Fazer Novos Elementos Químicos

Fazer novos elementos químicos

Do início do universo até

os elementos artificiais feitos hoje

Armin Franz Isenmann

Conteúdo

Bem-vindo ao mundo do núcleo

O início de tudo e a criação dos elementos químicos leves

O átomo é feito de partículas elementares

A matéria mostra sua cara pela primeira vez

Enfim luz – o surgimento das primeiras estrelas

Estrela – a fábrica dos elementos

As estrelas mais pesadas vão além

Nêutron por nêutron em direção aos elementos mais pesados

A criação dos elementos está encerrada?

Os elementos radioativos naturais

A lei de Soddy, Fajans e Russel

As séries de decaimento natural

Radioatividade e radiação eletromagnética

Energia e radioatividade

Interação da radiação com a matéria

Indicadores radioativos (Tracer)

A velocidade do decaimento

Tempo de meia-vida

Elementos puros e mistos

Distribuição dos tempos de decaimento

Medição de meias-vidas radioativas

Equilíbrio radioativo

Determinação da idade de minerais e rochas

Balanço energético de reações nucleares

Radiação é perda de massa

As energias coesivas no núcleo

Reações nucleares artificiais

Reações nucleares singulares

Projéteis e sua aceleração

Reações nucleares simples

Reações nucleares com núcleos de hélio

Reações nucleares com prótons

Reações nucleares com nêutrons

Transformações nucleares com projéteis mais pesados

Reações nucleares induzidos por raios γ

Os elementos que faltam na tabela periódica

Radioatividade artificial e sua aplicação a eventos naturais

Fragmentação total do núcleo

A fissão controlada de núcleos

A fusão nuclear

A reação nuclear em cadeia

Controle da fissão nuclear em cadeia

Reatores criadores

Material combustível do reator nuclear

Separação dos isótopos do urânio

Em rumo à fusão nuclear controlada

Base atômica da fusão

Métodos de aquecimento do plasma

Estabelecer o campo magnético

Ocorrência e aquisição do combustível da fusão

Criação de trítio e multiplicação de nêutrons

Reabastecimento de combustível

Removendo hélio e impurezas

Uso da energia liberada

Requisitos aos materiais do reator

Cálculos da radioatividade do reator de fusão

O caminho é longo e pedregoso

Conceitos alternativos ao Tokamak e Stellerator

Fusão nuclear – nossa energia do futuro?

A reação em cadeia descontrolada

Bomba de urânio e de plutônio

Bomba de hidrogênio

Nova e Supernova

Anexo: constantes atômicas e cósmicas

Literatura e fontes usadas para esse livro

Bem-vindo ao mundo do núcleo

Todos conhecem a tabela periódica dos elementos químicos (TPE) e também conhecem a maioria dos aproximadamente 100 elementos nela, pelo nome e seu símbolo universal. Ainda faz parte do conhecimento geral que os elementos se apresentam, ao nosso redor, em abundâncias bastante diferentes – temos elementos tão comuns que nem tomamos mais conhecimento (entre eles, o oxigênio, o silício, o nitrogênio, o carbono e o hidrogênio), enquanto outros são raros que, entre outras características, se destacam por seu preço elevado (daí pensamos nos metais nobres, em primeira linha).

Mas, honestamente: quem sabe do porquê desta distribuição desigual? Ou ainda, porque o número de elementos químicos naturais se restringe a 81 ¹? Neste texto, assim esperamos, se encontram algumas respostas.

Mais uma curiosidade: o conteúdo deste texto não faz parte da Química clássica! Mesmo assim, faz atualmente parte do plano de ensino médio em química do 3º ano, onde deverão ser apresentados os princípios da radioatividade e de reações no núcleo. Todavia, a química como todos a conhecem, não se preocupa com transformações no núcleo do átomo, mas apenas na periferia onde se encontram os elétrons. E a química ainda se restringe mais: nem todos os elétrons que são envolvidos nas reações, mas apenas os mais energéticos, os mais externos em cada átomo são prestes a fazer novas conexões com os elétrons externos de outros elementos. Portanto, são chamados de elétrons de valência.

