Fissão e Fusão Nuclear

A fissão e a fusão nuclear liberam grandes quantidades de energia ao rearranjar os nucleões para configurações mais fortemente ligadas, dividindo núcleos pesados ou unindo núcleos leves.

Definition

A fissão nuclear é a divisão de um núcleo pesado em fragmentos mais leves, geralmente acompanhada pela emissão de nêutrons e energia, enquanto a fusão nuclear é a combinação de núcleos leves em um núcleo mais pesado com a liberação de energia; ambas convertem diferenças de energia de ligação nuclear em energia utilizável.

Scope

Este tópico abrange a divisão de núcleos pesados, como urânio e plutônio, em fragmentos mais leves com a liberação de nêutrons e energia, e a fusão de núcleos leves, como isótopos de hidrogênio, em núcleos mais pesados. Ele aborda o modelo da gota líquida da fissão, reações em cadeia e criticidade, a barreira de Coulomb que a fusão deve superar e as condições para a liberação controlada e explosiva de energia nuclear.

Core questions

• Como um núcleo pesado se divide e como a energia liberada e o número de nêutrons são determinados?
• Quais condições são necessárias para sustentar uma reação em cadeia controlada?
• Como os núcleos leves podem superar sua repulsão eletrostática mútua para se fundirem?
• Por que a fusão alimenta as estrelas, mas permanece difícil de ser alcançada na Terra?

Key concepts

• Fragmentos de fissão e emissão de nêutrons
• Reação em cadeia e criticidade
• Barreira de fissão
• Barreira de Coulomb na fusão
• Cadeia próton-próton e ciclo CNO
• Liberação de energia e curva de energia de ligação

Key theories

Teoria da gota líquida da fissão

Bohr e Wheeler modelaram a fissão como a deformação e divisão de uma gota líquida carregada, explicando a competição entre a tensão superficial e a repulsão de Coulomb que estabelece a barreira de fissão.

Ciclos de fusão estelar

Bethe identificou a cadeia próton-próton e o ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio como as reações de fusão que alimentam as estrelas, convertendo hidrogênio em hélio com a liberação de energia.

Clinical relevance

A fissão alimenta reatores e armas nucleares e produz isótopos médicos e industriais, enquanto a fusão impulsiona o Sol e as estrelas e é buscada como uma potencial fonte de energia limpa em larga escala em experimentos de confinamento magnético e inercial.

History

A fissão nuclear foi descoberta quimicamente por Hahn e Strassmann em 1938 e interpretada por Meitner e Frisch em 1939, com Bohr e Wheeler fornecendo o mecanismo teórico no mesmo ano, levando rapidamente a reatores e armas. Paralelamente, Bethe explicou em 1939 que a fusão alimenta as estrelas, e a busca pela fusão terrestre controlada tem continuado desde então como um grande desafio científico e de engenharia.

Key figures

• Lise Meitner
• Otto Frisch
• Niels Bohr
• Hans Bethe

Seminal works

• meitner1939
• bohrwheeler1939
• bethe1939

Frequently asked questions

O que é uma reação em cadeia?

Na fissão, cada núcleo que se divide libera nêutrons que podem induzir outras fissões. Se, em média, pelo menos um nêutron liberado desencadeia outra fissão, a reação se sustenta como uma reação em cadeia, a base de reatores e armas.

Por que a fusão é mais difícil de ser alcançada do que a fissão?

A fusão requer que núcleos carregados positivamente se aproximem o suficiente para se fundirem, o que exige temperaturas e pressões muito altas para superar sua repulsão eletrostática. A fissão, por outro lado, pode ser iniciada por um nêutron lento sem tal barreira.