Curiozitatea nucleară

Omenirea este super curioasă. De fapt, ăsta este unul din lucrurile alea care ne face să fim oameni: o curiozitate ieșită din comun și capacitatea de a învăța constant din informațiile culese cu ajutorul ei. În momentul în care oamenii au învățat că atomul are un nucleu, au început imediat să umble la el, să vadă ce face. Acum două săptămâni am povestit despre neutron (în Când apa dă de greu), săptămâna trecută despre radioactivitate și descoperirea ei (în Radioactivități), iar azi le punem cap la cap, să vedem cum s-a folosit omenirea de aceste cunoștințe.

 Alchimie 2.0

Încă din cele mai vechi timpuri, unul din cele mai mari visuri ale omenirii a fost să transforme un element chimic în altul. Mai exact, pe oamenii din Antichitate și din Evul Mediu îi interesa să transforme cumva metalele obișnuite (fier, plumb) în aur.

Deși alchimia este o pseudoștiință, aceasta ne-a adus câteva beneficii: elemente chimice precum fosforul (descoperit de Hennig Brand, vezi în postarea Lumina rece: fosforul) au fost descoperite pentru că alchimiștii se tot jucau cu diverse elemente ca să obțină aurul și, cel mai important, întreg domeniul numit chimie a apărut din alchimie. Dar adevărul e că nimeni nu a reușit vreodată să transforme un element chimic în altul.

Asta până la începutul secolului XX.

Era 1919. Cu 10 ani în urmă Ernest Rutherford demonstrase împreună cu asistenții săi (Hans Geiger și Ernest Marsden) că atomul are o structură: un nucleu electric pozitiv în jurul căruia orbitau niște electroni electric negativi. Până la începutul secolului XX se credea că un atom nu se poate schimba: un atom de carbon rămâne atom de carbon pentru totdeauna, de exemplu. Dar în urma descoperirii radioactivității (de către Henri Becquerel și Marie Curie și Pierre Curie), Rutherford și-a dat seama că în momentul în care atomul unui element radioactiv (precum uraniul) se dezintegrează, bucăți din acel atom se desprind. Atomul se schimbă. Așa că s-a pus pe experimentat, dar nu pe uraniu, ci pe niște elemente mult mai ușoare.

În imaginea de mai jos vezi fix ce a făcut el: a luat niște atomi de azot (N în tabelul periodic) pe care i-a bombardat cu particule alfa (o să îți aduci aminte de data trecută că ele sunt nuclee de heliu, adică sunt compuse din doi neutroni și doi protoni) la o viteză confortabil de mare.

În momentul în care particula alfa se lovește de nucleul atomului de azot, acesta absoarbe particula alfa, dar apoi scuipă un proton din nucleu, care o ia la goană. Dar chiar și așa, în urma bombardamentului cu particule alfa, atomul de azot are acum un proton în plus, care îl face să se transforme în cu totul alt element chimic: oxigen. Asta pentru că protonii dintr-un atom (numărul lor, mai exact) dau elementul chimic. Practic ¹⁴N + α (particulă alfa) → ¹⁷O + proton.

Traducere: un atom de azot cu numărul de masă (suma protonilor și neutronilor din nucleu) 14 plus o particulă alfa (cu doi protoni și doi neutroni) ne dă un izotop de oxigen cu numărul de masă 17 (adică 8 protoni și 9 neutroni; atomul normal de oxigen are 8 protoni și 8 neutroni) PLUS un proton. Extraordinar! Rutherford devenise primul om din istorie care să transforme un element chimic într-un alt element chimic de bunăvoie!

Bine, el nu știa pe vremea aia de protoni (abia în 1920 avea să se prindă exact care-i treaba cu particula aia scuipată de atomul de azot) sau de neutroni, dar reușise acum să realizeze ceva ce a dat serioase bătăi de cap multor oameni până atunci și să împlinească un vis vechi de mii de ani. Dar unde greșiseră alchimiștii? Lor de ce nu le-a ieșit? Că aveau și ei azot și oxigen la dispoziție. Păi, după cum vezi, schimbarea asta de la un element la altul se face la nivel atomic, adică în nucleu, pe când alchimiștii încercau să transforme elementele prin procedee chimice. Am văzut data trecută cât de puternice sunt forțele din interiorul nucleului atomic, iar pentru asta este nevoie de ceva mai mult decât niște reacții chimice.

