Кулоновский барьер

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

энергетический

Этот энергетический барьер определяется электрической потенциальной энергией :

$U_{\text{coulomb}}={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{1}q_{2} \over r}$

где

ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства ;

q ₁ , q ₂ – заряды взаимодействующих частиц;

r — радиус взаимодействия.

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

Кулоновский барьер увеличивается с увеличением атомных номеров (т.е. количества протонов) сталкивающихся ядер:

$U_{\text{coulomb}}={{Z_{1}Z_{2}e^{2}} \over 4\pi \varepsilon _{0}r}$

где e — элементарный заряд , а Z _— соответствующие атомные номера.

Чтобы преодолеть этот барьер, ядрам приходится сталкиваться на высоких скоростях, поэтому их кинетические энергии подталкивают их достаточно близко, чтобы сильное взаимодействие произошло и связало 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 определяется формулой Максвелла – Больцмана . Из этого распределения можно определить долю частиц со скоростью, достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера.

На практике температуры, необходимые для преодоления кулоновского барьера, оказались меньшими, чем ожидалось, из-за квантово-механического туннелирования , как установил Гамов . Рассмотрение проникновения через туннелирование и распределения скоростей приводит к ограниченному диапазону условий, при которых синтез может иметь место , известному как окно Гамова .

Отсутствие кулоновского барьера позволило открыть нейтрон Джеймсу Чедвику в 1932 году.