Simulação revela em detalhe o momento da cisão na fissão nuclear do átomo

A palavra “átomo” vem do grego e significa “indivisível”. Só que esse nome engana.

Uma simulação feita por físicos teóricos dos EUA entregou a primeira caracterização totalmente microscópica do instante em que um átomo se parte em dois, trazendo novos detalhes sobre um evento energético que acabou por marcar uma nova era da ciência e da tecnologia.

Da ideia de “indivisível” à fissão nuclear

Em 1938, ficou claro o quanto aquele termo era um rótulo inadequado: os físicos Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassmann demonstraram que núcleos de urânio se dividem em duas partes quando são atingidos por nêutrons.

Muitas décadas depois - embora a fissão nuclear tenha sido aplicada na guerra, na geração de energia, na medicina e na pesquisa científica - o fenómeno continua relutante em revelar todos os seus mecanismos.

Modelos simplificados costumam retratar prótons e nêutrons como se estivessem aglomerados como bolinhas de chiclete num dispensador. Na prática, porém, o núcleo de um átomo pesado é um turbilhão de atividade quântica.

Mesmo em átomos estáveis e isolados, já é difícil compreender como cada núcleon se comporta e interage com os demais - e isso se torna ainda mais desafiador quando o sistema passa por transformações profundas.

Quatro etapas até a cisão (ruptura do “pescoço”)

Para tornar o processo um pouco mais fácil de acompanhar, pesquisadores do Los Alamos National Laboratory e da University of Washington (UW) descrevem a fissão em quatro fases.

1. Deformação inicial (ponto de sela): nos primeiros 10^-14 segundos (aproximadamente), a entrada de um nêutron lento faz o núcleo inchar e se reorganizar num estado descrito como ponto de sela, deixando o átomo com um formato que lembra uma minúscula casca de amendoim.

2. Do ponto de sela à cisão: logo em seguida ocorre uma mudança muito mais rápida, chamada de do ponto de sela à cisão, na qual se estabelecem os fragmentos que resultarão da fissão. Essa fase dura cerca de 5×10^-21 segundos.

3. Cisão (ruptura do pescoço): o terceiro passo é ainda mais veloz, acontecendo num “piscar” relativo de 10^-22 segundos. É a etapa em que, oficialmente, o núcleo se separa.

4. Relaxamento e emissão: por fim, ao longo de 10^-18 segundos, os fragmentos se ajustam em forma e aceleram para longe um do outro, libertando nêutrons e raios gama e podendo ainda desencadear outros processos de decaimento após um breve atraso.

O que a simulação quântica mostrou no instante da cisão

Há mais de uma teoria para descrever a migração exata das partículas subatómicas desde o “amendoim” até o “estalo”. Em muitos casos, porém, medições experimentais entram em conflito com pressupostos básicos, ou então não se encaixam em modelos verdadeiramente “microscópicos” que tentam calcular as interações entre prótons e nêutrons, um a um.

A partir de uma base desenvolvida pelo autor principal, o físico da UW Aurel Bulgac, a simulação quântica de muitos corpos é, até agora, a representação mais fiel do que ocorre no exato momento da cisão - quando a ponte que liga as duas metades de um núcleo atómico grande se afina e se separa.

Para realizar os cálculos com urânio-238, plutônio‑240 e califórnio-252, sob diferentes condições iniciais, a equipa recorreu intensamente ao supercomputador do Oak Ridge National Laboratory, do US Department of Energy.

“Isso é provavelmente a descrição teórica mais precisa e obtida com mais cuidado sobre a ruptura do pescoço, sem quaisquer suposições e simplificações”, diz Bulgac.

“Temos uma previsão muito específica, que até agora não existia. Teorias anteriores sempre se baseavam em: ‘Vamos supor que isto esteja acontecendo e, se estiver, então provavelmente isto vai ser observado’. Nós não fizemos isso. Nós simplesmente colocamos as equações de movimento conhecidas há muitas décadas na física nuclear com alta precisão, mais a mecânica quântica, nada além disso.”

O modelo também expôs surpresas. Enquanto alguns esquemas previam uma boa dose de aleatoriedade quântica no processo de ruptura do pescoço, esta simulação identificou uma “ruga” bem definida na densidade de partículas subatómicas antes de surgir o ponto de cisão.

Além disso, parece haver uma diferença no tempo de separação entre os dois tipos de núcleons: o “pescoço” de prótons terminaria de romper antes do “pescoço” de nêutrons.

De forma decisiva, a simulação também apoiou propostas controversas: a emissão de nêutrons altamente energéticos durante a etapa de cisão. O modelo foi além e estimou suas energias, a distribuição angular e até as direções de fuga.

“Na maioria dos experimentos, eles procuram por eles na direção do movimento dos fragmentos de fissão, e eles não conseguiam distinguir os nêutrons de cisão ali porque a maioria era de nêutrons térmicos emitidos pelos fragmentos quentes”, afirma Bulgac.

Testes experimentais a seguir

Com essas previsões em mãos, o próximo passo é verificar se os experimentos confirmam estas novas indicações sobre como o átomo “indivisível” se divide em dois.

Este estudo foi publicado em Physical Review Letters.