Teste termonuclear durante a
Operacao Castelo
, na detonacao da
Castle Romeo
.
A explosao de uma
bomba atomica
consegue facilmente arrasar uma grande cidade. Na imagem, a cidade de
Hiroshima
(
Japao
) apos a explosao da primeira bomba atomica usada contra civis em finais da
Segunda Guerra Mundial
. Entretanto, a forca da bomba jogada sobre Hiroshima, baseada em
fissao nuclear
, e muitas vezes menor que a de uma bomba de hidrogenio (nunca utilizada em guerra), sendo que
a maior bomba de hidrogenio detonada pelo homem
teve um poder de destruicao 4 000 vezes superior ao da bomba de Hiroshima.
Uma
bomba de
hidrogenio
(
portugues europeu
)
ou
hidrogenio
(
portugues brasileiro
)
, designacao mais adaptada ao seu significado
bomba termonuclear
, e um tipo de armamento que consegue ser milhares de vezes mais potente do que qualquer
bomba nuclear
de fissao.
[
1
]
Hans Albrecht Bethe
(
1906
-
2005
) foi um dos responsaveis pela descricao de como a
fusao nuclear
podia produzir a energia que faz as
estrelas
brilharem. Esta teoria foi publicada no seu
artigo
A Producao de Energia das Estrelas
, publicado em
1939
, e que lhe valeu o
premio Nobel
em
1967
.
Hans Bethe tomou os melhores dados das
reacoes nucleares
existentes e mostrou, em detalhe, como quatro
protons
poderiam ser unidos e transformados em um
nucleo
de
helio
, libertando a energia que Eddington havia sugerido. O processo que Bethe elaborou no seu artigo, atualmente conhecido como o
Ciclo do carbono
, envolve uma cadeia complexa de seis reacoes nucleares em que
atomos
de
carbono
e
nitrogenio
agem como
catalisadores
para a fusao nuclear. Naquela epoca, os
astronomos
calculavam que a temperatura no
nucleo solar
fosse de cerca de 19 milhoes de
Kelvin
, e Bethe demonstrou que, aquela temperatura, o ciclo do carbono seria o modo dominante de producao de energia.
Na mesma epoca, alem de Hans Bethe, o fisico alemao
Carl Friedrich von Weizsacker
(
1912
?
2007
) e
Charles Critchfield
(
1910
?
1994
) identificaram varias das reacoes de fusao nuclear que mantem o brilho das estrelas.
A descoberta da fissao nuclear ocorreu a
10 de dezembro
de
1938
e foi descrita num artigo submetido ao
Naturwissenschaften
a
22 de dezembro
de 1938, pelos alemaes
Otto Hahn
(
1879
?
1968
) e
Fritz Strassmann
(
1902
?
1980
) e pela austriaca
Lise Meitner
(
1878
?1968).
O italiano
Enrico Fermi
(
1901
?
1954
) foi uma das pessoas mais importantes no desenvolvimento teorico e experimental da bomba atomica. Quando
Benito Mussolini
(
1883
?
1945
) aprovou o
Manifesto della Razza
a
14 de Julho
de 1938, impondo leis racistas na
Italia fascista
, Enrico decidiu aceitar o emprego oferecido pela
Columbia University
, nos
Estados Unidos
. Ele e a sua familia partiram de
Roma
para a cerimonia de entrega do
Premio Nobel
a Fermi em Dezembro de 1938 e nunca retornaram a
Italia
. O Nobel foi-lhe dado por seu estudo sobre a
radioatividade
artificial, com as suas experiencias de bombardeamento de
uranio
com
neutroes
, criando novos
elementos
mais pesados, e o seu aumento pela reducao da velocidade dos neutroes. Fermi havia descoberto que quando ele colocava uma placa de
parafina
entre a fonte de neutroes e o
uranio
, aumentava a radioactividade, pois aumentava a chance do neutrao ser absorvido pelo nucleo de uranio.
Em
1934
, o hungaro
Leo Szilard
(
1898
?
1964
) ja havia
patenteado
a ideia da
reacao em cadeia
e, a
2 de dezembro
de
1942
, Fermi conseguiu construir uma
massa critica
de U235/U238 nao separados (na natureza somente 0,7% sao do U235 que e ativo), usando
grafite
para reduzir a velocidade dos neutroes e acelerar a producao de neutroes secundarios. Na experiencia, ele utilizou barras de
cadmio
como absorventes de neutroes para regular a experiencia e produziu um crescimento exponencial do numero de neutroes, isto e, uma reacao em cadeia.
Em 1939, os fisicos ja sabiam que
agua pesada
agia como um
moderador nuclear
, isto e, redutor de velocidade dos neutroes, como a parafina. A agua normal (leve) consiste de dois
atomos
de
hidrogenio
(H) e um atomo de
oxigenio
(O). Na agua pesada, dois
isotopos
de hidrogenio,
deuterio
, unem-se com o oxigenio. Agua pesada e ainda hoje utilizada como moderador em reatores nucleares de uranio natural.
Em 1939, Szilard convenceu
Albert Einstein
(1879?
