O Memorial da Paz de Hiroshima é um lembrete visível do dia em que a cidade japonesa foi bombardeada em 6 de agosto, 1945. Depois daquele dia fatídico, a estrutura era a única coisa que ainda estava de pé nas proximidades da explosão. Steve Allen / Getty Images A primeira bomba nuclear destinada a matar humanos explodiu sobre Hiroshima, Japão, em 6 de agosto, 1945. Três dias depois, uma segunda bomba detonou sobre Nagasaki. A morte e a destruição provocadas por essas armas foram sem precedentes e podem ter, em outro mundo com outra raça de seres, acabou com a ameaça nuclear ali mesmo.
Mas os eventos no Japão, embora tenham chegado perto da Segunda Guerra Mundial, marcou o início da Guerra Fria entre os Estados Unidos e a União Soviética. Entre 1945 e o final dos anos 1980, ambos os lados investiram grandes quantias de dinheiro em armas nucleares e aumentaram significativamente seus estoques, principalmente como um meio de deter o conflito. A ameaça de destruição catastrófica da Bomba pairava sobre tudo e todos. As escolas realizaram exercícios de ataque aéreo nuclear. Os governos construíram abrigos anti-precipitação. Os proprietários cavaram bunkers em seus quintais.
Durante as décadas de 1970 e 80, as tensões começaram a diminuir um pouco. Então, o Muro de Berlim caiu em 1989, seguido pelo colapso do próprio governo soviético dois anos depois. A Guerra Fria terminou oficialmente. À medida que as relações entre os dois países melhoraram, surgiu o compromisso de limitar os arsenais nucleares. Uma série de tratados se seguiram, com o último entrando em vigor em fevereiro de 2011. Como seus predecessores, o novo Tratado de Redução de Armas Estratégicas (START) visa reduzir e limitar ainda mais as armas estratégicas. Entre outras medidas, exige um limite agregado de 1, 550 ogivas [fonte:Casa Branca].
Infelizmente, mesmo quando a Rússia e os EUA se afastam provisoriamente da beira do precipício, a ameaça de guerra nuclear permanece. Nove países agora podem lançar ogivas nucleares em mísseis balísticos [fonte:Fischetti]. Pelo menos três desses países - os EUA, Rússia e China - podem atingir qualquer alvo em qualquer parte do mundo. As armas de hoje podem facilmente rivalizar com o poder destrutivo das bombas lançadas sobre o Japão. Em 2009, A Coreia do Norte testou com sucesso uma arma nuclear tão poderosa quanto a bomba atômica que destruiu Hiroshima. A explosão subterrânea foi tão significativa que gerou um terremoto de magnitude 4,5 [fonte:McCurry].
Embora o cenário político da guerra nuclear tenha mudado consideravelmente ao longo dos anos, a ciência da arma em si - os processos atômicos que desencadeiam toda essa fúria - são conhecidos desde Einstein. Este artigo irá revisar como funcionam as bombas nucleares, incluindo como eles são construídos e implantados. A primeira é uma rápida revisão da estrutura atômica e da radioatividade.
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Um átomo, no modelo mais simples, consiste em um núcleo e elétrons em órbita. Antes de chegarmos às bombas, temos que começar pequeno, atomicamente pequeno. Um átomo , você vai se lembrar, é feito de três partículas subatômicas - prótons , nêutrons e elétrons . O centro de um átomo, Chamou o núcleo , é composto de prótons e nêutrons. Os prótons são carregados positivamente, os nêutrons não têm carga nenhuma e os elétrons são carregados negativamente. A razão próton-elétron é sempre de um para um, portanto, o átomo como um todo tem uma carga neutra. Por exemplo, um átomo de carbono tem seis prótons e seis elétrons.
Não é tão simples assim. As propriedades de um átomo podem mudar consideravelmente com base na quantidade de cada partícula que ele possui. Se você alterar o número de prótons, você acaba com um elemento completamente diferente. Se você alterar o número de nêutrons em um átomo, você acaba com um isótopo . Por exemplo, o carbono tem três isótopos:1) carbono-12 (seis prótons + seis nêutrons), uma forma estável e de ocorrência comum do elemento, 2) carbono-13 (seis prótons + sete nêutrons), que é estável, mas raro e 3) carbono-14 (seis prótons + oito nêutrons), que é raro e instável (ou radioativo) para inicializar.
