Кулоновский барьер

редактировать

Электростатический энергетический барьер, который должен необходимо преодолеть для возникновения ядерных реакций

Кулоновский барьер, названный в честь закона Кулона, который, в свою очередь, назван в честь физика Шарля-Огюстена де Кулона, это энергетический барьер из-за электростатического взаимодействия, который два ядра должны преодолеть, чтобы они могли подойти достаточно близко, чтобы пройти ядерную реакцию.

Потенциальный энергетический барьер

Это энергетический барьер задается потенциальной электростатической энергией :

U coul = kq 1 q 2 r = 1 4 π ϵ 0 q 1 q 2 r {\ displaystyle U_ {coul} = k {{q_ {1} \, q_ {2}} \ over r} = {1 \ over {4 \ pi \ epsilon _ {0}}} {{q_ {1} \, q_ {2}} \ over r}}

U _ {{coul}} = k {{q_ {1 } \, q_ {2}} \ over r} = {1 \ over {4 \ pi \ epsilon _ {0}}} {{q_ {1} \, q_ {2}} \ over r}

где

k - постоянная Кулона = 8,9876 × 10 Н · м² Кл;

ε0- диэлектрическая проницаемость свободного пространства ;

q1, q 2 - заряды взаимодействующие частицы;

r - радиус взаимодействия.

Положительное значение U обусловлено силой отталкивания. e, поэтому взаимодействующие частицы по мере приближения находятся на более высоких уровнях энергии. Отрицательная потенциальная энергия указывает на связанное состояние (из-за силы притяжения).

Кулоновский барьер увеличивается с ростом атомных номеров (т. Е. Количества протонов) сталкивающихся ядер:

U coul = k Z 1 Z 2 e 2 r {\ displaystyle U_ {coul} = {{k \, Z_ {1} \, Z_ {2} \, e ^ {2}} \ over r}}

U _ {{ coul}} = {{k \, Z_ {1} \, Z_ {2} \, e ^ {2}} \ over r}

, где e - элементарный заряд, 1.602 176 53 × 10 C, и Z i - соответствующие атомные номера.

Чтобы преодолеть этот барьер, ядра должны столкнуться с высокими скоростями, поэтому их кинетическая энергия сближает их достаточно близко, чтобы сильное взаимодействие могло иметь место и связывать их вместе.

Согласно кинетической теории газов, температура газа - это просто мера средней кинетической энергии частиц в этом газе. Для классических идеальных газов распределение частиц газа по скоростям задается формулой Максвелла – Больцмана. Из этого распределения можно определить долю частиц с достаточно высокой скоростью, чтобы преодолеть кулоновский барьер.

На практике температуры, необходимые для преодоления кулоновского барьера, оказываются ниже ожидаемых из-за квантово-механического туннелирования, как установлено Гамовым. Учет проникновения через барьер через туннелирование и распределение скорости приводит к ограниченному диапазону условий, при которых может происходить синтез, известному как окно Гамова.

Отсутствие кулоновского барьера позволило обнаружить нейтрон Джеймс Чедвик в 1932 году.

Ссылки