Como funcionam as bombas atômicas e por que os cientistas do Projeto Manhattan projetaram dois tipos de bombas durante a Segunda Guerra Mundial

Funcionamento e tipos de bombas atômicas no Projeto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial

• As bombas atômicas funcionam por meio de um processo chamado fissão nuclear que envolve a divisão do átomo.
• Pouco depois que os cientistas descobriram a fissão nuclear, a possibilidade de uma bomba foi rapidamente percebida.
• Albert Einstein não fez as primeiras bombas atômicas, mas sua famosa equação explica como elas funcionam.

Com sua representação da primeira explosão de uma bomba atômica, o novo filme “Oppenheimer” destaca o imenso poder destrutivo dessas primeiras armas nucleares.

Embora você possa querer se atualizar em física antes de assistir ao filme – Cillian Murphy certamente o fez para interpretar o papel de J. Robert Oppenheimer – aqui está uma explicação de como as primeiras bombas atômicas funcionavam.

Dividindo o átomo

As bombas atômicas funcionam dividindo átomos por meio de um processo chamado fissão nuclear. É chamado de “divisão” porque essencialmente você está pegando um átomo e dividindo-o em dois.

O centro dos átomos é composto por partículas minúsculas chamadas prótons e nêutrons.

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A fissão, descoberta em 1938, ocorre quando um núcleo atômico é atingido por um nêutron. Ele se divide, produzindo dois elementos mais leves e, mais importante, alguns nêutrons e alguma energia – ambos são fundamentais para as armas atômicas.

Pouco depois que os cientistas descobriram que haviam dividido o átomo, a comunidade de física quântica – incluindo Albert Einstein e Oppenheimer – descobriu que ele poderia ser usado para produzir uma bomba enorme.

Se a fissão começa com uma certa quantidade mínima – conhecida como massa crítica – de material radioativo como urânio e plutônio, ela causa uma reação em cadeia, disse Zaijing Sun, físico nuclear da Universidade de Nevada Las Vegas, ao Insider.

Na reação em cadeia nuclear, cada nêutron liberado pela fissão passa a dividir outro átomo, produzindo mais nêutrons que dividem mais átomos em uma taxa mais rápida. À medida que mais átomos se dividem, a energia extra acumulada se acumula – produzindo quase instantaneamente o poder explosivo da bomba atômica, disse Sun.

Em uma única explosão de bomba atômica, bilhões de átomos se dividem em um milionésimo de segundo.

A famosa equação de Einstein explica como as bombas atômicas funcionam

A primeira bomba atômica já detonada, conhecida como teste Trinity, usou cerca de 13 libras (6 quilogramas) de plutônio e gerou uma explosão equivalente a 21.000 toneladas de TNT.

A bomba atômica lançada sobre Hiroshima continha cerca de 140 libras de urânio e produziu uma explosão equivalente a 15.000 toneladas de TNT.

Mas as bombas não foram totalmente eficientes em seu uso de combustível – apenas uma pequena parte do material nuclear realmente sofreu fissão.

De fato, apenas cerca de meio grama do urânio total na bomba lançada sobre Hiroshima foi convertido em energia – criando a força total da explosão.

Mas como uma quantidade relativamente pequena de matéria é capaz de produzir tanta energia?

Isso tem a ver com a famosa equação de Einstein: E = mc2, que significa “massa e energia são essencialmente a mesma coisa, então qualquer massa pode se transformar em energia”, disse Sun.

Por exemplo, quando um nêutron atinge um átomo de urânio-235, a massa combinada dos dois novos elementos mais leves e dos nêutrons é menor do que o átomo original de urânio-235 – não muito, mas é mensurável.

Aquela pequena quantidade de massa ausente é o que se transforma em pura energia, disse Sun. É essa energia que é capaz de quase destruir uma cidade inteira.

Posteriormente, os cientistas desenvolveram uma arma ainda mais poderosa. Chamada de bomba de hidrogênio, ela usa tanto a fissão quanto a fusão nuclear – a união de átomos – para produzir uma arma 1.000 vezes mais poderosa do que a bomba atômica lançada sobre Hiroshima em 1945.

Construindo a bomba

Durante a Segunda Guerra Mundial, os cientistas tinham plena consciência do potencial de usar a fissão nuclear para criar uma arma.

No meio dos temores de que a Alemanha estivesse trabalhando para construir uma bomba, Oppenheimer foi nomeado diretor do laboratório de Los Alamos, no Novo México, parte do Projeto Manhattan dos Estados Unidos, que tinha como objetivo construir a bomba atômica.

O Projeto Manhattan levou cerca de três anos para completar sua missão, empregando mais de 130.000 pessoas em seu auge e custando 2,2 bilhões de dólares até o final da guerra (cerca de 38 bilhões de dólares em 2023).

Os cientistas projetaram e construíram dois tipos diferentes de bombas atômicas porque não tinham certeza de qual método funcionaria. Uma era alimentada por urânio, a outra por plutônio.

O urânio possui diversos isótopos – ou seja, o mesmo elemento químico com um número diferente de nêutrons. O urânio naturalmente ocorrente é composto principalmente pelo isótopo U-238 e contém pequenas quantidades de U-235. Mas uma bomba atômica requer altas concentrações de U-235 porque é a forma que sofre fissão facilmente.

Um laboratório em Oak Ridge, Tennessee, criou esse urânio “enriquecido” que continha uma alta concentração de U-235 para servir como combustível para a bomba – apelidada de Little Boy – que foi lançada sobre Hiroshima.

O Little Boy usava um método de detonação do tipo arma. A bomba continha dois núcleos separados de urânio e usava um explosivo convencional para lançar um núcleo contra o outro. Quando os dois núcleos de urânio se chocavam, ocorria a massa crítica, causando uma explosão atômica.

Enquanto o urânio era extraído e enriquecido para uso em uma bomba, o plutônio precisava ser criado.

O plutônio é produzido bombardeando o U-238 com nêutrons. Os átomos de U-238 absorvem um nêutron, o que provoca uma série de mudanças nucleares que o transformam em plutônio.

Reatores nucleares em Hanford, Washington, produziam plutônio e o enviavam para Los Alamos para montagem da bomba “Fat Man”, que os EUA lançaram sobre Nagasaki.

O Fat Man era uma bomba do tipo implosão, com um núcleo de plutônio cercado por explosivos. Quando detonada, a força dos explosivos comprimia o plutônio até que ele se tornasse denso o suficiente para alcançar a massa crítica.

Como os cientistas que trabalhavam no Projeto Manhattan não tinham certeza se o método de implosão da bomba de plutônio funcionaria, eles decidiram testar uma antes de usá-la na guerra.

Então, em 16 de julho de 1945, às 5h29, no deserto do Novo México, o teste Trinity detonou uma bomba de plutônio chamada “Gadget”, – a primeira bomba nuclear do mundo – e inaugurou a era atômica.