Todas as substâncias são formadas de pequenas partículas chamadas átomos. Para se ter uma ideia, eles são tão pequenos que uma cabeça de alfinete pode conter 60 milhões deles.
Os gregos antigos foram os primeiros a saber que a matéria é formada por tais partículas, as quais chamaram átomo, que significa indivisível. Os átomos porém são compostos de partículas menores: os prótons, os nêutrons e os elétrons. No átomo, os elétrons orbitam no núcleo, que contém prótons e nêutrons.
Elétrons são minúsculas partículas que vagueiam aleatoriamente ao redor do núcleo central do átomo, sua massa é cerca de 1840 vezes menor que a do Núcleo. Prótons e nêutrons são as partículas localizadas no interior do núcleo, elas contém a maior parte da massa do átomo.
O Interior do Átomo
No centro de um átomo está o seu núcleo, que apesar de pequeno, contém quase toda a massa do átomo. Os prótons e os nêutrons são as partículas nele encontradas, cada um com uma massa atômica unitária.
O Número de prótons no núcleo estabelece o número atômico do elemento químico e, o número de prótons somado ao número de nêutrons é o número de massa atômica. Os elétrons ficam fora do núcleo e tem pequena massa.
Há no máximo sete camadas em torno do núcleo e nelas estão os elétrons que orbitam o núcleo. Cada camada pode conter um número limitado de elétrons fixado em 8 elétrons por camada.
Características das Partículas:
Prótons: tem carga elétrica positiva e uma massa unitária.
Nêutrons: não tem carga elétrica mas tem massa unitária.
Elétrons: tem carga elétrica negativa e quase não possuem massa.
Estudo do Átomo
Em 1911 o físico neozelandês Ernest Rutherford fez sua "experiência da dispersão" para suas novas descobertas sobre a estrutura do átomo e dela surgiu a base para o modelo de átomo que estudamos até os dias de hoje.
Rutherford bombardeou uma fina camada de ouro com partículas alfa (partículas atômicas emitidas por alguns átomos radioativos), sendo que a maioria atravessou a lâmina, outras mudaram ligeiramente de direção e algumas rebateram para trás. Ele concluiu que isso acontecia porque em cada átomo de ouro há um denso núcleo que bloqueia a passagem de algumas partículas.
Física Nuclear
O estudo do núcleo (centro) do átomo é chamado Física Nuclear. Como resultado desse estudo os cientistas descobriram maneiras de dividir o núcleo do átomo para liberar grandes quantidades de energia.
Ao se partir um núcleo, ele faz com que muitos outros se dividam, numa reação nuclear em cadeia. Nas usinas nucleares as reações são controladas e produzem luz e calor para nossos lares. Usinas nucleares produzem artificialmente grandes quantidades de energia.
O Sol é a maior fonte de energia nuclear. A cada segundo no interior do Sol, ocorrem milhões de reações nucleares em cadeia, pois, o intenso calor do Sol fazem com que seus átomos se choquem uns contra os outros e simulam em reações conhecidas como fusão nuclear. O núcleo de cada átomo libera energia que sentimos na forma de calor e enxergamos na forma luz. Enormes explosões de energias, chamadas de protuberâncias solares, ocorrem ocasionalmente na superfície do Sol.
Física de Partículas
Tudo que conhecemos consiste em minúsculos átomos, que são formados por partículas ainda menores e a Física de Partículas é o estudo dessas últimas que constituem os mais básicos blocos formadores da matéria no universo.
O estudo das partículas dá aos cientistas o conhecimento amplo do Universo e da natureza da matéria. Grande parte deles concorda que o universo se formou numa grande explosão, chamada de Big Bang. Segundos após o Big Bang, acredita-se que as partículas atômicas e a radiação eletromagnética foram as primeiras coisas que passaram a existir no Universo.
Partículas Fundamentais
Os físicos dividem as partículas atômicas fundamentais em três categorias: quarks, léptons e bósons. Os léptons são partículas leves como o elétron.
Os bósons são partículas sem massa que propagam todas as forças do Universo. O glúon, por exemplo, é um bóson que une os quarks e estes formam os prótons e os nêutrons no núcleo atômico.