Como vemos com o carbono, a maioria dos núcleos atômicos são estáveis, mas alguns não são estáveis. Esses núcleos emitem partículas espontaneamente que os cientistas chamam de radiação . Um núcleo que emite radiação é, claro, radioativo , e o ato de emitir partículas é conhecido como decaimento radioativo . Se você está particularmente curioso sobre o decaimento radioativo, você vai querer ler como funciona a radiação nuclear. Por enquanto, examinaremos os três tipos de decaimento radioativo:
Lembre-se especialmente daquela parte da fissão. Isso continuará surgindo enquanto discutimos o funcionamento interno das bombas nucleares.
As bombas nucleares envolvem as forças, forte e fraco, que mantém o núcleo de um átomo junto, especialmente átomos com núcleos instáveis. Existem duas maneiras básicas pelas quais a energia nuclear pode ser liberada de um átomo. No ficão nuclear (foto), os cientistas dividiram o núcleo de um átomo em dois fragmentos menores com um nêutron. Fusão nuclear - o processo pelo qual o sol produz energia - envolve juntar dois átomos menores para formar um maior. Em qualquer processo, fissão ou fusão, grandes quantidades de energia térmica e radiação são emitidas.
Podemos atribuir a descoberta da fissão nuclear ao trabalho do físico italiano Enrico Fermi. Na década de 1930, Fermi demonstrou que elementos submetidos ao bombardeio de nêutrons podem ser transformados em novos elementos. Este trabalho resultou na descoberta de nêutrons lentos, bem como novos elementos não representados na tabela periódica. Logo após a descoberta de Fermi, Os cientistas alemães Otto Hahn e Fritz Strassman bombardearam urânio com nêutrons, que produziu um isótopo de bário radioativo. Eles concluíram que os nêutrons de baixa velocidade causaram a fissão do núcleo de urânio, ou quebrar, em duas partes menores.
Seu trabalho gerou intensa atividade em laboratórios de pesquisa em todo o mundo. Na Princeton University, Niels Bohr trabalhou com John Wheeler para desenvolver um modelo hipotético do processo de fissão. Eles especularam que era o isótopo de urânio urânio-235, não urânio-238, em fissão. Quase ao mesmo tempo, outros cientistas descobriram que o processo de fissão resultou na produção de ainda mais nêutrons. Isso levou Bohr e Wheeler a fazer uma pergunta importante:Os nêutrons livres criados na fissão iniciariam uma reação em cadeia que liberaria uma enorme quantidade de energia? Se então, pode ser possível construir uma arma de poder inimaginável.
E foi.
Funcionários do Projeto Manhattan, o codinome do plano dos EUA para desenvolver armas atômicas, inspecione o local de detonação do teste da bomba atômica Trinity. Esse é o Dr. Robert J. Oppenheimer de chapéu branco. Laboratório Nacional de Los Alamos / Time Life Pictures / Getty Images Em março de 1940, uma equipe de cientistas que trabalha na Universidade de Columbia em Nova York confirmou a hipótese apresentada por Bohr e Wheeler - o isótopo urânio-235 , ou U-235 , foi responsável pela fissão nuclear. A equipe de Columbia tentou iniciar uma reação em cadeia usando U-235 no outono de 1941, mas falhou. Todo o trabalho foi então transferido para a Universidade de Chicago, Onde, em uma quadra de squash situada abaixo do Stagg Field da universidade, Enrico Fermi finalmente conseguiu a primeira reação em cadeia nuclear controlada do mundo. Desenvolvimento de uma bomba nuclear, usando U-235 como combustível, procedeu rapidamente.
Devido à sua importância no projeto de uma bomba nuclear, vamos examinar o U-235 mais de perto. U-235 é um dos poucos materiais que podem sofrer fissão induzida . Em vez de esperar mais de 700 milhões de anos para que o urânio se decomponha naturalmente, o elemento pode ser decomposto muito mais rápido se um nêutron atingir seu núcleo. O núcleo vai absorver o nêutron sem hesitação, tornam-se instáveis e dividem-se imediatamente.
Assim que o núcleo captura o nêutron, ele se divide em dois átomos mais leves e emite dois ou três novos nêutrons (o número de nêutrons ejetados depende de como o átomo U-235 se divide). Os dois átomos mais leves então emitem radiação gama à medida que se acomodam em seus novos estados. Existem algumas coisas sobre este processo de fissão induzida que o tornam interessante:
Em 1941, cientistas da Universidade da Califórnia em Berkeley descobriram outro elemento - o elemento 94 - que pode oferecer potencial como combustível nuclear. Eles nomearam o elemento plutônio , e durante o ano seguinte, eles fizeram o suficiente para experimentos. Eventualmente, eles estabeleceram as características de fissão do plutônio e identificaram um segundo combustível possível para armas nucleares.
