Como se constrói uma bomba atômica? 
Como se constrói uma bomba de nêutrons? 

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Como se constrói uma bomba atômica? 
Como se constrói uma bomba de nêutrons? 

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Eu não perguntei como se constrói uma bomba de anti-matéria 
porque eu acho que a humanidade não tem responsabilidade p/ 
lidar com uma.

Resposta
 

Olá, Pedro!  
  
Tudo bem?  
  
Eu estava feliz por ver que suas últimas perguntas não estavam mais relacionadas a matar sua mãe, mas agora começo a ficar preocupado novamente. Espero que sua intenção não seja destruir o mundo. :o) 
  
As questões sobre bomba atômica e bomba nuclear são triviais, você pode encontrar vasto material na Net. Mas a questão sobre bombas de anti-matéria é mais interessante. De qualquer modo, como a maioria do material sobre energia atômica disponível na Net é muito mal explicado e acrítico, vou dar uma pincelada nesses assuntos também e depois tratar de bombas de anti-matéria.  

Basicamente uma explosão atômica resulta da fissão de núcleos de átomos grandes e instáveis (Urânio, Plutônio etc.) em átomos menores. Isso se consegue fazendo incidir nêutrons de alta energia sobre os núcleos desses átomos. Se o átomo grande tiver meia-vida longa (for pouco radioativo), como o U-238, então o processo será muito difícil (talvez impossível). Por isso é que em vez de U-238, utilizam-se seus isótopos mais instáveis: U-235, U-234, U-233. O U-235 é cerca de 140 vezes mais escasso que o U-238, e o próprio U-238 não e um elemento abundante, portanto a construção deve começar pela extração de matéria prima, ou seja, de Urânio. O Urânio encontrado na natureza não é separado em quadrinhos, como nas tabelas periódicas; ele se encontra misturado, tanto U-238, como 237, 236 são encontrados em forma de rochas e estão incrustadas umas nas outras, porém em proporções diferentes, sendo o U-238 o mais abundante e o U-233 o mais raro. Por isso, para obter U-235 (e menor quantidade de 234 e 233) você precisa reunir muito U-238 e depois “peneirar” repetidas vezes, até conseguir quantidade suficiente de U-235 (e mais leves). Esse processo é caro, exige alta tecnologia e abundância de matéria-prima. Depois que você tiver uns 3,5kg de U-235, precisará de elementos radioativos que lhe permitam gerar nêutrons de alta energia. Esses elementos serão a “espoleta” que vai desencadear o processo. Tendo esses materiais em mãos, basta obter a estrutura onde serão colocados o explosivo e o detonador. Precisa ser um receptáculo com dois compartimentos separados e de modo que a separação posse ser removida (para que ocorra a explosão). Providencie uma caixa, com dois compartimentos. Num dos compartimentos ficará o U-235 e no outro ficará o detonador. Deve ser colocado um isolante adequado entre ambos (chumbo espesso, por exemplo). Quando o isolante for removido (quando a bomba cair e se deformar), os nêutrons emitidos pelo detonador atingirão o combustível/explosivo e cada núcleo de U-235 atingido vai se dividir em núcleos menores + outros nêutrons + energia, de modo a produzir uma reação em cadeia, em que os nêutrons gerados pela fissão atingirão outros núcleos, produzirão outras fissões, e assim por diante. Para que a fissão seja auto-sustentável, é necessário que haja uma determinada quantidade de matéria físsil (massa crítica), caso contrário o processo inicia, libera um pouco de energia e termina sem haver explosão. Dependendo da quantidade de matéria físsil e das condições para regular o ritmo do processo, pode-se ter uma reação controlada e produzir energia gradativamente, durante longo tempo, para suprir as necessidades da população (reator nuclear), ou ter uma reação descontrolada e produzir muita energia num curto intervalo de tempo (bomba).  

