Você pode compartilhar seu conhecimento, melhorando-o ( como? ) De acordo com as recomendações dos projetos correspondentes .
Na física nuclear , a barreira de Coulomb entre dois núcleos atômicos em interação resulta da competição entre duas forças: a força de repulsão eletrostática entre prótons (de acordo com a lei de Coulomb ) que é de longo alcance; a força nuclear entre os núcleons (nêutrons + prótons), que é fortemente atrativa, mas em curto alcance. Essa barreira determina as propriedades dos processos de fusão e fissão dos núcleos atômicos.
Essa noção tomou forma na década de 1930 com as descobertas experimentais da fissão espontânea e induzida de núcleos atômicos.
Quando dois núcleos se juntam, sua energia potencial de interação aumenta com a repulsão de Coulomb e atinge um máximo quando a força nuclear atrativa começa a agir. A altura do máximo e sua posição determinam a barreira de Coulomb entre os 2 núcleos. Essa barreira é assimétrica, então podemos distinguir:
Como uma primeira aproximação, a forma e a posição das 2 barreiras são idênticas; para ser mais preciso, é necessário levar em conta as deformações dos núcleos, que podem ser diferentes durante os processos de fissão e fissão, e os efeitos das camadas quânticas.
Uma teoria que calcularia as barreiras de Coulomb a partir da interação núcleo-núcleo elementar está além do escopo teórico e prático (ver artigo Estrutura nuclear ). Os cálculos são feitos à custa de hipóteses simplificadoras, que são validadas empiricamente por comparação com os dados experimentais, em particular a hipótese adiabática (a energia é mínima a cada passo) e a escolha de parâmetros para a sequência de formas.
Para determinar a barreira de fissão, a energia total de um núcleo parental é calculada ao longo de uma sequência de formas, que começa do núcleo esférico inicial até a formação de 2 núcleos filhos distantes. A altura da barreira de fissão é igual à diferença entre a energia máxima atingida pelo sistema e sua energia inicial.
A maioria dos cálculos são baseados no modelo da gota de líquido (GL), ao qual adicionamos uma interação de proximidade nuclear (NP), que ocorre em grandes deformações e quando os 2 núcleos filhos se separam:
Barreiras de fissão estimadas em um modelo de gota de líquido nuclear | |||||
Núcleo pai | A = 32, Z = 16 | A = 56, Z = 28 | A = 180, Z = 80 | A = 220, Z = 92 | A = 248, Z = 100 |
Núcleos de arame | 16 O + 16 O | 28 Si + 28 Si | 90 Zr + 90 Zr | 110 Pd + 110 Pd | 124 Sn + 124 Sn |
Barreira de fissão | 10 MeV | 29 MeV | 10 MeV | 5 MeV | 0 |
As barreiras de fissão atingem no máximo núcleos de massa 50-60, portanto muito estáveis; os núcleos tornam-se instáveis em relação à fissão quando o produto das cargas (Z 1 Z 2 ) excede 2.000.
Em um modelo de gota de líquido, para núcleos com prótons Z e raio R (fermis), a barreira de Coulomb entre 2 núcleos pode ser abordada pela energia eletrostática de núcleos separados por 1,5 fermis, porque a interação nuclear atua antes que os 2 núcleos entrem em contato :
Barreira de fusão estimada | |||||
Sistema | 16 O + 16 O | 28 Si + 28 Si | 90 Zr + 90 Zr | 110 Pd + 110 Pd | 124 Sn + 124 Sn |
Barreira de fusão | 15 MeV | 38 MeV | 208 MeV | 258 MeV | 292 MeV |
A barreira de fusão aumenta continuamente com a massa e carga dos núcleos em interação.
Quando a barreira de fissão é positiva, um núcleo só pode se dividir espontaneamente por um efeito puramente quântico, o efeito túnel . A probabilidade de fissão depende muito significativamente da altura da barreira e de sua largura.
Para núcleos leves: a radioatividade alfa é o processo dominante, que pode ser considerado como fissão assimétrica com emissão de um núcleo de hélio. Para núcleos pesados, a fissão em 2 núcleos filhos cujas cargas são estatisticamente distribuídas em torno da metade da carga do núcleo pai é favorecida.
Quando um núcleo não está em seu estado fundamental, o processo de fissão pode ser favorecido; falamos de fissão induzida. Por exemplo, a fissão do urânio em usinas nucleares, induzida pela absorção de nêutrons.
Colisões entre núcleos em aceleradores podem causar a transferência do momento angular entre os núcleos do feixe e os do alvo. A rotação resultante dos núcleos introduz um termo adicional em sua energia, o que reduz a barreira de fissão. Com o aumento da velocidade de rotação, o núcleo se deforma e então se fissão espontaneamente.
Apenas nêutrons, que não são eletricamente carregados, podem se fundir espontaneamente com um núcleo. Para que dois núcleos carregados se fundam, é necessário fornecer-lhes energia cinética suficiente para passar a barreira de Coulomb, como:
- em colisões entre núcleos causadas em aceleradores de partículas ;
- nos corações das estrelas , durante o processo de nucleossíntese (fusão de núcleos leves aquecidos e comprimidos pela gravidade );
- em reatores de fusão, onde a nucleossíntese é causada em um material nuclear aquecido e confinado por poderosos campos magnéticos .
Nos dois últimos casos, as temperaturas exigidas são da ordem de várias centenas de milhões de graus K ( fusão por confinamento inercial ).