Se você pensar na massa crítica em termos de bolas de gude, a formação compacta de mármores representa a massa crítica e os três mármores solitários representam nêutrons. iStockphoto / Thinkstock Em uma bomba de fissão, o combustível deve ser mantido em separado subcrítico massas, que não suportará a fissão, para evitar a detonação prematura. Massa crítica é a massa mínima de material físsil necessária para sustentar uma reação de fissão nuclear. Pense na analogia do mármore novamente. Se o círculo de bolas de gude estiver muito distante - massa subcrítica - uma reação em cadeia menor ocorrerá quando a "bola de gude de nêutrons" atingir o centro. Se as bolas de gude forem colocadas próximas umas das outras no círculo - massa crítica - há uma chance maior de ocorrer uma grande reação em cadeia.
Manter o combustível em massas subcríticas separadas leva a desafios de projeto que devem ser resolvidos para que uma bomba de fissão funcione adequadamente. O primeiro desafio, claro, está reunindo as massas subcríticas para formar um supercrítico massa, que fornecerá nêutrons mais do que suficientes para sustentar uma reação de fissão no momento da detonação. Os designers de bombas criaram duas soluções, que abordaremos na próxima seção.
Próximo, nêutrons livres devem ser introduzidos na massa supercrítica para iniciar a fissão. Os nêutrons são introduzidos fazendo um gerador de nêutrons . Este gerador é uma pequena pelota de polônio e berílio, separados por folha dentro do núcleo de combustível fissionável. Neste gerador:
Finalmente, o projeto deve permitir que o máximo possível do material seja fissurado antes da explosão da bomba. Isso é conseguido confinando a reação de fissão dentro de um material denso chamado de adulterar , que geralmente é feito de urânio-238. O tamper é aquecido e expandido pelo núcleo de fissão. Esta expansão do tamper exerce pressão de volta no núcleo de fissão e retarda a expansão do núcleo. A violação também reflete nêutrons de volta para o núcleo de fissão, aumentando a eficiência da reação de fissão.
A maneira mais simples de reunir as massas subcríticas é fazer uma arma que atira uma massa contra a outra. Uma esfera de U-235 é feita em torno do gerador de nêutrons e um pequeno bala de U-235 é removido. A bala é colocada em uma extremidade de um tubo longo com explosivos atrás dela, enquanto a esfera é colocada na outra extremidade. Um sensor de pressão barométrica determina a altitude apropriada para detonação e dispara a seguinte sequência de eventos:
Garotinho , a bomba lançada em Hiroshima, era este tipo de bomba e tinha um rendimento de 14,5 quilotons (igual a 14, 500 toneladas de TNT) com uma eficiência de cerca de 1,5 por cento. Isso é, 1,5 por cento do material foi fissurado antes que a explosão o levasse embora.
A segunda maneira de criar uma massa supercrítica requer a compressão das massas subcríticas juntas em uma esfera por implosão. Homem gordo , a bomba caiu em Nagasaki, foi um desses assim chamados bombas disparadas por implosão . Não foi fácil de construir. Os primeiros designers de bombas enfrentaram vários problemas, particularmente como controlar e direcionar a onda de choque uniformemente pela esfera. A solução foi criar um dispositivo de implosão consistindo de uma esfera de U-235 para atuar como o sabotador e um núcleo de plutônio-239 cercado por altos explosivos. Quando a bomba foi detonada, teve um rendimento de 23 quilotons com uma eficiência de 17 por cento. Isso é o que aconteceu:
Os projetistas foram capazes de melhorar o projeto básico acionado por implosão. Em 1943, O físico americano Edward Teller inventou o conceito de impulso. Boosting refere-se a um processo pelo qual as reações de fusão são usadas para criar nêutrons, que são então usados para induzir reações de fissão a uma taxa mais elevada. Demorou mais oito anos até que o primeiro teste confirmasse a validade do boosting, mas uma vez que a prova veio, tornou-se um design popular. Nos anos que se seguiram, quase 90 por cento das bombas nucleares construídas na América usaram o projeto de impulso.
Claro, as reações de fusão podem ser usadas como fonte primária de energia em uma arma nuclear, também. Na próxima seção, veremos o funcionamento interno das bombas de fusão.