 Bombardierul stealth al naturii

În fine, în momentul ăla, oamenii de știință au început să călărească și mai mult atomul și să umble la el, ca să vadă ce alte șmecherii mai știe. Au început chiar să se gândească la bombardarea nucleelor atomilor foarte grei (de uraniu sau radiu, de exemplu) în încercarea de a crea niște elemente cu totul noi!

Problema era că oricât de mult ar fi dat cu particule alfa în acei atomi, protonii din particule nu se lipeau neam de nuclee! Asta pentru că forța electromagnetică din atomii de uraniu/radiu respingea protonii particulelor alfa (nucleul pozitiv d.p.d.v. electric, particulele alfa tot pozitive). Și așa fizicienii și chimiștii au rămas în pom. Dar prin 1932, James Chadwick a descoperit neutronul, o altă particulă care își făcea veacul în nucleul oricărui atom. Iar asta le-a permis în sfârșit fizicienilor și chimiștilor să coboare din pom.

La un moment dat, fizicianul italian Enrico Fermi și-a dat seama că în loc să bombardeze nucleul (care era pozitiv) cu particule alfa (care sunt pozitive), ar fi mișto să îl bombardeze cu neutroni, pentru că neutronul este neutru din punct de vedere electric. Este ca un bombardier stealth: intră pe ascuns în nucleu și nu e respins de forța electromagnetică, tocmai pentru că este neutru.

Fermi se gândea că în momentul în care o să bombardeze atomul de uraniu cu neutroni, unul din neutroni o să intre în nucleul uraniului. Cum un atom cu prea mulți neutroni devine prea greu și instabil, acesta va încerca să se stabilizeze cumva. În cazul ăsta stabilizarea s-ar produce în urma dezintegrării beta: atomul de uraniu primește neutronul, devine instabil, și imediat transformă un neutron din nucleu în proton și scuipă un electron. Firește, în momentul în care uraniul dobândește un proton în plus, devine altceva! Un element chimic nemaivăzut până atunci și mai greu decât orice alt element chimic.

Zis și făcut: Fermi a făcut acest experiment, și într-adevăr rezultatele erau deosebite. Aparent acesta reușise să creeze un element mai greu ca uraniul, iar în 1934 a dat sfară în țară.

Normal, asta a pus pe jar mulți oameni de știință, care s-au pus imediat pe verificat afirmațiile lui (cam așa merge treaba în știință). Printre acei oameni se afla și chimistul Otto Hahn (împreună cu echipa sa). Acesta s-a pus pe verificat în 1938, dar a descoperit aproape imediat că ceva nu era în regulă: în urma experimentului pe atomul de uraniu (care are 92 de protoni), acesta a descoperit că rămâne în urmă bariu (care are 56 protoni în nucleu). Practic, era ca și cum atomul de uraniu s-ar fi scindat în două părți!

Acesta i-a scris colegei sale Lise Meitner (care deși locuise până atunci în Germania, ea era evreică și a fost forțată să fugă în Suedia, pentru că naziștii tocmai se ridicaseră la putere) despre toate acestea și au ajuns în scurt timp (cu ajutorul lui Otto Frisch, colegul Lisei) la concluzia că ceva remarcabil se întâmplase cu atomul de uraniu: acesta nu devenise un nou element mai greu, ci într-adevăr se scindase în două elemente chimice separate! Enrico Fermi se înșelase. Otto Hahn și Lise Meitner tocmai descoperiseră fisiunea nucleară.

Iată care e șmecheria: atomul de uraniu este bombardat cu un neutron. În momentul ăla, atomul de uraniu devine atât de instabil încât nu se mai suportă și trebuie să facă ceva ca să se stabilizeze. Are prea multă energie și nu-i convine.

Dintre cele două forțe (forța nucleară tare și forța electromagnetică) care se tot luptă în interiorul nucleului, forța electromagnetică este cea care câștigă. Astfel, protonii și neutronii din nucleu se despart, atomul se împarte în două (un atom de Ba – bariu și un atom de Kr – kripton) și pe lângă asta elimină încă vreo trei neutroni.

Meitner și Hahn și-au dat seama că la fel ca un balon plin plin cu apă, atomul de uraniu e super instabil și e gata să se scindeze la cea mai mică înțepătură de ac (în cazul ăsta, neutronul).

În plus, Meitner a observat că dacă aduna masa celor două elemente chimice rezultate (bariu și kripton), îi dădea un pic mai puțin decât masa pe care o avea atomul de uraniu inițial. Ce se întâmplase cu restul masei? Folosindu-se de faimoasa ecuație a lui Albert Einstein (știi care), aceasta și-a dat seama că restul masei s-a transformat în energie pură. Fisiunea nucleară scinda atomul de uraniu în două și producea o cantitate foarte mare de energie.

