodowska Curie (1867-1934) F´ ısica e Qu´ ımica francesa de origem polaca (nascida em Vars´via), a quem se o deve, juntamente com o seu marido Pierre Currie, a descoberta da radioactividade. Licenciou-se em Ciˆncias Matem´ticas e F´ e a ısica pela Sorbonne, e foi a primeira mulher a lecionar neste prestigiado estabelecimento de ensino. Em 1896, Henri Becquerel incentivou-a a estudar as radia¸˜es, por ele desco cobertas, emitidas pelos sais de urˆnio. O casal Curie chegou ` conclus˜o a a a que em determinados min´rios, como a pechblenda, havia um componente e desconhecido que emitia mais radia¸˜o que o urˆnio dela extra´ ca a ıdo. Ap´s o v´rios anos de trabalho constante, foi capaz de isolar dois novos elementos a qu´ ımicos: o pol´nio (em referˆncia ao seu pa´ natal), e o r´dio (devido ` o e ıs a a sua intensa radia¸˜o). Foi laureada em 1903 com o Pr´mio Nobel da F´ ca e ısica (juntamente com Pierre Curie e Henry Becquerel) pelas suas descobertas no campo da radioatividade, e em 1911 com o Pr´mio Nobel da Qu´ e ımica pela descoberta dos elementos qu´ ımicos r´dio e pol´nio. a o 178
  2. 2. 11.1 Introdu¸˜o ca Neste cap´ ıtulo analisaremos v´rios tipos de processos que envolvem os n´cleos a u dos ´tomos, dando origem ` forma¸˜o de novos elementos juntamente com a a ca a absor¸˜o ou a emiss˜o de energia. Estas transforma¸˜es nucleares podem ca a co ser provocadas artificialmente, dando origem a reac¸˜es nucleares, ou ocorrer co espontˆneamente, ocasionando desintegra¸˜es radioactivas. a co 11.2 Composi¸˜o dos n´ cleos e estabilidade nuclear ca u Os n´cleos dos elementos s˜o constitu´ u a ıdos por combina¸˜es de prot˜es e co o neutr˜es (nucle˜es). O n´cleo de um elemento X formado por Z prot˜es o o u o (1 p) e N neutr˜es (1 n) representa-se por o 1 0 A ZX , onde • Z ´ o n´mero at´mico (que representa tamb´m o n´mero de electr˜es e u o e u o do elemento); • A ≡ N + Z ´ o n´mero de massa. e u A forma¸˜o de um n´cleo pode assim ser esquematizada atrav´s da reacca u e ca ¸˜o nuclear Z(1 p) + N (1 n) −→ A X + ∆E , 1 0 Z a qual deve obedecer `s leis de conserva¸˜es usuais a co • conserva¸˜o do n´mero de nucle˜es; ca u o • conserva¸˜o da carga; ca • conserva¸˜o da energia-momento. ca A quantidade ∆E designa-se por energia de liga¸˜o e corresponde ` energia ca a ca libertada (ou fornecida) para a formar o n´cleo A X. A energia de liga¸˜o u Z pode ser estimada usando a lei de convers˜o massa-energia (admitindo que a o sistema ´ formado em repouso) e ∆E = (ZMp + N Mn − MX )c2 , 179 (11.1)
  3. 3. onde Mp = 1, 0073 u.m.a., Mn = 1, 0087 u.m.a. e MX s˜o as massas do a A prot˜o, do neutr˜o e do n´cleo Z X, respectivamente, e c ´ a velocidade da a a u e luz no v´cuo. a A equa¸ao (11.1) mostra que existe uma diferen¸a entre a massa de um c˜ c n´cleo e as massas das suas part´ u ıculas constituintes, tomadas em separado. Com efeito pode ter-se • ∆E > 0 . . . ocorre liberta¸˜o de energia na forma¸˜o do n´cleo (est´vel); ca ca u a • ∆E < 0 . . . ´ necess´rio fornecer energia para a forma¸˜o do n´cleo (inst´vel). e a ca u a 180