Prezado leitor, caso você seja um químico, permite alguns avisos. Alguns dos conceitos que você domina e aplica no seu dia-a-dia de trabalho – esquece! Aqui entramos num outro mundo, sob diferentes aspectos:

As ligações que são relevantes para o químico, ele divide entre ligações fracas e ligações fortes. Na primeira categoria constam as atrações entre moléculas, que podem ser de natureza Van der Waals (1 a 3 kJ.mol-1), atrações entre dipolos permanentes (10 a 20 kJ.mol-1) e o caso especial deles, a ponte de hidrogênio (15 a 35 kJ.mol-1); essas forças fracas explicam, em primeira linha, o estado físico do material, que seja sólido, líquido ou gasoso. A segunda categoria abrange a ligação covalente, iônica e metálica, todos na faixa de estabilidade de 100 a 800 kJ.mol-1. Essas forças descrevem a coesão dentro de uma molécula, entre íons (sal) ou entre átomos de metal. Essas ligações forte" descrevem, em primeira linha, a reatividade química da substância.                      .

Aqui temos reações nucleares, onde as forças coesivas são cerca de 10⁹ de vezes mais fortes que as ligações químicas!

Também a ver com a termodinâmica têm os calores envolvidos em uma transformação física ou numa reação química. Esses calores envolvidos são da ordem de

20 a 40 kJ.mol-1 no caso de fusão ou evaporação;

100 kJ.mol-1  em reações químicas comuns;

400 kJ.mol-1 em combustões (= oxidação completa com oxigênio tripleto).

Aqui temos reações nucleares que liberam (ou consomem) até 2 bilhões de vezes mais energia, geralmente indicada em MeV = Mega Eletronvolts (conversão para kJ.mol-1, ver nota de rodapé 24).

O estado físico de reagentes e produtos é de suma importância, em considerações termodinâmicas e cinéticas de reações químicas. Não assim em reações nucleares. Mais estranho ainda: nem o ambiente químico é de relevância para a reatividade de um núcleo! Sendo assim, não importa se consideramos uma reação nuclear com hidreto de berílio, BeH2, óxido de berílio, BeO, berílio puro ou em uma liga metálica; velocidade e energia da reação com o núcleo de berílio não são influenciadas pela forma como esse elemento se apresenta.

Como as energias envolvidas e reações nucleares são tão diferentes das energias de reações químicas, podemos afirmar que as dependências fortes das reações químicas da temperatura – tanto na termodinâmica (Van t´Hoff) como na cinética (Arrhenius) - não têm correspondentes nas reações nucleares. A temperatura que rege num mineral radioativo ou num reator nuclear não tem importância alguma. Sendo assim, a velocidade de um decaimento radioativo é a mesma, se ela for observada à temperatura ambiente, dentro de um alto-forno ou em nitrogênio líquido – realmente a temperatura não influencia notavelmente.

Os elétrons (com exceção do mecanismo nuclear de captura K; p. 98) não têm influência sobre as reações nucleares; muitas vezes as cargas são tão irrelevantes para o acontecer global da reação nuclear, que podem ser omissos nas equações (ver comentário na p. 32).

As velocidades que são de interesse para o químico são, principalmente, as dos gases. À temperatura ambiente, os gases se movimentam com uma velocidade em torno de 450 m.s-1. As partículas emitidas dos núcleos (denominados de a, b e nêutrons), geralmente têm energias cinéticas e velocidades muito maiores, a dizer, 10.000 a 50.000 Km.s-1. Enfim, os raios g, uma forma de radiação eletromagnética, se propagam com a velocidade da luz (3.10⁸ Km.s-1).

E talvez o mais estranho no final desta lista. Como o químico sabe, massa não se perde, nem se cria durante uma reação química. O que dá alguns problemas aos estudantes da química, mas que o químico perfeitamente domina, é o balanceamento de uma reação. Aqui em ambos os lados da equação devem constar, na soma, as mesmas massas (e as mesmas cargas).

Isso não é muita verdade nas reações nucleares. Temos que abandonar o conceito da preservação das massas, pois segundo a teoria de Einstein há uma equivalência de massa e energia (p. 69). Sendo assim, em reações que são muito exotérmicas, por exemplo, se espera a perda em massa. Portanto, é sábio corrigir o conceito da preservação das massas e acreditar na preservação da energia.

Todavia, prezado químico, nem todos os conceitos que você domina são à toa ou precisam ser abandonados.

Os choques reativos, onde aplicamos com sucesso o conceito da cinética dos gases, pode ser aplicado também às reações nucleares. Lembrando-se que o núcleo é de dimensões cerca de 10.000 vezes menores que o átomo inteiro. Daí pode-se estimar a probabilidade de um choque reativo entre um núcleo e uma partícula ainda menor que ele (partícula α, β, nêutron).

O conceito da energia de ativação pode também ser aplicado nas considerações nucleares, onde permite conclusões sobre a viabilidade de uma reação ou um processo – especialmente de um processo em cadeia (p. 119).

Balanços energéticos são feitos à base das estabilidades, de reagentes e produtos. Isso vale nas reações químicas como nas nucleares.