As bombas de fissão funcionaram, mas eles não eram muito eficientes. Não demorou muito para que os cientistas se perguntassem se o processo nuclear oposto - a fusão - poderia funcionar melhor. A fusão ocorre quando os núcleos de dois átomos se combinam para formar um único átomo mais pesado. Em temperaturas extremamente altas, os núcleos dos isótopos de hidrogênio deutério e trítio podem facilmente se fundir, liberando enormes quantidades de energia no processo. As armas que aproveitam este processo são conhecidas como bombas de fusão , termonuclear bombas ou bombas de hidrogênio . As bombas de fusão têm maior rendimento em quilotons e maior eficiência do que as bombas de fissão, mas apresentam alguns problemas que devem ser resolvidos:
Os cientistas superam o primeiro problema usando deuterato de lítio, um composto sólido que não sofre decaimento radioativo em temperatura normal, como o principal material termonuclear. Para superar o problema do trítio, os projetistas de bombas contam com uma reação de fissão para produzir trítio a partir do lítio. A reação de fissão também resolve o problema final. A maioria da radiação emitida em uma reação de fissão é raios X , e esses raios X fornecem as altas temperaturas e pressões necessárias para iniciar a fusão. Então, uma bomba de fusão tem um projeto de dois estágios - um componente de fissão primária ou de fissão reforçada e um componente de fusão secundário.
Para entender o design desta bomba, imagine que dentro de um invólucro de bomba você tenha uma bomba de fissão de implosão e um invólucro de cilindro de urânio-238 (tamper). Dentro do tamper está o deutereto de lítio (combustível) e uma haste oca de plutônio-239 no centro do cilindro. Separando o cilindro da bomba de implosão está um escudo de urânio-238 e espuma plástica que preenche os espaços restantes no invólucro da bomba. A detonação da bomba causa a seguinte sequência de eventos:
Todos esses eventos acontecem em cerca de 600 bilionésimos de segundo (550 bilionésimos de segundo para a implosão da bomba de fissão, 50 bilionésimos de segundo para os eventos de fusão). O resultado é uma explosão imensa com um 10, Rendimento de 000 quilotons - 700 vezes mais poderoso do que a explosão do Little Boy.
Uma bomba atômica do tipo 'Little Boy' que foi detonada sobre Hiroshima Japan MPI / Getty Images Uma coisa é construir uma bomba nuclear. Outra coisa é entregar a arma ao alvo pretendido e detoná-la com sucesso. Isso foi especialmente verdadeiro para as primeiras bombas construídas por cientistas no final da Segunda Guerra Mundial. Escrevendo em uma edição de 1995 da Scientific American, Philip Morrison, um membro do Projeto Manhattan, disse o seguinte sobre as primeiras armas:"Todas as três bombas de 1945 - a bomba de teste [Trinity] e as duas bombas lançadas sobre o Japão - eram mais peças improvisadas de um complexo equipamento de laboratório do que um armamento confiável."
A entrega dessas bombas ao destino final foi improvisada quase tanto quanto seu projeto e construção. O USS Indianápolis transportou as peças e o combustível de urânio enriquecido da bomba Little Boy para a ilha de Tinian, no Pacífico, em 28 de julho. 1945. Os componentes da bomba Fat Man, transportado por três B-29s modificados, chegou em 2 de agosto. Uma equipe de 60 cientistas voou de Los Alamos, N.M., a Tinian para auxiliar na montagem. A bomba Little Boy - pesando 9, 700 libras (4, 400 kg) e medindo 10 pés (3 metros) do nariz à cauda - estava pronto primeiro. Em 6 de agosto, uma tripulação carregou a bomba no Enola Gay, um B-29 pilotado pelo coronel Paul Tibbets. O avião fez os 750 milhas (1, Viagem de 200 quilômetros ao Japão e jogou a bomba no ar acima de Hiroshima, onde detonou exatamente às 8:12 da manhã em 9 de agosto, os quase 11, 000 libras (5, 000 quilogramas) A bomba Fat Man fez a mesma viagem a bordo do Bockscar, um segundo B-29 pilotado pelo Maj. Charles Sweeney. Sua carga letal explodiu sobre Nagasaki pouco antes do meio-dia.