Dacă vrei un exemplu mai grăitor, fisiunea unui atom de uraniu poate produce destulă energie încât să împingă un grăunte de nisip. Lucrul ăsta este remarcabil, având în vedere că grăuntele de nisip este el însuși alcătuit din trilioane de trilioane de atomi. E ca și cum ai lovi Luna cu o minge, iar satelitul nostru natural ar zbura de pe orbită!

 Căderea în păcat

Revoluția ce se întrezărea în urma descoperirii fisiunii nucleare și a energiei pe care aceasta o putea degaja era una de bun augur: imaginează-ți, doar, câtă energie puteai să scoți dintr-un singur bulgăre de uraniu! Un kilogram de cărbune produce 8 kWh, în timp ce un kilogram de ²³⁵U produce 24.000.000 kWh! Douășpatrudemilioane!

Din păcate, însă, cel de-al Doilea Război Mondial tocmai începuse, iar panica mare printre americani era ca nu cumva germanii să pună mâna și să facă o armă de care să se folosească în scopuri mârșave (e o armă, d’uh!) de descoperirea lui Hahn și Meitner. Da, până la ora aia deja se cam prinseseră toți câtă energie poate degaja uraniul cu ajutorul fisiunii nucleare.

Așa că americanii au dat startul Proiectului Manhattan (prin 1939-1940), un proiect de mare anvergură prin care au fost cooptați oameni de știință precum Enrico Fermi (salut, bine te-am regăsit!) și J. Robert Oppenheimer. Scopul? Să construiască ei primii o bombă nucleară, în scopul protejării omenirii de un eventual dezastru creat de naziști. Raționametul a fost ăsta (într-un raport a lui Otto Frisch și Rudolf Peierls către Guvernul Britanic):

Dacă se lucrează pe considerentul că Germania este, sau va fi, în posesia acestei arme, trebuie să ne dăm seama că nu există adăposturi care să fie eficiente și care să poată fi folosite la o scară largă. Cel mai eficient răspuns ar fi o contra-amenințare cu o bombă asemănătoare. Deci ni se pare important să se înceapă producția cât mai rapid posibil, chiar dacă intenția nu este de a folosi bomba pentru un atac.

Între timp, omenirea reușise într-adevăr să creeze pentru prima oară în istorie elemente chimice mai grele decât uraniul: neptuniul (Np – 1939, descoperit de către Edwin McMillan și Philip Abelson) și plutoniul (Pu – 1940, descoperit de către Glenn T. Seaborg și echipa lui). Cum? Folosind metoda lui Enrico Fermi, firește! Adică prin bombardarea cu neutroni.

Iar izotopi? 

Mno, stai puțin, cum se face că Enrico Fermi a bombardat uraniu cu neutroni, dar la el s-a produs fisiune nucleară, adică atomul s-a despărțit în două, în timp ce ăstorlalți le-au dat atomi mai grei decât uraniul folosind aceeași metodă?

Se face că depinde foarte mult și de ce fel de izotop al uraniului bombardezi. Adică, de exemplu ²³⁸U (numit și uraniu-238) se găsește cel mai des în natură și se dezintegrează alfa (vezi în postarea de săptămâna trecută despre dezintegrare alfa și beta) în thoriu. [Iarăși, numărul 238 reprezintă numărul de masă, adică suma dintre protoni și neutroni din nucleul său. Știm că uraniul are 92 de protoni, deci uraniu-238 are 146 neutroni. E instabil rău. Loco!]

Dar ²³⁵U (uraniu-235) se comportă diferit: când el primește un neutron, se transformă în ²³⁶U (uraniu-236). Cam 81% din atomii de uraniu-236 trec prin fisiune nucleară, dar restul de 19% se stabilizează oarecum și încep să emită radiații gamma. Ei bine, dacă bombardezi și nucleul de uraniu-236 cu neutroni, atunci se întâmplă șmecheria! Acesta trece prin dezintegrare beta minus (ß^–), adică un neutron se transformă în proton și emite energie și un electron. S-a creat un nou element, pentru că acum uraniul are un proton în plus!

Dacă ți se pare că vorbesc limbi străine, înseamnă că probabil n-ai citit ultimele două postări (Când apa dă de greu și Radioactivități). Așa că recomand să treci și prin ele, ca să înțelegi exact ce se întâmplă aici. 