A bomba de hidrogênio funciona devido ao processo inverso: em vez de dividir um átomo em outros átomos menores, o processo consiste em unir átomos leves para formar outros mais pesados. É o que acontece nas estrelas. No Sol a temperatura superficial é 5770K e no núcleo chega a 16.000.000K. As regiões mais “frias” são as manchas solares, que atingem cerca de 4300K. Em estrelas azuis, a temperatura superficial pode chegar até 50.000K na superfície e mais de 200.000.000K no interior. Nas anãs vermelhas a temperatura na superfície pode ser de apenas 2300K, e quando a temperatura é muito menor que isso, não chega a ocorrer fusão nuclear, o astro não emite luz no espectro visível e não é classificado como “estrela”. No caso de Júpiter, por exemplo, ele emite mais energia do que recebe do Sol, porém a energia que ele emite não é no espectro visível, portanto ele é considerado um planeta joviano, não uma estrela.  
  
Com temperaturas centrais da ordem de 10.000.000K, toda a matéria se encontra em estado de plasma, isto é, os elétrons ficam “livres” dos núcleos dos átomos. Nessas condições, os núcleos não ficam protegidos por eletrosferas que se repeliriam e evitariam que os núcleos entrassem em contato, por isso as partículas colidem umas com as outras, e em alguns casos ocorre fusão nuclear. Há vários processos desse gênero, dos quais o mais simples é o p-p I. Vejamos o p-p II: o próton é constituído por dois quarks up (cada um com carga +2/3) e um quark down (-1/3). O nêutron é constituído por dois quarks down e um quark up. Quando dois núcleos de hidrogênio (isto é, dois prótons) colidem, um dos quarks up que constitui um dos prótons emite uma partícula virtual W+, e assim o quark up se transforma num quark down (+2/3 menos +1 = -1/3), ou seja, um dos prótons se transforma num nêutron e o outro próton continua sendo próton, portanto os hádrons resultantes formam um núcleo de deutério. O bóson W+, emitido nesse processo, rapidamente se transforma num pósitron e num neutrino (o neutrino é para manter o número leptônico balanceado). Esse bóson W+ é uma partícula virtual e precisa ter um tempo de vida muito curto, para não violar o Princípio da Incerteza. Em seguia, outro núcleo de hidrogênio (leia-se “outro próton”) colide com o de deutério, formando um núcleo de Hélio 3 e liberando um par de fótons. Depois, um núcleo de Hélio 4 (2 prótons e 2 nêutrons) colide com o de Hélio 3, formando um núcleo de Berílio 7 e liberando um par de fótons. Então incide um elétron sobre esse núcleo, e esse elétron transforma um dos quarks up de um dos prótons, em um quark down, transformando o próton em nêutron, assim o átomo de Berílio se transforma em Lítio 7 e libera um neutrino. Por fim, incide um próton sobre o núcleo de Lítio 7, que se transforma num par de núcleos de Hélio 4. O resultado líquido do processo é a conversão de 4 núcleos de Hidrogênio em 1 de Hélio, e cerca de 0,7% da massa envolvida é convertida em energia pela famosa equação E=mc^2. Isso é muito maior que a energia liberada no processo de fissão.  

Essa explicação é contraditória, mas é a explicação convencional e todo mundo a engole. Um dos problemas é que a massa de repouso do próton é menor que a massa de repouso do nêutron, no entanto, na primeira etapa do processo um próton desprende um pedaço e em vez de sua massa diminuir, sua massa aumenta e ele se transforma num nêutron. O pior é que a massa do bóson W+ é cerca de 90 vezes maior que a massa do próton, ou seja, o próton libera uma parte de si que é 90 vezes maior que ele inteiro. Mas para que a história tenha um final feliz, o bóson só existe durante um intervalo muito pequeno e depois se transforma num pósitron+neutrino. Para justificar essas hipóteses, foi proposta a idéia de que uma partícula pode “tomar emprestada” do nada (do vácuo quântico) uma certa energia, desde que a devolva num intervalo curto. Típico “remendão”. Em vez de se empenhar para formular uma teoria decente, os teóricos se satisfazem com qualquer explicação esdrúxula e depois procuram justificar a teoria com alguns retoques. Mas para construir uma bomba você não precisa saber porque ela funciona. Basta que saiba como fazer para ela explodir. :o) O fato das câmaras de bolhas exibirem rastros que sugerem a existência de partículas e processos como estes, não significa que esta seja uma boa explicação (como de fato não é). Os mesmos rastros podem ser explicados de outras maneiras, sem abusar nas contradições. Provavelmente, no futuro esses processos serão melhor compreendidos e terão uma explicação razoável, sem invocar fantasmas.  