  4. 4. 11.3 Desintegra¸˜es radioactivas co A maioria dos n´cleos resultam de combina¸˜es est´veis de nucle˜es, muito u co a o embora alguns conjuntos de prot˜es e neutr˜es dˆem origem a n´cleos inso o e u t´veis. Estes n´cleos radioactivos tendem a formar configura¸˜es est´veis a u co a atrav´s da emiss˜o de radioactividade (part´ e a ıculas muito energ´ticas). A e desintegra¸˜o radioactiva (ou decaimento radioactivo) de n´cleos inst´veis, ca u a com a correspondente emiss˜o de part´ a ıculas radioactivas, foi observada pela primeira vez no final do s´culo XIX por Antoine Becquerel (1852-1908) e por e Pierre (1859-1906) e Marie Curie (1867-1934). Esquematicamente, a desintegra¸˜o radioactiva de um n´cleo X num ca u n´cleo Y pode ser representada por u   α β + ou β − , X −→ Y +  γ onde α, β + , β − e γ representam os distintos tipos de part´ ıculas radioactivas que podem ser emitidas em consequˆncia de um decaimento nuclear. e o As part´ ıculas α s˜o n´cleos de h´lio (4 He), compostos por dois prot˜es e a u e 2 dois neutr˜es, que apresentam uma enorme estabilidade, isto ´ uma reduzida o e massa (4, 0026 u.m.a.) face ao elevado n´mero de nucle˜es que as constituem. u o Deste modo, a maior parte dos emissores de part´ ıculas α s˜o n´cleos pesados, a u 238 e existentes no final da Tabela Peri´dica. Por exemplo, o 92 U ´ um emissor α o e desintegra-se de acordo com 238 92 U −→ 234 90 Th + 4 He . 2 o As part´ ıculas β s˜o electr˜es (β − ≡ 0 e) ou positr˜es (β + ≡ 0 e), emia o +1 −1 tidos com um espectro cont´ ınuo de energias. A emiss˜o de β − est´ associada a a a ` convers˜o de um neutr˜o num prot˜o, em n´cleos inst´veis com demasiados a a a u a neutr˜es (N > Z). O processo pode ser descrito por o 1 0n −→ 1 p + 1 0 −1 e +ν , e ´ acompanhado pela emiss˜o de anti-neutrinos ν. e a Por exemplo, o 14 C ´ um emissor β − e desintegra-se de acordo com e 6 14 6 C −→ 14 7 N + 181 0 −1 e +ν .
  5. 5. Esta desintegra¸˜o utiliza-se para datar mat´ria orgˆnica a partir da activica e a 14 dade dos n´cleos de 6 C, segundo uma t´cnica proposta por W. Libby durante u e a d´cada de 50. O is´topo 14 C existe incorporado no CO2 atmosf´rico, ese o e 6 14 12 tabelecendo uma propor¸˜o 6 C / 6 C aproximadamente constante. Como o ca di´xido de carbono ´ ”ingerido” pelas plantas atrav´s da fotoss´ o e e ıntese, e estas s˜o eventualmente consumidas pelos animais, os seres vivos tˆm uma raz˜o a e a 14 12 e a 6 C / 6 C idˆntica ` da atmosfera. Quando uma planta ou um animal morre, a ”ingest˜o” de 14 C cessa, mas o n´cleo continua a decair e a raz˜o 14 C / a u a 6 6 12 a 6 C diminui. Medindo esta raz˜o e comparando-a com valores actuais pode estimar-se a data da morte da planta ou do animal. A emiss˜o de β + est´ associada ` convers˜o de um prot˜o num neutr˜o, a a a a a a em n´cleos inst´veis com reduzido n´mero de neutr˜es (N < Z). O processo u a u o pode ser descrito por 1 1 0 1 p −→ 0 n + +1 e + ν , ou atrav´s de uma reac¸ao de captura electr´nica (a partir de uma das cae c˜ o madas mais pr´ximas do n´cleo) o u 1 1p + 0 −1 e −→ 1 n + ν , 0 sendo sempre acompanhado pela emiss˜o de neutrinos ν. a Por exemplo, o 11 C ´ um emissor β + e desintegra-se de acordo com e 6 11 6 C −→ 11 5 B + 0 +1 e +ν . Esta desintegra¸˜o