Fissão nuclear, na física nuclear, é a quebra do núcleo de um átomo instável em dois núcleos menores pelo bombardeamento de partículas como nêutrons. Os isótopos formados pela divisão têm massa parecida, no entanto geralmente seguem a proporção de massa de 3 para 2.
O processo de fissão é uma reação exotérmica onde há liberação de energia e ocorre em usinas nucleares e em bombas atômicas. A fissão é considerada uma forma de transmutação nuclear pois os fragmentos gerados não são do mesmo elemento do que o isótopo gerador.
Descrição
thumb|direita|205px|Diagrama representativo da fissão nuclear do urânio: o nêutron colide com o núcleo, que se torna instável e, em seguida, se divide em dois novos núcleos menores e mais leves (bário e criptônio) que, por sua vez, liberam energia, radiação gama e alguns nêutrons. thumb|direita|205px|Reator nuclear natural de Oklo: 1. Área onde ocorreram reações de fissão. 2. Arenito. 3. Minério de urânio. 4. Granito.
Os processos que alteram o estado ou composição da matéria são acompanhados pela absorção ou geração de energia. Processos comuns, como a combustão, produzem energia pelo rearranjo químico dos átomos ou moléculas. Por exemplo, a combustão do metano é representada pela seguinte reação:
Neste exemplo, a energia produzida é de 8 elétron-volts (eV). O elétron-volt é uma unidade de energia que representa o ganho de energia cinética quando um elétron é acelerado por uma diferença de potencial de um volt.
A mais conhecida reação nuclear é a fissão. Nela, um núcleo pesado se combina com um nêutron e se separa em dois outros núcleos mais leves. Uma típica reação de fissão envolvendo o urânio é:
em que a energia liberada é de aproximadamente 200 MeV (milhões de eletron-volt), um fator de 25 milhões de vezes superior ao da reação da combustão do metano.
A captura de um nêutron pelo 235U produz um estado excitado do 236U, o qual possui energia mais do que suficiente para dividi-lo em dois fragmentos. Por outro lado, a energia crítica para a fissão do 239U é 5,9 MeV , mas a captura de um nêutron por um núcleo de 238U produz uma energia de excitação de apenas 5,2 MeV. Assim, quando um nêutron térmico é capturado pelo 238U para formar 239U, a energia de excitação não é suficiente para que a fissão ocorra. Neste caso, o núcleo excitado de 239U volta ao estado fundamental emitindo raios gama ou partículas alfa.
Todos os núcleos com número atômico maior do que 83 são radioativos. Entre os vários modos possíveis de decaimento dos núcleos muito pesados (Z > 90) está a fissão espontânea. Estes núcleos podem se dividir em dois fragmentos mesmo que não absorvam um nêutron. Podemos compreender a fissão espontânea usando a analogia de uma gota de líquido com cargas positivas. Quando a gota não é muito grande, a tensão superficial é suficiente para manter a gota coesa, apesar das forças de repulsão que existem entre as cargas. Existe, porém, um tamanho máximo a partir do qual a gota se torna instável e se parte espontaneamente em duas, já que a força de repulsão é proporcional ao número de cargas, que, por sua vez, é proporcional ao volume e, portanto ao cubo do raio da gota, enquanto a tensão superficial é proporcional à área da superfície e, portanto ao quadrado do raio da gota.
A possibilidade de fissão espontânea estabelece um limite superior para o tamanho dos núcleos e, portanto para o número de elementos da tabela periódica. É preciso observar que a probabilidade de fissão espontânea dos núcleos naturais é muito pequena em relação aos outros modos possíveis de decaimento. Assim, por exemplo, a meia-vida do 238U em relação ao decaimento alfa é de 4,5 x 109 anos, enquanto a meia-vida em relação à fissão espontânea é 1016 anos.
