O conceito de física quântica de massa crítica

No reino subatômico governado pelas regras da mecânica quântica, um processo chamado fissão fornece a fonte fundamental de energia para bombas atômicas e reatores nucleares. O que separa esses dois resultados muito diferentes - um violento, o outro controlado - é o conceito de massa, uma linha divisória imaginária que determina se uma reação nuclear é lenta e prolongada ou rápida e de curta duração.

Átomos de elementos instáveis ​​como urânio e plutônio se dividem em pares de elementos mais leves quando sofrem decaimento radioativo, um processo chamado fissão. Por exemplo, o urânio-235 pode se dividir em criptônio-89 e bário-144, uma fissão que também emite dois nêutrons restantes. Os elementos mais leves também podem ser instáveis, continuando como uma cadeia de decaimento radioativo que pode incluir uma dúzia ou mais elementos e levar milhões de anos para ser concluída.

Um núcleo de urânio se divide em dois elementos mais leves quando absorve um nêutron perdido; o nêutron desestabiliza o núcleo, tornando-o mais provável que sofra uma fissão. Como uma fissão produz nêutrons livres, eles podem atingir átomos vizinhos, fazendo com que também se dividam, criando uma reação em cadeia de eventos de fissão. Como as reações nucleares são de natureza quântica, são governadas por probabilidades e acaso. Quando as reações em cadeia são menos prováveis ​​de ocorrer, elas morrem, à medida que cada vez menos nêutrons disparam fissões sucessivas. Quando as circunstâncias favorecem as reações em cadeia, as fissões continuam de maneira estável. E quando as fissões são muito prováveis, as reações em cadeia se aceleram, dividindo um número cada vez maior de átomos e liberando sua energia.

A probabilidade de fissões e reações em cadeia depende em parte da massa do material radioativo envolvido. Em um ponto denominado massa crítica, as reações em cadeia são amplamente autossustentáveis, mas não aumentam. Cada elemento radioativo possui uma massa crítica específica para uma esfera da substância; por exemplo, a massa crítica do urânio-235 é de 56 kg, enquanto apenas 11 kg de plutônio-239 são necessários. Os cientistas que mantêm estoques de materiais radioativos os armazenam de forma que essas quantidades nunca ocorram na mesma vizinhança geral; caso contrário, eles podem produzir explosões violentas de radiação letal.

Para uma forma esférica de substância radioativa, aumentar a massa aumenta o número de nêutrons emitidos em um determinado momento e a probabilidade de que as fissões levem a reações em cadeia. Quantidades menores do que a massa crítica de um elemento radioativo têm reações em cadeia, mas é mais provável que morram do que continuem. Além da massa crítica, a taxa de fissões aumenta, levando a uma situação perigosa e fora de controle. As usinas nucleares usam quantidades subcríticas de elementos radioativos - o suficiente para produzir grandes quantidades de energia, mas que, por razões de segurança, nunca podem levar a uma explosão nuclear. As bombas atômicas, por outro lado, usam uma quantidade de materiais muito mais próxima de uma massa crítica. Uma bomba atômica permanece subcrítica até que seja disparada com uma explosão de nêutrons e espremida por uma explosão de altos explosivos convencionais. Os explosivos fazem com que o material se torne momentaneamente supercrítico; as reações em cadeia ficam fora de controle em alguns milionésimos de segundo, liberando a energia equivalente a dezenas de milhares de toneladas de TNT.