β + explica o motivo porque se utilizam n´cleos de 11 C ca u 6 como fonte de positr˜es no diagn´stico m´dico denominado Positron Emiso o e sion Tomography (PET). Por outro lado, o 82 Rb converte-se em 82 Kr atrav´s de uma captura elece 37 36 tr´nica o 82 0 82 37 Rb + −1 e −→ 36 Kr . Nas transforma¸˜es nucleares anteriores, a emiss˜o de neutrinos ou de antico a neutrinos (part´ ıculas elementares sem carga e com massa zero) garante a verifica¸˜o da lei de conserva¸˜o da energia-momento. ca ca As part´ ıculas γ s˜o fot˜es, correspondentes ` radia¸˜o que acompanha a o a ca muitas das emiss˜es radioactivas α e β. Quando um electr˜o orbital substitui o a um electr˜o capturado pelo n´cleo h´ emiss˜o de radia¸˜o X correspondente a u a a ca a ` respectiva varia¸˜o de energia electr´nica. Por outro lado, os restantes ca o tipos de decaimentos nucleares s˜o frequentemente acompanhados por uma a 182
  6. 6. emiss˜o γ, associada a parte da diferen¸a de energia entre o n´cleo inicial e a c u o resultante da sua desintegra¸˜o. ca Por exemplo, o 60 Co ´ um emissor γ e desintegra-se de acordo com e 27 60 27 Co −→ 60 28 Ni + 0 −1 e +γ . A radia¸˜o γ de alta energia associada ao decaimento do cobalto utiliza-se ca em radioterapia no tratamento do cancro. Figure 11.1: N´cleos est´veis e radioactivos. As rectas a 450 re´nem os u a u n´cleos com igual n´mero de massa A. u u A figura 11.1 representa o n´mero de neutr˜es N em fun¸˜o do n´mero u o ca u at´mico Z, para os v´rios n´cleos est´veis e radioactivos existentes na nao a u a tureza. Observa-se que a maioria dos is´topos40 (sobretudo dos n´cleos pesao u 40 O is´topo de um elemento difere deste no n´mero de neutr˜es que o constitui. o u o 183
  7. 7. dos) s˜o naturalmente radioactivos. Essa instabilidade resulta ou de um exa cesso de neutr˜es (no caso dos n´cleos pesados) ou de um defeito de neutr˜es o u o (no caso dos is´topos de alguns n´cleos leves), estando na base de decaio u mentos radioactivos que tentam repˆr uma configura¸˜o est´vel do n´cleo, o ca a u modificando o seu n´mero de neutr˜es. u o 184
  8. 8. 11.4 Lei do decaimento radioactivo A taxa de desintegra¸˜o de R n´cleos radioactivos (ou actividade da amosca u 41 tra ) ´ directamente proporcional ao n´mero de n´cleos da amostra, isto e u u ´ e dR = −λR , (11.2) dt onde a constante de proporcionalidade λ (com unidade s−1 no SI) se designa por constante de desintegra¸˜o, e ´ uma caracter´ ca e ıstica de cada n´cleo. u A partir da equa¸˜o (11.2) ´ f´cil obter a lei do decaimento radioactivo, ca e a a qual descreve a evolu¸˜o temporal do n´mero de n´cleos da amostra ca u u R(t) = R0 e−λt , (11.3) onde R0 representa o n´mero de n´cleos existente no instante de tempo t = u u 0. Note-se que as equa¸˜es (11.2)-(11.3) traduzem leis estat´ co ısticas, v´lidas a apenas quando o n´mero de n´cleos ´ muito grande. Assim, n˜o se pode u u e a falar da constante de decaimento de um s´ n´cleo ou predizer com toda a o u certeza quando ele se desintegrar´. a N´ cleo u 209 83 Bi 238 92 U 14 6 C 60 27 Co 11 6 C 8 4 Be Decaimento T1/2 4 2 × 1018 ano 2 He 4 4, 48 × 109 ano 2 He 0 5730 ano −1 e 0 5, 24 ano −1 e + γ 0 20 min +1 e 4 He 10−16 s 2 Table 1: Tempo de meia vida dos n´cleos de diferentes elementos u A equa¸˜o (11.3) permite calcular o instante de tempo T1/2 , designado ca por tempo de semi-desintegra¸˜o ou tempo de meia vida, ao fim do qual o ca n´mero inicial de n´cleos da amostra se reduz a metade u u R(T1/2 ) = R0 = R0 e−λT1/2 , 2 41 ´ E habitual definir-se tamb´m a actividade m´ssica da amostra como (1/m)(dR/dt), e a onde m ´ a massa de todos os is´topos da amostra de n´cleos de um elemento. e o u 185
  9. 9. concluindo-se que ln 2 . (11.4) λ Os tempos de meia vida variam desde um grande n´mero de anos at´ frac¸˜es u e co de segundo, conforme se pode confirmar analisando os dados apresentados na tabela 1. T1/2 = 186
  10. 10. 11.5 Reac¸˜es nucleares co Como se referiu, ´ poss´ provocar uma transforma¸˜o nuclear de forma are ıvel ca tificial, fazendo interagir v´rios reagentes nucleares (por exemplo um nucle˜o a a projectil e um n´cleo alvo) mediante o fornecimento de energia ao sistema. u A correspondente reac¸˜o nuclear faz intervir a interac¸˜o forte existente no ca ca n´cleo, levando a uma redistribui¸˜o do material nuclear envolvido. u ca As reac¸˜es nucleares ocorrem geralmente em duas fases. Primeiro, o co nucle˜o projectil ´ capturado pelo alvo, dando origem ` forma¸˜o de um a e a ca n´cleo composto num estado excitado. Na segunda fase, o n´cleo composto u u desexcita-se mediante a emiss˜o de uma ou mais part´ a ıculas (da mesma natureza do nucle˜o projectil, ou n˜o), e produzindo um (ou mais) n´cleos a a u novos, em geral radioactivos. A radioactividade artificial (resultante de reac¸˜es nucleares) foi descoberta em 1934 por Fr´d´ric Joliot-Curie (1900co e e 1958) e pela sua mulher Irene Joliot-Curie (1857-1956), quando estudavam reac¸˜es nucleares produzidas pelo bombardeamento de elementos leves com co part´ ıculas α. Algumas reac¸˜es nucleares conduzem a uma enorme liberta¸˜o de enerco ca gia, pelo que o seu interesse ´ evidente em termos do desenvolvimento de e tecnologias energ´ticas. A explora¸˜o deste facto requer uma an´lise come ca a parativa da estabilidade nuclear, o que se pode realizar atrav´s do c´lculo da e a energia de liga¸˜o por nucle˜o [ver equa¸˜o (11.1)] ca a ca EA ≡ ∆E . A (11.5) A figura 11.2 representa a energia de liga¸˜o por nucle˜o EA (em MeV)42 , ca a em fun¸˜o do n´mero de massa A. Observando esta figura verifica-se que EA ca u aumenta at´ atingir cerca de 8, 8 MeV para n´cleos com n´mero de massa e u u perto do 56 Fe, para em seguida diminuir lentamente at´ cerca de 7, 5 MeV e para n´cleos pesados. u Perante estes resultados, verifica-se que os n´cleos de elementos mais u pesados (como o urˆnio) podem experimentar fiss˜o ou cis˜o em n´cleos a a a u mais pequenos e est´veis, explorando-se a instabilidade provocada pela rea puls˜o Coulombiana que possuem ao n´ nuclear. Por outro lado, verifica-se a ıvel que a partir da associa¸˜o ou fus˜o de n´cleos leves (como o hidrog´nio) se ca a u e 42 Um electr˜o-volt (eV) corresponde ` energia de um electr˜o quando submetido ao a a a potencial de 1 volt. Assim, 1 eV = 1, 6 × 10−19 C ×1 V = 1, 6 × 10−19 J. Note-se que 1 MeV = 106 eV. 187
