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 E com um núcleo de número de massa A, parte da energia é transferida ao núcleo. A energia remanescente do nêutron após uma colisão é uma fração alpha de E.
Essa fração alpha depende de A segundo a fórmula
alpha = (A-1A+1)^2
Portanto, a fração de energia perdida pelo nêutron em cada colisão é
De<a EE = 1 - alpha = 1 - (A-1A+1)^2

Passo 3

Para núcleos leves, como o hidrogênio ( A=1), tem-se
alpha = (1-11+1)^2 = 0 Longrightarrow De<a EE = 1,
isto é, o nêutron pode perder quase toda a energia numa única colisão. Para núcleos pesados (fe em aço, Aapprox56, ou Pb, Aapprox207), alpha fica próximo de 1 e De<a E/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 ( A=1) permite enormes perdas de energia por colisão elástica e posterior captura térmica, coisa que núcleos pesados de chumbo ou aço não fazem com eficácia.

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