A bomba atômica baseada na fissão nuclear usa o mecanismo da
quebra em cadeia dos núcleos de certos elementos químicos, provocada pelo
choque de um nêutron vindo de fora. Em geral, os elementos ‘fissionáveis’
emitem alguns nêutrons nos instante da fissão, e se a concentração desses
elementos for suficientemente alta, os nêutrons emitidos pelos primeiros
núcleos ‘quebrados’ causarão a fissão de outros átomos e a emissão de mais
nêutrons, e assim por diante, iniciando um processo em cadeia. Isso não
ocorrerá, porém, se a concentração de elementos fissionáveis for baixa; os
nêutrons emitidos nas primeiras fissões não provocarão outras de maneira
eficiente, impedindo a reação em cadeia.
Portanto, para que ocorra uma explosão nuclear, é
necessária, em primeiro lugar, uma concentração suficiente de matéria
fissionável (urânio ou plutônio, elementos com grande número de prótons e
nêutrons em seu núcleo) – é a chamada ‘densidade crítica’. No caso de uma
bomba, essa concentração deve ficar acima da densidade crítica. Isso é obtido
pela detonação de algum material explosivo em volta da matéria fissionável. A
onda de choque vinda de todos os lados comprime essa matéria (ou seja, provoca
sua implosão), resultando em um estado de alta concentração, onde a densidade
estará acima do valor crítico.
Atingir o estado de alta concentração da matéria
fissionável, porém, não basta para desencadear a fissão. Para isso, é
necessário injetar os primeiros nêutrons, que devem ser criados por outros
meios – algo que não é muito difícil. Os núcleos atômicos são formados por
prótons e nêutrons e, quando dois núcleos colidem, essas partículas podem ser
rearranjadas para compor outros, emitindo os nêutrons que sobram. Embora a
probabilidade seja pequena, podem existir nêutrons até na atmosfera, devido à
colisão de raios cósmicos com núcleos de elementos presentes no ar. No caso de
uma bomba atômica, porém, é preciso gerar uma quantidade suficiente de nêutrons
exatamente no instante em que ocorre a implosão da matéria fissionável para
obter maior eficiência na explosão.
Nas bombas atômicas da época da Segunda Guerra Mundial eram
usados, para produzir nêutrons, os elementos polônios (Po-210) e berílio
(Be-9). O polônio emite uma partícula alfa que bombardeia o berílio e é
absorvida por ele, provocando a emissão de nêutrons. Para que esse mecanismos atue
como um gatilho para a bomba, é preciso isolar o polônio e o berílio (colocando
entre eles material que absorve a partícula alfa, como uma folha de ouro) e, em
determinado instante, retirar essa separação.
O método mais moderno usa um
pequeno acelerador de íons para gerar um pulso de nêutrons de forma controlada.
De início, cria-se uma fonte de íons de deutério (átomos de hidrogênio com um
nêutron, carregados eletricamente) e estes são acelerados – aplicando-se alta
tensão – dentro de um tubo de vácuo em direção a um alvo de metal contento
trítio (átomo de hidrogênio com dois nêutrons). A tensão aplicada aos íons de
deutério faz com que eles colidam com o alvo, pois a energia é superior à
necessária para vencer a força repulsiva entre o dêuteron (núcleo do deutério)
e o trítio. Ao se tocarem, os dois núcleos se fundem e emitem um nêutron com
energia de cerca de 14 milhões de elétrons-volts (milhões de vezes maior que em
reações químicas usuais). Esse nêutron é capaz de desencadear a fissão do
urânio e do plutônio, desde que a concentração destes seja suficiente. Esse
método permite sincronizar com precisão o gatilho da bomba e a implosão do
material fissionável, uma dificuldade do método usado nas primeiras bombas.
Takeshi Kodama, Instituto de Física, Universidade
Federal do Rio de Janeiro.
Ciência Hoje, v. 39, n. 231.
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