1955
), um importante fisico, com quem ele tinha trabalhado em
1919
em
Berlim
, a mandar uma carta para o presidente americano
Franklin Delano Roosevelt
(
1933
?1945) sobre o desenvolvimento pelos alemaes de
armas atomicas
e pedindo ao presidente que iniciasse um programa americano, que mais tarde se chamaria
Projecto Manhattan
, chefiado pelo americano
Julius Robert Oppenheimer
(
1904
?1967), e levaria ao desenvolvimento do Los Alamos National Laboratory, ao
teste Trinity
, a
16 de Julho
de 1945, com a explosao da primeira bomba atomica em
Alamogordo
, no
Novo Mexico
, e a construcao das bombas
Little Boy
(de 20 mil toneladas de T.N.T - 15 KiloTons
[
2
]
) e
Fat Man
, que seriam utilizadas em
Hiroshima e Nagasaki
em
6
e
9 de Agosto
de 1945.
O hungaro
Edward Teller
(1908?2003), sob protestos de Fermi e Szilard, chefiou o desenvolvimento da bomba de fusao de hidrogenio, que utiliza uma bomba de fissao como gatilho para iniciar a colisao do deuterio com o
tritio
. A bomba de hidrogenio,
Ivy Mike
(com intensidade equivalente a detonacao de 10,4 megatoneladas de
T.N.T.
) foi testada a
31 de Outubro
de
1952
, em Eniwetok.
A primeira bomba de hidrogenio explodiu durante uma experiencia feita pelos
Estados Unidos
(
Operacao Ivy
) em 1952. Detonou com uma forca de dez
megatons
, igual a explosao de dez milhoes de
toneladas
de T.N.T., um forte
explosivo
convencional. A potencia desta terrivel arma mostrou ser 750 vezes superior a das primeiras
bombas atomicas
e suficiente para arrasar qualquer grande
cidade
.
Albert Ghiorso
(1915?2010), trabalhando na
Universidade da California em Berkeley
, em Dezembro de 1952, descobriu um novo
elemento
ao analisar residuos da detonacao da
Ivy Mike
.
[
3
]
Como homenagem para Albert Einstein, este novo elemento, de
massa atomica
99 na
tabela periodica
, recebeu o nome
Einstenio
.
[
4
]
Em
1961
, a
Uniao Sovietica
experimentou a bomba mais poderosa ate entao concebida (apelidada de
Tsar Bomba
), a qual foi atribuida uma forca de 57 megatons. Inicialmente, a Tsar era uma bomba de 100 megatons. Porem, temendo que a explosao resultasse em uma tempestade radioativa que atingiria a
Europa
ou o proprio territorio russo, sua potencia foi reduzida pela metade.
[
5
]
Ja o teste nuclear mais potente realizado pelos Estados Unidos foi o
Castle Bravo
, realizado no dia
1 de marco
de
1954
. O projeto da bomba previa um rendimento de 6 Megatons, mas devido a um erro de calculo, explodiu com uma forca de 15 MT.
[
6
]
[
7
]
Ate os dias de hoje, inicio do
seculo XXI
, ainda nao e possivel controlar a reacao de fusao nuclear para aplicacoes pacificas, como ja e realizado como a
fissao nuclear
. Um dos fatores que pesam contra o seu uso e a falta de uma maneira para se controlar temperaturas altissimas (cerca de 100 milhoes de graus Celsius).
Na bomba de hidrogenio, um disparador de bomba atomica inicia uma reacao de
fusao nuclear
num
composto quimico
de
deuterio
e
tritio
, produzindo instantaneamente o
helio-4
, que por sua vez reage com o deuterio. Porem, os cientistas militares foram mais alem, no que diz respeito ao poder destrutivo da bomba, envolvendo-a em
uranio
natural. Os poderosos
neutroes
libertos pela fusao causam depois uma explosao por
fissao nuclear
no involucro de uranio.
Para que uma reacao nuclear ocorra, as particulas precisam vencer a
Barreira de Coulomb
repulsiva entre as
particulas
(descoberta por
Charles Augustin de Coulomb
,
1736
?
1806
), dada por
, enquanto a
energia cinetica
entre as particulas e determinada por uma distribuicao de
velocidades de Maxwell-Boltzmann
correspondente a
energia termica
Para temperaturas da ordem de dezenas a centenas de milhoes de graus, a energia media das
particulas
interagentes e muitas ordens de magnitudes menor do que a barreira Coulombiana que as separa. As reacoes ocorrem pelo efeito de
tunelamento quantico
, proposto em 1928 pelo fisico russo-americano
George Gamow
(1904?1968). As particulas com maior chance de penetrar a barreira sao aquelas com a maxima energia na distribuicao de Maxwell-Boltzmann (dada por
).
A explicacao de von Weizacker e Critchfield para as reaccoes de fusao nuclear que mantem o brilho das estrelas e dada pela equacao
. Hoje em dia, o valor aceito para a temperatura do nucleo do Sol e de 15 milhoes de
Kelvin
, e a esta temperatura, como explicitado por Bethe no seu artigo, o
ciclo proton-proton
domina.