  11. 11. Figure 11.2: Energia de liga¸˜o por nucle˜o, em fun¸˜o do n´mero de massa ca a ca u A. podem obter n´cleos mais pesados e est´veis, explorando-se a enorme inu a terac¸˜o atractiva mediada pela for¸a forte ao n´ nuclear. Em qualquer ca c ıvel destas situa¸˜es os n´cleos obtidos s˜o mais est´veis (isto ´ ocorre um auco u a a e mento na energia de liga¸˜o dos n´cleos produzidos ou, de forma equivalente, ca u uma diminui¸˜o da sua massa) e h´, por isso, uma liberta¸˜o de energia. ca a ca A figura 11.2 permite ainda concluir que, do ponto de vista energ´tico, as e reac¸˜es de fus˜o nuclear s˜o mais favor´veis que as de fiss˜o nuclear, atenco a a a a dendo ` enorme diferen¸a nos declives da curva EA (A), para valores de A a c pequenos ou elevados, respectivamente. 188
  12. 12. 11.5.1 Fiss˜o nuclear a A fiss˜o nuclear consiste na divis˜o de um n´cleo pesado (como o urˆnio) em a a u a dois fragmentos de tamanho compar´vel. A fiss˜o como processo espontˆneo a a a ´ muito rara, pelo que em geral tem que ser provocada atrav´s de uma exe e cita¸˜o do n´cleo. A energia de activa¸˜o m´ ca u ca ınima necess´ria para provocar a a fiss˜o de um n´cleo pesado ´ de 4 a 6 MeV, e pode ser conseguida ` custa da a u e a captura de neutr˜es. Nesse caso a energia de liga¸˜o do neutr˜o capturado o ca a (mesmo que este seja lento, isto ´ tenha uma energia cin´tica reduzida) pode e e ser suficiente para excitar o n´cleo acima da energia limiar do processo, de u modo a provocar a sua divis˜o em fragmentos. a O 235 U sofre fiss˜o depois de capturar un neutr˜o lento, segundo a a 92 235 92 U + 1 n (lento) −→ 0 94 40 Zr + 140 58 Ce + 60 e + 21 n . −1 0 Por outro lado, a energia de liga¸˜o do neutr˜o capturado n˜o ´ suficiente ca a a e para provocar a fiss˜o do 238 U, pelo que neste caso o neutr˜o incidente deve a a 92 ser r´pido, com uma energia cin´tica da ordem de 1 MeV a e 238 92 U + 1 n (1 MeV) −→ fragmentos . 0 Note-se que a captura de neutr˜es lentos pelo o produ¸˜o de nept´nio e de plut´nio, segundo ca u o 238 92 U + 1 n (lento) −→ 0 239 −→ 93 Np 239 93 Np + 239 94 Pu + 238 92 U tem como resultado a 0 −1 e + ν 0 −1 e + ν +γ +γ , o que justifica porque raz˜o se produzem grandes quantidades de plut´nio a o durante a opera¸˜o de reactores nucleares. ca O valor t´ ıpico da energia libertada numa reac¸˜o de fiss˜o nuclear pode ca a ser estimado, observando que (ver figura 11.2) a energia de liga¸˜o (por ca nucle˜o) ´ cerca de 7, 5 MeV para um n´cleo pesado e 8, 4 MeV para os seus a e u fragmentos leves, pelo que ∆Efissao (8, 4 − 7, 5) MeV/nucle˜o × 200 nucle˜es a o 200 MeV , para os cerca de 200 nucle˜es de um n´cleo de urˆnio. Esta energia ´ lio u a e bertada sob a forma de energia cin´tica dos produtos da reac¸˜o (fragmene ca tos, neutr˜es) ou dos subprodutos (electr˜es, neutrinos, radia¸˜o electroo o ca magn´tica) resultantes de desintegra¸˜es radioactivas. e co 189