Hoje, o método usado no Japão - bombas gravitacionais transportadas por aeronaves - continua a ser uma forma viável de lançar armas nucleares. Mas ao longo dos anos, como ogivas diminuíram de tamanho, outras opções tornaram-se disponíveis. Muitos países armazenaram vários mísseis balísticos e de cruzeiro armados com dispositivos nucleares. Maioria misseis balísticos são lançados a partir de silos terrestres ou submarinos. Eles saem da atmosfera da Terra, viajar milhares de quilômetros até seus alvos e reentrar na atmosfera para posicionar suas armas. Mísseis de cruzeiro têm alcance mais curto e ogivas menores do que os mísseis balísticos, mas são mais difíceis de detectar e interceptar. Eles podem ser lançados do ar, de lançadores móveis no solo e de navios de guerra.
Armas nucleares táticas , ou TNWs , também se tornou popular durante a Guerra Fria. Projetado para atingir áreas menores, TNWs incluem mísseis de curto alcance, cartuchos de artilharia, minas terrestres e cargas de profundidade. TNWs portáteis, como o rifle Davy Crockett, possibilitar que pequenas equipes de um ou dois homens desferam um ataque nuclear.
Uma fotografia mostra o primeiro teste da bomba atômica em 16 de julho, 1945, às 5h30, no local da Trinity no Novo México. Joe Raedle / Getty Images A detonação de uma arma nuclear desencadeia uma tremenda destruição, mas as ruínas conteriam evidências microscópicas de onde vieram os materiais das bombas. A detonação de uma bomba nuclear sobre um alvo, como uma cidade populosa, causa danos imensos. O grau de dano depende da distância do centro da explosão da bomba, que é chamado de hipocentro ou Marco Zero . Quanto mais perto você estiver do hipocentro, quanto mais severo for o dano. O dano é causado por várias coisas:
No hipocentro, tudo é imediatamente vaporizado pela alta temperatura (até 500 milhões de graus Fahrenheit ou 300 milhões de graus Celsius). Para fora do hipocentro, a maioria das vítimas são causadas por queimaduras de calor, ferimentos causados por destroços de edifícios desmoronados pela onda de choque e exposição aguda à alta radiação. Além da área imediata da explosão, as vítimas são causadas pelo calor, a radiação e os incêndios gerados a partir da onda de calor. A longo prazo, precipitação radioativa ocorre em uma área mais ampla por causa dos ventos predominantes. As partículas radioativas entram no suprimento de água e são inaladas e ingeridas por pessoas distantes da explosão.
Os cientistas estudaram os sobreviventes dos bombardeios de Hiroshima e Nagasaki para entender os efeitos de curto e longo prazo das explosões nucleares na saúde humana. A radiação e a precipitação radioativa afetam as células do corpo que se dividem ativamente (cabelo, intestino, medula óssea, órgãos reprodutores). Algumas das condições de saúde resultantes incluem:
Essas condições geralmente aumentam o risco de leucemia, Câncer, infertilidade e defeitos congênitos.
Cientistas e médicos ainda estão estudando os sobreviventes das bombas lançadas no Japão e esperam que mais resultados apareçam com o tempo.
Nos anos 1980, cientistas avaliaram os possíveis efeitos da guerra nuclear (muitas bombas nucleares explodindo em diferentes partes do mundo) e propuseram a teoria de que um inverno nuclear poderia ocorrer. No cenário de inverno nuclear, a explosão de muitas bombas levantaria grandes nuvens de poeira e material radioativo que viajariam alto na atmosfera da Terra. Essas nuvens bloqueariam a luz do sol. O nível reduzido de luz solar diminuiria a temperatura da superfície do planeta e reduziria a fotossíntese por plantas e bactérias. A redução da fotossíntese interromperia a cadeia alimentar, causando a extinção em massa da vida (incluindo humanos). Este cenário é semelhante à hipótese do asteróide que foi proposta para explicar a extinção dos dinossauros. Os defensores do cenário de inverno nuclear apontaram para as nuvens de poeira e detritos que viajaram por todo o planeta após as erupções vulcânicas do Monte Santa Helena, nos Estados Unidos, e do Monte Pinatubo, nas Filipinas.
As armas nucleares são incríveis, poder destrutivo de longo prazo que vai muito além do alvo original. É por isso que os governos do mundo estão tentando controlar a disseminação da tecnologia e dos materiais para a fabricação de bombas nucleares e reduzir o arsenal de armas nucleares implantado durante a Guerra Fria. É também por isso que os testes nucleares conduzidos pela Coreia do Norte e outros países obtêm uma resposta tão forte da comunidade internacional. Os atentados de Hiroshima e Nagasaki podem ter acontecido há muitas décadas, mas as imagens horríveis daquela fatídica manhã de agosto queimam tão claras e brilhantes como sempre.
