Equivalência massa - energia em Física

Física Moderna

Física Moderna foi desenvolvida durante as três primeiras décadas do século XX, as quais resultaram das proposições teóricas dos físicos Albert Einstein e Max Planck. Mais abrangente que a Física Clássica, a Física Moderna é capaz de explicar fenômenos de escalas muito pequenas (atômicas e subatômicas) e de altíssimas velocidades, muito próximas à velocidade da luz. 

Equivalência entre Massa e Energia

Em uma reação química a massa que se transforma em outras forma de energia (ou vice-versa) é uma fração tão pequena da massa otal envolcidade que não pode ser medida nem mesmo na mais sensível das balanças de laboratório.  Assim, nas reações químicas a
massa e a energia parecem ser conservadas separadamente. Por outro lado, em uma reação nuclear (processo no qual núcleos ou outras partículas subatômicas interagem) a energia liberada é milhões de vezes maior que em uma reação química, e a variação de massa pode ser facilmente medida. 

A relação entre elas é dada por:

E_0=mc²

Onde:

E_0: é a energia que um objeto possui quando está em repouso simplesmente porque possui massa.

Na prática as unidades do SI raramente são usadas na equação acima porque levam a valores numéricos excessivamente grandes ou excessivamente pequenos. As massas em geral são medidas em unidades de massa atômica (u), de acordo com a seguinte definição:

1 u ≅ 1,660 x 10^-27 Kg

As energias em geral são medidas em elétrons-volts, de acordo com a seguinte relação:

1 eV ≅ 1,602 x 10^-19 J

Nas unidades das equações acima, a constante c² tem o seguinte valor:

c² ≅ 931,5 MeV/u

Fissão Nuclear

A cisão ou divisão de um núcleo atômico pesado e instável pelo bombardeamento desse núcleo com nêutrons é denominada fissão nuclear.

O bombardeamento do núcleo de um átomo de urânio com um nêutron, por exemplo, causa a divisão do núcleo desse átomo em duas partes: um átomo de bário e um átomo de criptônio e a liberação de dois ou três novos nêutrons. Há também liberação de uma quantidade de energia.

A reação de fissão do urânio é a seguinte:

Como ocorre liberação de energia, isso equivale a uma perda de massa de urânio. A equação que sintetiza essa ideia é:

E = mc²

No entanto, a divisão do núcleo não acontece por causa do impacto do nêutron. Na verdade, essa divisão acontece em consequência da instabilidade gerada no núcleo ao receber um nêutron a mais.

Os novos nêutrons podem colidir com dois outros núcleos de urânio e produzir quatro outros nêutrons.

Se o processo se repetir sucessivamente dará origem a uma reação em cadeia, na qual a produção de nêutrons a cada fissão cresce em progressão geométrica, liberando uma quantidade enorme de energia.

A grande quantidade de energia liberada nessas reações proporcionou as condições necessárias para que fossem criadas:

• a usina nuclear: a reação de fissão em cadeia é mantida sob controle e a energia liberada é usada como fonte de calor para aquecer a água, cujo vapor aciona uma turbina geradora para produzir eletricidade.
• a bomda atômica: utiliza a imensa quantidade de energia e radiações liberadas na reação de fissão em cadeia para causar destruição.

Fusão nuclear

A união ou a junção de dois ou mais núcleos atômicos leves, originando um único núcleo atômico, e a liberação de uma quantidade colossal de energia é denominada de fusão nuclear.

Requer temperaturas elevadíssimas para a sua efetivação. No interior do Sol, por exemplo (estima-se que a temperatura seja da ordem de 20 milhões de graus Celsius), átomos de hidrogênio se unem formando átomos de hélio. Nesse caso, quatro átomos de hidrogênio se fundem em um único átomo de hélio à custa de perda de massa do hidrogênio que é liberada na forma de energia (E = mc²).

Como a cada reação diminui a quantidade de hidrogênio, isso nos leva a prever a “morte” do Sol.

Outro exemplo de fusão nuclear é a bomba de hidrogênio (bomba H), na qual a temperatura necessária para iniciar a reação de fusão é obtida pela explosão de uma bomba de fissão.