Os quarks se combinam para formar as partículas pesadas, como o próton e o nêutron. As partículas formadas pelos quarks são chamadas hádrons. Tal como outras partículas tem cargas diferentes, tipos diferentes de quarks tem propriedades distintas, chamadas "sabores" e "cores" , que afetam a forma de como eles se combinam.
Acelerador de Partículas
Partículas atômicas são estudadas com o uso dos aceleradores de partículas, as quais são máquinas complexas que disparam partículas atômicas a velocidades altíssimas, fazendo-as colidir com outras. Tais colisões expõem novas partículas que podem ser analisadas.
Há dois tipos de aceleradores:
Circular: As partículas são disparadas em círculos cada vez mais rápidos, por meio de poderosas forças elétricas e quando ganham suficiente rapidez são soltas em uma trilha central onde colidem com partículas alvo.
Linear: São disparadas duas trajetórias de partículas em alta velocidade, uma contra a outra.
Nos dois tipos de aceleradores de partículas acima, as trajetórias são registradas e as informações são fornecidas a computadores, que investigam as novas partículas.
Fissão Nuclear
Há dois tipos de reação nuclear: a fissão e a fusão. As usinas nucleares usam a fissão para produzir sua energia. Partículas atômicas que se movem com grande rapidez, chamadas nêutrons, são atiradas contra o núcleo do átomo para dividi-lo. Essa divisão é chamada fissão e faz com que os outros átomos também se dividam, numa reação em cadeia. Nesse processo, um pouco da massa (o número de partículas pesadas dentro do átomo) se perde, convertendo-se em imensas quantidades de energia.
Ao se iniciar uma reação de fissão nuclear, uma partícula rápida chamada nêutron é disparada contra o núcleo de um átomo de Urânio 235. O nêutron de alta velocidade, tem potência suficiente para penetrar no interior do núcleo onde é absorvido, em seguida, o núcleo se divide em duas partes num processo chamado fissão. Essa fissão produz mais dois ou três nêutrons que vão dividir mais núcleos numa reação em cadeia. Cada vez que um átomo sofre uma fissão, libera grande quantidade de energia.
Reações Nucleares em Cadeia
Urânio-235 é uma forma de urânio utilizada em reações nucleares em cadeia, por que seus átomos instáveis se desintegram facilmente. Se o fragmento de urânio ultrapassar certo tamanho (conhecido como massa crítica), seus átomos se desintegram automaticamente.
A massa crítica de urânio-235 equivale a mais ou menos o tamanho de uma bola de tênis. Se for maior, os átomos automaticamente se desintegram e cada um, por sua vez, libera dois ou três nêutrons. Cada nêutron desintegra o núcleo de dois ou três átomos. A cada vez que um átomo se desintegra, enorme quantidade de energia é liberada. Uma reação em cadeia, não controlada, prosseguiria indefinidamente.
Reatores de Fissão Nuclear
Os reatores de fissão produzem energia nuclear em usinas geradoras. No centro do reator, há barras cilíndricas de urânio-235, cujos átomos se desintegram em reações nucleares em cadeia.
As reações são intensificadas e diminuídas, ou mesmo interrompidas, por um moderador (usualmente grafita), por barras de boro ou cádmio. As energias dessas reações aquece água ou dióxido de carbono. Isso produz o vapor. O reator de fissão é alojado no interior de uma cúpula de paredes de concreto. Por segurança, no centro ou núcleo do reator as barras de urânio combustível ficam sob 10,5 m de água.
Termos Nucleares
Existem muitos termos especiais para descrever os processos e os equipamentos usados nas usinas geradoras de energia. Os mais frequentes estão relacionados a seguir:
Lixo Nuclear: O lixo nuclear é o material radioativo já usado, que precisa ser descartado com segurança. É extremamente perigoso, pois emite ondas de alta frequência, chamadas radiação, capazes de danificar tecidos vivos. A radiação pode perdurar por milhares - e, alguns casos milhões de anos. O lixo nuclear é produzido em laboratórios de pesquisa, usinas, hospitais, bem como nos reatores nucleares de fissão. Mas a maior parte do lixo "quente" provém dos reatores. Parte do lixo pode ser reprocessada para a produção de novo combustível nuclear, mas o restante tem de ser enterrado, ou tratado em usinas especiais. Guardar o lixo nuclear é difícil, porque há sempre o perigo de um vazamento.