  13. 13. Em muitas reac¸˜es de fiss˜o (como a do 235 U) produzem-se pelo menos co a 92 dois neutr˜es como produtos, por cada neutr˜o incidente. Se, ap´s cada o a o fiss˜o, pelo menos um dos novos neutr˜es produzir uma outra fiss˜o, esta a o a transforma¸˜o nuclear torna-se auto-sustentada, atrav´s de um mecanismo ca e de reac¸˜o em cadeia. Se o processo se mantiver controlado, garantindo-se ca que, em m´dia, apenas um neutr˜o em cada fiss˜o produz uma nova fiss˜o, e a a a a reac¸˜o em cadeia ´ estacion´ria, tal como sucede num reactor nuclear. ca e a Mas se, ap´s cada fiss˜o, mais do que um neutr˜o produzir uma nova fiss˜o, o o a a a n´mero de reac¸˜es aumenta exponencialmente, obtendo-se uma reac¸˜o em u co ca cadeia divergente, tal como sucede numa bomba at´mica (ou num reactor o nuclear descontrolado). Nos reactores nucleares r´pidos os neutr˜es s˜o utilizados com a mesma a o a energia cin´tica (entre 1 e 2 MeV) com que s˜o emitidos. Mas nos reace a tores nucleares t´rmicos os neutr˜es s˜o primeiro travados (at´ ao equil´ e o a e ıbrio t´rmico), atrav´s de colis˜es com alvos chamados moderadores, antes de pare e o ticiparem numa nova reac¸˜o. Os alvos moderadores devem ser constitu´ ca ıdos por substˆncias com um n´mero de massa reduzido, a fim de inibir a capa u tura de neutr˜es. A ´gua, a ´gua pesada e a grafite s˜o as substˆncias mais o a a a a utilizadas como moderadores. 11.5.2 Fus˜o nuclear a A fus˜o nuclear consiste na coalescˆncia de dois n´cleos leves que colidem a e u para formar um n´cleo mais pesado. Devido ` interac¸˜o Coulombiana, os u a ca n´cleos que colidem devem ter uma energia cin´tica m´ u e ınima para ultrapassar a barreira repulsiva associada ` aproxima¸˜o dos prot˜es dos n´cleos. Notea ca o u se que este problema n˜o existe na fiss˜o nuclear, uma vez que a part´ a a ıcula que colide com o n´cleo (neutr˜o) n˜o possui carga el´ctrica. Note-se tamb´m u a a e e que a barreira repulsiva de Coulomb aumenta com o n´mero at´mico, o que u o explica porque motivo as reac¸˜es de fus˜o ocorrem apenas entre n´cleos co a u leves. A energia de activa¸˜o m´ ca ınima necess´ria para provocar a fus˜o de dois a a n´cleos, com n´meros at´micos Z1 e Z2 , calcula-se atrav´s da energia potenu u o e cial el´ctrica do sistema e 1 Z1 Z2 e2 , εp = 4πε0 rnuc onde ε0 ´ a constante diel´ctrica do v´cuo e rnuc e e a 190 10−14 m ´ a dimens˜o e a
  14. 14. t´ ıpica do raio nuclear, obtendo-se εp 0, 15Z1 Z2 MeV =⇒ Tfusao = εp kB 1, 6 × 109 K . A temperatura cin´tica de fus˜o assim estimada ´ muito mais elevada do e a e que a temperatura que se pensa existir no centro do Sol. Mesmo assim, a fus˜o de n´cleos leves ´ um dos processos mais importantes que ocorre no Sol, a u e constituindo a sua principal fonte de energia. Neste caso, a energia (temperatura) cin´tica mais reduzida dos n´cleos em fus˜o ´ compensada pela enorme e u a e energia potencial grav´ ıtica do sistema, superando-se assim a barreira de energia potencial Coulombiana. A estas temperaturas, o sistema de part´ ıculas em fus˜o ´ formado por uma mistura neutra de n´cleos com carga positiva a e u (i˜es) e de electr˜es com carga negativa, denominada plasma (ver cap´ o o ıtulo 10), cujo aquecimento e confinamento artificial constitui um tremendo desafio tecnol´gico. Com efeito, nenhum material conhecido consegue suporo tar temperaturas de milhares de