O mesmo núcleo pode se fissionar de muitas formas diferentes, produzindo fragmentos de diferentes tamanhos. Dependendo da reação, também podem ser emitidos um, dois ou três nêutrons. O número médio de nêutrons emitidos na reação de fissão do 235U induzida por nêutrons térmicos é 2,4. A fissão é acompanhada pela emissão imediata de um ou mais dos nêutrons em excesso, seguida pelo decaimento beta (veja na sequência) dos fragmentos de fissão para reduzir ainda mais o número de nêutrons. Em consequência, alguns nêutrons são emitidos espontaneamente imediatamente após a fissão e outros são convertidos em prótons por emissão beta. A força de repulsão eletrostática faz com que fragmentos sejam arremessados em direções opostas com energia cinética elevada; colisões com os outros átomos transformam subsequentemente energia em energia térmica. A fissão libera energia de aproximadamente 200 MeV por núcleo. Trata-se de uma quantidade muito grande de energia.
Em uma reação de combustão, por exemplo, apenas 4 eV são liberados por molécula de oxigênio consumida.
O decaimento beta ocorre com a emissão de partículas beta (β), assim chamados os elétrons (ou pósitrons) com grande quantidade de energia emitidos de núcleos atômicos. Existem duas formas de decaimento beta, β- e β+. No decaimento β+ , um próton é convertido num nêutron, com a emissão de um pósitron e de um neutrino. No decaimento β- um nêutron é convertido num próton, com emissão de um elétron e de um antineutrino (a antipartícula do neutrino).
thumb|Fusão nuclear de deutério-trítio gerando energia e produzindo como resíduo apenas hélio.
Outra importante reação nuclear é a fusão nuclear, na qual dois elementos leves combinam-se para formar um átomo mais pesado (ver: Fusão aneutrônica, Stellarator e Tokamak). Uma importante reação é:
em que a energia liberada pela reação é próxima de dezoito milhões de eV. A fusão nuclear é um processo de produção de energia a partir do núcleo de um átomo. Este fenômeno ocorre naturalmente no interior do Sol e das estrelas. Núcleos leves como o do hidrogênio e seus isótopos, o deutério e o trítio, se fundem e criam elementos de um núcleo mais pesado, como o hélio.
Usinas termonucleares aproveitam a enorme energia liberada por reações nucleares para a produção de energia em alta escala. Em uma moderna usina de carvão, a combustão de uma libra (453,59g) de carvão produz 1 quilowatt hora (kWh) de energia elétrica. A fissão de uma libra de urânio em uma moderna usina nuclear produz cerca de três milhões de kWh de energia elétrica. É a incrível densidade da energia (energia por unidade de massa) que faz as fontes de energia nuclear serem tão interessantes.
No presente, apenas o processo de fissão é utilizado na produção comercial de energia (geralmente para produzir eletricidade). As pesquisas sobre a fusão ainda não produziram uma tecnologia de produção de energia economicamente factível.
História
Descoberta da fissão nuclear
A descoberta da fissão nuclear ocorreu em 1938 nos edifícios da Sociedade Kaiser Wilhelm de Química, hoje parte da Universidade Livre de Berlim, após mais de quatro décadas de trabalho na ciência da radioatividade e na elaboração de uma nova física nuclear que descrevia os componentes dos átomos. Em 1911, Ernest Rutherford propôs um modelo do átomo no qual um núcleo de protões muito pequeno, denso e positivamente carregado era rodeado por eletrões em órbita, negativamente carregados (o Modelo de Rutherford). Niels Bohr aperfeiçoou este modelo em 1913, reconciliando o comportamento quântico dos eletrões (o Modelo de Bohr). Em 1928, George Gamow propôs o Modelo da gota líquida, que se tornou essencial para a compreensão da física da fissão.
Em 1896, Henri Becquerel descobriu a radioatividade, nomeada posteriormente por Marie Curie. Em 1900, Rutherford e Frederick Soddy, ao investigarem o gás radioativo emanado do tório, "transmitiram a tremenda e inevitável conclusão de que o elemento tório se estava a transmutar lenta e espontaneamente em gás árgon!"