A lei de primeira ordem da cinética química é válida para descrever a vida de um núcleo instável (p. 52). Podemos calcular a concentração de uma espécie reativa, para qualquer tempo reacional.

Os elementos mais pesados do que o bismuto são, em ordem crescente de massa atômica: Po, At, Rn, Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Mf, Md, No, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg e outros ainda mais pesados. Como quase toda a massa do átomo é concentrada no núcleo, podemos concluir que nestes elementos se encontram, além de > 83 prótons, um número ainda mais elevado de nêutrons que, afinal, torna estes elementos instáveis. Mais cedo ou mais tarde, estes núcleos decaem formando elementos mais leves. Os fenômenos acerca deste decaimento chamamos de radioatividade, pois os trabalhos pioneiros nesta área envolveram o elemento rádio, Ra. Esse decaimento ocorre, precisamente, no núcleo do átomo e não na sua esfera eletrônica. E isso tem pouco a ver com a química clássica. Como se trata de transformações em outros elementos químicos (o velho sonho dos alquimistas que sempre queriam produzir ouro), podemos escrever essas reações como

A  →  B      ou    A  +  B  →  C  +  D,

enquanto as transformações químicas, como todos as conhecem, reagem conforme os esquemas

A  +  B  →  AB      ou    AB  +  CD  →  AC  +  BD,

onde todos os elementos, aqui representados por letras individuais, ficam preservados.

Ao longo deste texto vamos iluminar os seguintes assuntos ²:

Qual a origem dos elementos leves;

Quais são os elementos pesados radioativos;

O que define a estabilidade dos núcleos e, finalmente, influencia a abundância dos elementos no universo;

Quais fenômenos acompanham a radioatividade, em termos de radiação eletromagnética, velocidade e energia.

Todos esperam, naturalmente, uma explicação do evento mais violento feito pela mão de humanos: a bomba atômica. É claro que explicamos seus princípios, mas bem no final e com destaque na sua inadmissibilidade.

O início de tudo e a criação dos elementos químicos leves

O Universo é um sistema incrivelmente diferenciado e extremamente complexo em termos de suas estruturas. Isso se deve basicamente à existência dos diferentes elementos químicos. Como a matéria foi formada e como os elementos foram - e ainda estão sendo - criados sempre foi objeto de pesquisas fundamentais das ciências exatas. Entre os físicos teóricos de hoje a teoria do Big Bang, acoplada com um Universo em expansão, é bastante difundida, no entanto, não por unanimidade.

Segundo os conhecimentos de hoje, o Universo tem 13,7 bilhões de anos, com uma margem de erro de 0,2 bilhão para mais ou para menos (o Sol, assim como a Terra, é estimado com 6 bilhões de anos). Para chegar a esse valor, os cientistas debateram durante quase 80 anos (ver Tabela 1). A base destes cálculos é a Lei de Hubble:

Equação 1

Onde:

v      Velocidade em km.s-1;

d      Distância em Megaparsecs, Mpc

(unidade astronômica; 1 pc = 0,3066 ano-luz = 30,857.10¹² km);

H0      Parâmetro de Hubble em km.s-1.Mpc-1.

Tabela 1 Resumo dos descobrimentos e desenvolvimentos na busca da idade do Universo.

Ao longo da história do Universo, no entanto, podemos identificar duas épocas muito diferentes no que diz respeito à criação dos elementos. A primeira, logo após o Big Bang, durou apenas alguns minutos. Nesse curto período de tempo surgiram as formas elementares da matéria. À medida que o Universo se expandia e se tornava gradativamente mais frio, a mistura inicial de quarks, glúons, neutrinos e elétrons formavam inicialmente nêutrons e prótons (Tabela 2), depois núcleos de hélio e finalmente os átomos dos elementos mais leves, hidrogênio e hélio. Nos aproximadamente 200 milhões de anos seguintes, o desenvolvimento dos elementos estagnou. A fusão para os elementos mais pesados só começou com o aparecimento das primeiras estrelas, após cerca de 200 milhões de anos. Então, quando as primeiras estrelas apareceram e iluminaram o Universo, a segunda época começou com a síntese dos elementos mais pesados que o hélio.

Tabela 2  Linha do tempo dos eventos cósmicos e as temperaturas médias.

O átomo é feito de partículas elementares

O átomo neutro tem, grosseiramente falado, um diâmetro de aproximadamente 1 a 2 Ångstrom (0,1 a 0,2 nm), sendo que quase a totalidade do espaço está ocupada, sob condições normais, pela esfera de elétrons (e-). No centro se encontra o núcleo, por sua vez construído por prótons (neste livro