A liberacao de energia pelo ciclo do carbono e proporcional a 20ª potencia da temperatura, como explicitado em
, para temperaturas da ordem de 10 milhoes de K, como no interior do
Sol
. Ja para o
ciclo proton-proton
, a dependencia e muito menor, com a quarta potencia da temperatura, como explicitado em
.
Atualmente, sabe-se que o
Ciclo do carbono
contribui pouco para a geracao de energia para estrelas de baixa massa como o Sol, porque as suas temperaturas centrais sao baixas, mas domina para estrelas mais massivas.
Rigel
, por exemplo, tem temperatura central da ordem de 400 milhoes de Kelvin. Quanto maior for a temperatura central, mais veloz sera o proton, e maior a sua energia cinetica, suficiente para penetrar a repulsao Coulombiana de nucleos com maior numero de protons.
A
astrofisica
demonstrou que as leis fisicas que conhecemos na nossa limitada experiencia na
Terra
sao suficientes para estudar completamente o interior das
estrelas
. Desde as descobertas de Bethe, o calculo de
evolucao estelar
atraves da uniao da estrutura estelar com as taxas de reacoes nucleares tornou-se um campo bem desenvolvido e astronomos calculam com confianca o fim de uma estrela como o nosso Sol daqui a 6,5 bilhoes de anos como uma
ana branca
, apos a queima do helio em carbono pela reaccao
, conforme em
, e a explosao de estrelas massivas como
supernovas
.
Tres atomos de helio colidem, formando um carbono e liberando
fotons
. Sabemos com certeza que o Sol converte aproximadamente 600 milhoes de toneladas de
hidrogenio
em helio por segundo, mantendo a vida aqui na
Terra
. Esta energia produzida pelo Sol, de
ergs/s e equivalente a 5 bilhoes de bombas de hidrogenio por segundo. Para comparar, a primeira bomba atomica, de uranio, chamada de
Little Boy
, e que explodiu sobre a cidade de
Hiroshima
, tinha uma potencia de 20 mil toneladas de TNT (
trinitrotolueno
). Uma bomba de hidrogenio tem uma potencia de 20 milhoes de toneladas de TNT.
A fusao nuclear tambem ocorre no Sol, e na maioria das estrelas, onde sao encontradas temperaturas de um milhao a dez milhoes de
graus Celsius
. Como o Sol tem 4,5 bilhoes de anos, ele nao nasceu do material primordial (
hidrogenio
e
helio
) que preenchia o
Universo
cerca de 500 000 anos apos o
Big Bang
, mas sim de material ja reciclado. Este material passou alguns milhares de milhoes de anos numa estrela que se tornou uma
supergigante
e explodiu como supernova, ejetando hidrogenio e helio no
espaco sideral
, juntamente com cerca de 3% de elementos mais pesados, como carbono, oxigenio,
enxofre
,
cloro
e
ferro
que tinham sido sintetizados no nucleo da supergigante, antes desta tornar-se uma supernova. O material ejetado comecou a concentrar-se por algum evento externo, como a explosao de outra supernova ou a passagem de uma onda de densidade, e, com o aumento de sua densidade, as excitacoes por colisoes atomicas e moleculares provocaram a emissao de radiacao. Esta perda de energia por radiacao torna a contracao irreversivel, forcando o colapso gravitacional. A
segunda lei da termodinamica
nos ensina que um processo que envolve um fluxo liquido de radiacao e irreversivel, ja que ha aumento da entropia, representada pela perda da radiacao.
O conceito de
entropia
foi formulado pelo fisico matematico alemao
Rudolf Julius Emanuel Clausius
(
1822
?
1888
), e mede quao proximo do equilibrio ? isto e, perfeita desordem interna ? um sistema esta. A entropia de um sistema isolado so pode aumentar, e quando o equilibrio for alcancado, nenhuma troca de energia interna sera possivel. Somente quando a temperatura da parte interna desta nuvem colapsante alcanca cerca de 10 milhoes de Kelvin, a contracao e interrompida, pois entao a energia nuclear e importante fonte de energia. O conceito de entropia esta intimamente ligado ao conceito de calor. Quando um sistema recebe entropia (calor), ele recebe energia. Se um corpo a uma temperatura T recebe entropia (S), ele absorve energia (E) equivalente ao produto da temperatura pela entropia, conforme
A entropia (calor) pode ser transportada, armazenada e criada. A entropia e o transportador da energia em processos termicos. Ela pode ser criada em processos irreversiveis, como
queima
,
friccao
, transporte de calor, mas nao pode ser destruida. A quantidade de energia usada na criacao de entropia e dita dissipada.
Quando 2 atomos de hidrogenio se transformam em deuterio, no primeiro passo da fusao do hidrogenio (
), este 1,4 MeV corresponde a 1,6 ×10^10 cal/grama igual a 2 milhoes de vezes a energia liberada na combustao de um
grama
de
carvao
.
A unidade de calor e chamada
Carnot
(Ct, igual a 1 Joule/Kelvin), em honra ao fisico frances
Nicolas Leonard Sadi Carnot
(
1796
?
1832
). 1 Ct e a quantidade de calor necessaria para derreter um
centimetro cubico
de
gelo
.
Referencias
Commons