No caso de uma bomba de anti-matéria, a dificuldade para obter matéria prima seria muito maior do que para obter U-235, em compensação ela teria um poder de destruição 150 vezes maior. U-235 você pode minerar e extrair da terra, mas você não encontra anti-matéria em lugar nenhum do nosso planeta. Se em algum momento existiu um átomo de anti-matéria em nosso planeta, em pouco tempo (menos de 1 segundo) ele colidiu com alguma partícula da vastidão de matéria ao redor, e foi convertido em energia. Se em alguma parte do universo houver anti-matéria em quantidade significativa, talvez seja possível detectar traços disso, mas não haveria como coletar essa anti-matéria, porque ao entrar em contato com qualquer matéria (por exemplo, um saquinho plástico no qual nós  tivéssemos a intenção de guardá-la), ela se transformaria em energia (e também converteria em energia uma massa equivalente da matéria em que tocou). A pouca anti-matéria que já pudemos detectar foi produzida em laboratório, ou seja: foi usada energia para produzir matéria + anti-matéria, mas a finalidade de uma bomba é justamente o contrário: usar matéria + anti-matéria para produzir energia. Uma fantasia seria obter anti-matéria dos mésons, porque os mésons são formados por um quark e um anti-quark. Mas em minha opinião isso é mais uma contradição grosseira da teoria, porque matéria e anti-matéria não poderiam co-existir sem que se transformassem em energia.  

O fato é que não se sabe o que é a matéria, e muito menos o que é a anti-matéria. Sabe-se que aquilo a que se chama “matéria”, quando entra em contato com aquilo a que se chama “anti-matéria”, as massas se convertem em energia. O modelo teórico sugere que seja muito difícil (impossível) construir uma bomba de anti-matéria, mas como o modelo provavelmente está errado, talvez seja só uma questão de tempo.  
  
Uma bomba de anti-matéria ou bomba de quarks pode ser muito útil para desviar asteróides em rota de colisão com a Terra ou, em casos de asteróides pequenos, podem até mesmo ser despedaçados em fragmentos pequenos o bastante para que sejam pulverizados ao entrar na atmosfera. Quanto aos perigos que representariam essas bombas, eu suponho que seriam pequenos, porque elas provavelmente seriam armazenadas na face oposta da Lua (é o lugar seguro mais próximo em que posso pensar). Conforme sabemos (basta olhar pra Lua mais de duas vezes), ela mantém sempre a mesma face voltada para a Terra, porque seus movimentos de rotação e translação são iguais (cerca de 27,321661 dias), e qualquer coisa situada na face oposta não teria como atingir a Terra a menos que atravessasse a Lua inteira, e isso seria improvável até mesmo para uma bomba de anti-matéria.  
  
As armas nucleares são suficientes para exterminar milhares de vezes toda a vida no planeta, portanto as bombas de anti-matéria não somariam perigo algum à situação atual. Claro que se as bombas de anti-matéria fossem mais susceptíveis à detonação involuntária e se fossem armazenadas na Terra, o perigo seria maior.  
  
Eu acredito que nenhuma fonte de energia conhecida atualmente será suficiente para abastecer a humanidade nos próximos anos a menos que haja uma política rigorosa de controle de natalidade e racionamento. Qualquer descoberta nesse campo abriria um vasto leque de possibilidades, tanto no sentido de possibilitar transportes a longas distâncias (outros sistemas planetários) como no abastecimento de energia e na prevenção contra desastres naturais, especialmente asteróides. Por isso seria interessante algo como “energia gerada por anti-matéria”, desde que a existência da vida não seja ameaçada pelo perigo de acidentes em larga escala.  
  
Um abraço! 
Piu