milh˜es de graus. Nos sistemas naturais, o como as estrelas, o problema fica automaticamente resolvido atrav´s da ine terven¸˜o da interac¸˜o gravitacional. Na Terra, projecta-se o aquecimento ca ca e o confinamento dos plasmas de fus˜o atrav´s do uso de campo magn´ticos a e e (confinamento magn´tico, tal como se vir´ a adoptar no tokamak ITER) ou e a de feixes laser (confinamento inercial). A reac¸˜o de fus˜o mais simples ´ a captura de um neutr˜o por um prot˜o ca a e a a 2 (ou n´cleo de hidrog´nio) para formar deut´rio 1 H u e e 1 1H + 1 n −→ 2 H + 2, 224 MeV . 0 1 A principal vantagem desta reac¸˜o ´ que n˜o obriga a vencer nenhuma ca e a barreira repulsiva de Coulomb, j´ que o neutr˜o ´ electricamente neutro. a a e Esta reac¸˜o ocorre, por exemplo, quando os neutr˜es provenientes de um ca o reactor nuclear (de fiss˜o) difundem num moderador com hidrog´nio, como a e a ´gua ou parafina, e envolve a liberta¸˜o de uma quantidade de energia a ca bastante reduzida. Outras reac¸˜es de fus˜o muito simples (mas envolvendo uma liberta¸˜o co a ca de energia igualmente moderada) s˜o as que se verificam entre dois prot˜es a o 1 1H + 1 H −→ 2 H + 1 1 0 +1 e + ν + 1, 35 MeV , entre o hidrog´nio e o deut´rio para formar tr´ 3 H e e ıtio 1 1 1H + 2 H −→ 3 H + 1 1 0 +1 e 191 + ν + 4, 6 MeV ,
  15. 15. ou entre dois n´cleos de deut´rio u e 2 1H + 2 H −→ 1 3 2H 3 1H + 1 n + 3, 2 MeV 0 + 1 H + 4, 2 MeV . 1 De um ponto de vista energ´tico, duas reac¸˜es mais interessantes s˜o a e co a fus˜o entre o deut´rio e o tr´ a e ıtio 2 1H + 3 H −→ 4 He + 1 n + 17, 6 MeV , 1 2 0 ou entre o deut´rio e o h´lio-3 e e 2 1H + 3 He −→ 4 He + 1 H + 18, 3 MeV . 2 2 1 Embora esta ultima seja mais atractiva porque n˜o produz neutr˜es (e por´ a o tanto n˜o conduz ` consequente forma¸˜o de is´topos radioactivos por capa a ca o tura de neutr˜es), ela requer o uso de 3 He como combust´ o ıvel, o qual n˜o existe a 2 em abundˆncia suficiente (sob forma natural) na Terra. Por outro lado, a a primeira reac¸˜o (embora produza neutr˜es) utiliza dois combust´ ca o ıveis bas2 tante acess´ ıveis. O deut´rio (1 H) pode ser facilmente extra´ da ´gua do e ıdo a mar, enquanto que o tr´ (3 H) pode ser produzido mediante o bombardeaıtio 1 mento de l´ (6 Li) por neutr˜es ıtio 3 o 6 3 Li + 1 n −→ 4 He + 3 H . 0 2 1 Esta reac¸˜o pode ser levada a cabo, por exemplo, colocando uma camada ca de l´ nas paredes de um reactor de fus˜o, onde os neutr˜es emitidos na ıtio a o reac¸˜o sejam capturados, levando ` produ¸˜o de mais tr´ ca a ca ıtio. No Sol, a produ¸˜o de energia envolve a fus˜o de quatro prot˜es (de ca a o acordo com um ciclo em v´rias fases) num n´cleo de h´lio, segundo a u e 41 H −→ 4 He + 20 e + 2ν + 26, 7 MeV . 1 2 +1 Calcula-se que, no Sol, este processo de fus˜o consuma cerca de 5, 64×1011 kg a de hidrog´nio por segundo, levando a uma produ¸˜o de 3, 7 × 1026 W. Desta e ca 17 potˆncia, apenas 1, 7 × 10 W chega ` Terra (sobretudo sob a forma de e a radia¸˜o electromagn´tica, ver cap´ ca e ıtulo 14), o que corresponde a um valor 104 vezes superior a toda a potˆncia industrial produzida. e 192

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