În cele din urmă, pe 16 iulie 1945, la ora 05:29, în New Mexico a avut loc Trinity, prima detonare a unei arme nucleare. Această bombă nucleară avea un miez de plutoniu, care era bombardat cu neutroni, și care trecea prin fisiune nucleară, neutronii rezultați lovindu-se de alți atomi de plutoniu, care eliberau alți neutroni care se loveau de alți atomi de plutoniu și așa mai departe. Se producea, astfel, o reacție în lanț care a eliberat cam 78 TJ (terajouli, adică 78 trilioane de Jouli).

Americanii puseseră primii mâna pe bomba nucleară și reușiseră să îi împiedice pe naziști să provoace o catastrofă. Deveniseră salvatorii omenirii. Dar cine să ne salveze de salvatori?

21 și respectiv 24 de zile mai tâziu, pe 6 și 9 august 1945, în urma atacului din 1941 de la Pearl Harbour, aveau loc primele și singurele atacuri din istorie cu bombe nucleare: deasupra orașelor japoneze Hiroshima și Nagasaki, unde au murit cel puțin 129.000 de oameni. Deși cu ani în urmă Albert Einstein avertizase omenirea de pericolul energiei nucleare folosite necorespunzător, oamenii de știință ajutaseră guvernul american să creeze o armă de distrugere în masă, pentru a ucide alți oameni.

Oamenii de știință căzuseră în păcat.

 Mântuirea

Energia nucleară și știința sunt niște unelte. Ca un ciocan: dacă ai un ciocan, poți să construiești o casă cu el sau să omori pe cineva. Depinde în totalitate de cel care îl mânuiește. La fel și cu acestea două: e ușor să te revolți și să spui că “din cauză că ne-am apucat să ne jucăm cu energia nucleară sau din cauza științei se petrec atâtea nenorociri”, dar să nu uităm că dacă nu sunt mânuite de cineva, ele stau pur și simplu acolo. Ca un scaun în colțul camerei.

Visul celor care au descoperit fisiunea nucleară și a oamenilor de știință care au studiat-o era de a putea furniza omenirii o sursă nelimitată de energie (iarăși, douășpatrudemilioane kWh cu 1 Kg de uraniu!!!), acest vis fiindu-le deturnat de un război și natura umană. Dar oamenii de știință încă mai au timp să se mântuiască. Acum, după atâta timp, energia nucleară are iar șansa de a ne satisface nevoia crescândă de energie, dar și azi se lovește de prejudecăți, în urma unor accidente precum cel de la centrala nucleară de la Cernobîl. Dar, acest dezastru s-a întâmplat din cauza personalului necalificat și a uzurii reactorului nuclear, iar tragedia putea fi evitată dacă autorităților le-ar fi păsat de toate acestea.

Problema este că deși majoritatea covârșitoare a oamenilor nu știu nimic despre energia nucleară, ei sunt extraordinar de convinși că n-ar mai trebui să ne folosim de ea vreodată, pentru că au avut loc accidente (tragice și care de multe ori puteau fi evitate). E ciudat, însă, că în alte domenii nu are nimeni reacția asta. Uite, de exemplu, în momentul în care cineva face accident cu mașina sau e vreun pieton călcat, nu sare nimeni să spună “trebuie să interzicem automobilele!”, nu? Ori e vina pietonului sau a șoferului sau, dacă e designul automobilului de vină, atunci acesta este modificat astfel încât să devină mai sigur. Ideea e că folosim în continuare automobilele, dar remediem pe parcurs problemele: dăm legi care să ne protejeze și/sau îmbunătățim designul automobilelor.

Kurzgesagt are trei video-uri pe YouTube despre energia nucleară și ce avantaje și ce dezavantajare are. Chiar recomand să te uiți la ele, pentru că sunt bine documentate și ușor de înțeles. (Dă click!)

Ce poți să faci tu? Să înțelegi că la fel ca la orice alt fenomen (electricitatea, un alt exemplu) sau tehnologie (automobilele), soluția nu e să le interzici dacă se întâmplă ceva nasol, ci să încerci să le îmbunătățești și să le mânuiești mai bine. Accidentele se întâmplă mereu, ce putem face e să încercăm cât mai mult să le prevenim, reparând ce e de reparat, și să învățăm ceva din ele. Am scris postările astea cu scopul de a te face să înțelegi ce este radioactivitatea și energia nucleară, deoarece cu cât știi mai multe despre ele, cu atât le poți înțelege mai bine și judeca mai corect. Cum ar fi fost să fie interzisă sau lăsată deoparte electricitatea după primul caz de electrocutare?