Em 1919, dando seguimento a uma anomalia anterior notada por Ernest Marsden em 1915, Rutherford tentou "partir o átomo". Rutherford conseguiu realizar a primeira transmutação artificial de nitrogénio em oxigénio, utilizando partículas alfa direcionadas ao nitrogénio 14N + α → 17O + p. Rutherford afirmou: "...devemos concluir que o átomo de nitrogénio está desintegrado", enquanto os jornais declararam que ele tinha dividido o átomo. Esta foi a primeira observação de uma reação nuclear, ou seja, uma reação na qual partículas de um decaimento são utilizadas para transformar outro núcleo atómico. Ofereceu também uma nova forma de estudar o núcleo. Rutherford e James Chadwick usaram então partículas alfa para "desintegrar" boro, flúor, sódio, alumínio e fósforo, antes de atingirem uma limitação associada à energia da sua fonte de partículas alfa. Eventualmente, em 1932, uma reação nuclear e transmutação nuclear totalmente artificial foi alcançada pelos colegas de Rutherford, Ernest Walton e John Cockcroft, que utilizaram protões acelerados artificialmente contra o lítio-7, para dividir este núcleo em duas partículas alfa. O feito ficou popularmente conhecido como "dividir o átomo" e valeu-lhes o Prémio Nobel da Física de 1951 pela "Transmutação de núcleos atómicos por partículas atómicas aceleradas artificialmente", embora não se tratasse da reação de fissão nuclear descoberta mais tarde em elementos pesados.
O físico inglês James Chadwick descobriu o neutrão em 1932. Chadwick utilizou uma câmara de ionização para observar protões expelidos de vários elementos por radiação de berílio, seguindo observações anteriores feitas pelos Joliot-Curies. Nas palavras de Chadwick: "...Para explicar o grande poder de penetração da radiação, devemos assumir que a partícula não tem carga líquida..." A existência do neutrão foi postulada pela primeira vez por Rutherford em 1920 e, nas palavras de Chadwick: "...como diabo se iria construir um núcleo grande com uma carga positiva grande? E a resposta foi uma partícula neutra." Posteriormente, ele comunicou as suas descobertas com mais detalhe. and
Nas palavras de Richard Rhodes, referindo-se ao neutrão: "Serviria, portanto, como uma nova sonda nuclear de poder de penetração insuperável." Philip Morrison afirmou: "Um feixe de neutrões térmicos movendo-se à velocidade do som... produz reações nucleares em muitos materiais muito mais facilmente do que um feixe de protões... viajando milhares de vezes mais depressa." De acordo com Rhodes: "Abrandar um neutrão dava-lhe mais tempo na vizinhança do núcleo, e isso dava-lhe mais tempo para ser capturado." A equipa de Fermi, estudando a captura radiativa (a emissão de radiação gama após o núcleo capturar um neutrão), estudou sessenta elementos, induzindo radioatividade em quarenta. No processo, descobriram a capacidade do hidrogénio de abrandar os neutrões.
Enrico Fermi e os seus colegas em Roma estudaram os resultados do bombardeamento de urânio com neutrões em 1934.E. Fermi, E. Amaldi, O. D'Agostino, F. Rasetti, and E. Segrè (1934) "Radioattività provocata da bombardamento di neutroni III", La Ricerca Scientifica, vol. 5, no. 1, pages 452–453. Fermi concluiu que as suas experiências tinham criado novos elementos com 93 e 94 protões, que o grupo apelidou de ausénio e hespério. No entanto, nem todos ficaram convencidos pela análise de Fermi, embora ele viesse a ganhar o Prémio Nobel da Física de 1938 pelas suas "demonstrações da existência de novos elementos radioativos produzidos pela irradiação de neutrões, e pela sua descoberta relacionada de reações nucleares provocadas por neutrões lentos". A química alemã Ida Noddack sugeriu notavelmente em 1934 que, em vez de criar um novo elemento 93 mais pesado, "é concebível que o núcleo se parta em vários fragmentos grandes". No entanto, a objeção citada surge mais à frente no seu texto e foi apenas uma das várias lacunas que ela notou na afirmação de Fermi. Embora Noddack fosse uma química analítica de renome, faltava-lhe a formação em física para compreender a enormidade do que estava a propor.