Reatores Rápidos: Funcionam de forma semelhante aos de fissão nuclear. A diferença é que, fornecem energia para o presente, eles criam o combustível para as reações futuras.
Fusão do Núcleo do Reator: Se sair do controle devido a falha mecânica, a reação em cadeia que ocorre no interior do reator fará com que o núcleo desse reator se funda, quando a intensidade do calor crescer. Finalmente, o núcleo do reator poderá explodir ou queimar juntamente com o restante do reator, disso resultando efeitos desastrosos. Em 1986, na usina de Chernobyl, na Ucrânia, um dos reatores explodiu e ficou queimando durante duas semanas, até que o incêndio foi, finalmente, extinto. Fusões parciais já ocorreram em acidentes ocorridos em várias outras usinas nucleares.
Sistema de Refrigeração: Um refrigerante é um fluído utilizado para remover o calor de um sistema, seja para controlar a temperatura, seja para transportar o calor para outra parte. Nas reações nucleares, o refrigerante é usado para transferir o calor gerado durante a reação, do núcleo do reator para a usina onde será convertido em eletricidade.
Barras de Controle: São inseridas no núcleo dos reatores nucleares. Quando elas penetram no núcleo do reator, a reação da cadeia dos átomos que se desintegram diminui de velocidade; quando são retidas, a reação aumenta de velocidade. As barras de controle contém os elementos boro ou cádmio, que absorvem nêutrons produzidos pela reação. Isso garante que a reação prossiga equilibradamente. As barras também podem ser usadas para parar totalmente a reação em cadeia no caso de uma emergência.
Moderador: Um nêutron de baixa velocidade causará uma reação de fissão de maior probabilidade do que um nêutron rápido. Movendo-se muito depressa, o nêutron pode ricochetear contra um átomo vizinho, em vez de desintegrá-lo. Muitos reatores necessitam de um moderador para manter o andamento de uma reação em cadeia, diminuindo a velocidade dos nêutrons. O moderador se localiza no núcleo do reator; pode-se usar vários materiais, inclusive água e grafita.
Fusão Nuclear
A fusão nuclear é um tipo de reação que produz imensas quantidades de energia. Ela ocorre naturalmente no interior do Sol, gerando a energia térmica que necessitamos para sobreviver na Terra. A temperaturas de 14.000.000 ºC (quatorze milhões de graus Célcius), os núcleos de dois átomos de hidrogênio se fundem ou unem. No processo, um pouco de massa é perdida e convertida em energia.
No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de tipos de gás hidrogênio se fundem formando o gás hélio e mais uma partícula atômica chamada nêutron. Nesse processo se perde uma pequena quantidade de massa que se converte em enorme quantidade de energia. As temperaturas extremamente altas que existem no Sol, fazem com que este processo se repita continuamente.
Reatores de Fusão Nuclear
Para alcançar as temperaturas necessárias para a fusão nuclear, os átomos de hidrogênio são aquecidos em um reator de fusão. Os núcleos dos átomos são separados dos elétrons (partículas com carga elétrica negativa) e se forma um tipo especial de matéria chamado plasma. Para que os núcleos separados de hidrogênio possam se fundir, o plasma deve ser conservado a temperatura de aproximadamente 14.000.000 ºC (quatorze milhões de graus Célcius).
O campo eletromagnético dentro do reator, mantém as altas temperaturas necessárias para a fusão nuclear. Ainda estão sendo feitas pesquisas para fundir núcleos de hidrogênio em larga escala, nos experimentos de fusão da Joint European Torus, na Inglaterra.
Relógio Atômico
A medição do tempo para fins científicos deve ser muito precisa e o Relógio Atômico é o mais preciso de todos que existem atualmente. Ele mede as diminutas trocas de energia do interior dos átomos do metal Césio. Por serem muito regulares, as trocas criam um padrão preciso para medir o tempo. O Relógio Atômico mede as vibrações naturais dos átomos de Césio. Eles vibram mais de 9 bilhões de vezes por segundo, com isso, o Relógio Atômico atrasará poucos segundos a cada 100.000 anos.
