Cientistas Finalmente Descobrem o Que Realmente Acontece Quando um Átomo Se Divide

Crédito: Pixabay

O termo “átomo,” derivado do latim para “indivisível,” pode ser enganoso. Uma simulação recente de físicos teóricos dos EUA ofereceu uma visão microscópica detalhada de como um átomo se divide em dois, esclarecendo um evento energético que impactou significativamente a ciência e a tecnologia.

Em 1938, os físicos Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassmann demonstraram que núcleos de urânio podiam se dividir ao serem bombardeados com nêutrons, destacando a imprecisão do termo “indivisível.” Apesar de suas aplicações na guerra, na energia, na medicina e na pesquisa, a fissão nuclear permanece complexa e enigmática.

O núcleo de um átomo pesado não é apenas uma simples coleção de prótons e nêutrons; é um ambiente caótico de atividade quântica. Compreender como esses nucleons se comportam e interagem é particularmente desafiador durante a fissão.

Para simplificar esse processo, pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos e da Universidade de Washington delinearam quatro etapas principais da fissão:

1. Deformação do Núcleo (10^-14 segundos): Nos primeiros 10^-14 segundos, um nêutron lento faz com que o núcleo se expanda e assuma uma forma de sela, lembrando uma pequena casca de amendoim.

2. Transição da Sela à Cisão (5×10^-21 segundos): Em seguida, ocorre uma fase rápida chamada de transição da “sela para a cisão”, durando cerca de 5×10^-21 segundos, onde os fragmentos da fissão começam a se formar.

3. Ruptura (10^-22 segundos):Essa fase é seguida pela cisão, em que o núcleo se divide em aproximadamente 10^-22 segundos.

4. Estabilização dos Fragmentos (10^-18 segundos):Finalmente, ao longo de cerca de 10^-18 segundos, os fragmentos da fissão se estabilizam e se afastam rapidamente, liberando nêutrons, raios gama e possivelmente desencadeando outros processos de decaimento.

Desafios nas Teorias sobre Movimentos e Interações de Partículas Subatômicas

Série temporal da densidade numérica de nêutrons em frações de femtossegundo para uma trajetória típica de fissão. (Abdurrahman et al., *Physical Review Letters*, 2024)

Embora várias teorias tentem explicar o movimento de partículas subatômicas ao longo desse processo, resultados experimentais frequentemente desafiam suposições da física ou complicam a modelagem “microscópica” das interações entre prótons e nêutrons.

Usando uma estrutura desenvolvida pelo físico Aurel Bulgac, da Universidade de Washington, uma nova simulação quântica de muitos corpos fornece a descrição mais precisa da cisão—o momento em que o núcleo atômico se separa. Essa pesquisa envolveu extensos cálculos sobre urânio-238, plutônio-240 e califórnio-252, utilizando o supercomputador do Laboratório Nacional de Oak Ridge.

Bulgac afirma: “Essa é provavelmente a descrição teórica mais precisa da ruptura do pescoço nuclear, alcançada sem suposições ou simplificações.” Ao contrário de teorias anteriores que dependiam de cenários hipotéticos, este estudo aplica equações bem estabelecidas da física nuclear e da mecânica quântica.

Novas Percepções Reveladas pela Simulação sobre o Processo de Fissão

Surpreendentemente, a simulação revelou insights inesperados sobre o processo de fissão. Embora alguns modelos sugerissem aleatoriedade durante a ruptura do pescoço nuclear, as descobertas da equipe indicaram um padrão distinto, uma “ruga” na densidade de partículas subatômicas antes da cisão. Além disso, a simulação mostrou que o pescoço de prótons se rompe antes do pescoço de nêutrons.

Notavelmente, o estudo confirmou debates sobre a liberação de nêutrons de alta energia durante a cisão, prevendo sua energia, distribuição angular e direções de escape. Bulgac observa: “A maioria dos experimentos busca esses nêutrons com base no movimento dos fragmentos de fissão, mas geralmente não consegue distinguir nêutrons de cisão dos nêutrons térmicos emitidos por fragmentos quentes.”

Com essas previsões estabelecidas, o próximo passo é realizar experimentos para validar essas descobertas sobre como o átomo “indivisível” se divide. Esta pesquisa foi publicada na revista Physical Review Letters.

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