Questão 130 do ENEM 2024 — Física
Na fissão do urânio-235, esse átomo é dividido em átomos mais leves quando bombardeado por um nêutron. Nos reatores nucleares, novas reações ocorrem a partir dos nêutrons liberados na fissão, caracterizando uma reação em cadeia. Essa reação é mais eficiente quando esses nêutrons têm energia cinética baixa. Por isso, é utilizada uma substância moderadora na qual os nêutrons possam colidir, transferindo parte da energia. Considere que essas colisões são frontais e aproximadamente elásticas, que a substância moderadora é um alvo em repouso e que as velocidades dos nêutrons, υnf, e da substância moderadora, υsf, após a colisão, são:
m m
n s
nf
0
m m
n s
m
2
n sf
0
m m
n s
em que mn é a massa do nêutron, ms é a massa da substância moderadora e υ0 é a velocidade inicial do nêutron.
A substância moderadora que promoverá a maior redução de velocidade dos nêutrons, nesse processo de colisão, será:
2D
Resolução comentada
A questão pede a substância moderadora que mais reduz a velocidade do nêutron na colisão frontal elástica, e a ferramenta é a expressão dada para a velocidade final do nêutron.
Dados: υ_nf = [(mn − ms)/(mn + ms)] · υ₀ e υ_sf = [2·mn/(mn + ms)] · υ₀. A maior redução de velocidade corresponde ao menor módulo de υ_nf, ou seja, ao menor valor de |mn − ms|/(mn + ms). Aqui mn ≈ 1 u, e as massas dos moderadores são dadas pelo número de massa da figura.
Conta, com mn = 1:
²₁D (ms = 2): |1 − 2|/3 ≈ 0,33 · υ₀
⁴₂He (ms = 4): 3/5 = 0,60 · υ₀
¹²₆C (ms = 12): 11/13 ≈ 0,85 · υ₀
¹⁴₇N (ms = 14): 13/15 ≈ 0,87 · υ₀
⁹⁴₃₈Sr (ms = 94): 93/95 ≈ 0,98 · υ₀
O módulo se anula quando ms = mn, então quanto mais próxima a massa do alvo for da do nêutron, mais velocidade é transferida.
A resposta é ²₁D (deutério), com υ_nf ≈ 0,33 · υ₀. Quem pensa que "um alvo mais pesado freia mais" escolhe ⁹⁴₃₈Sr, mas ele é o pior: o nêutron quase ricocheteia e sai com cerca de 98% da velocidade, como uma bola batendo numa parede. O ¹²₆C e o ¹⁴₇N deixam o nêutron com 85% a 87% de υ₀, e o ⁴₂He com 60%, todos acima dos 33% do deutério.