Por que a água é uma proteção melhor contra os nêutrons que o chumbo ou o aço?
Passo 1
O enunciado pergunta por que a água é melhor blindagem para nêutrons que chumbo ou aço. O conteúdo envolve a física de interação nêutron–matéria, em especial espalhamento elástico e moderação de nêutrons. Para resolver, vamos analisar como nêutrons perdem energia em colisões elásticas com núcleos de diferentes massas.
Passo 2
Em espalhamento elástico de um nêutron de energia
com um núcleo de número de massa
, parte da energia é transferida ao núcleo. A energia remanescente do nêutron após uma colisão é uma fração
de
.
Essa fração depende de
segundo a fórmula
Essa fração
Portanto, a fração de energia perdida pelo nêutron em cada colisão é
Passo 3
Para núcleos leves, como o hidrogênio (
), tem-se
isto é, o nêutron pode perder quase toda a energia numa única colisão. Para núcleos pesados (fe em aço,
, ou Pb,
),
fica próximo de 1 e
é muito pequeno, exigindo muitas colisões para desacelerar o nêutron.
Passo 4
A água, por conter hidrogênio, oferece um meio excepcional de moderação de nêutrons: cada colisão tende a derrubar muita energia deles, e depois esses nêutrons “térmicos” ainda podem ser capturados pelo hidrogênio ou oxigênio. Chumbo e aço, apesar de bons para bloquear raios gama e partículas carregadas, têm núcleos pesados que mal retardam nêutrons em colisões elásticas, tornando-os ineficientes como blindagem de nêutrons.
Resposta
A água é melhor blindagem para nêutrons porque seu hidrogênio (
) permite enormes perdas de energia por colisão elástica e posterior captura térmica, coisa que núcleos pesados de chumbo ou aço não fazem com eficácia.