Coulomb -barriär - Coulomb barrier

Den Coulomb barriären , uppkallad efter Coulombs lag , som i sin tur är uppkallad efter fysikern Charles-Augustin de Coulomb är energibarriären på grund av elektrostatisk interaktion som två kärnor måste övervinna så att de kan komma tillräckligt nära för att genomgå en kärnreaktion .

Potentiell energibarriär

Denna energibarriär ges av den elektrostatiska potentiella energin :

${\ displaystyle U _ {\ text {coul}} = k {{q_ {1} \, q_ {2}} \ över r} = {1 \ över {4 \ pi \ epsilon _ {0}}} {{q_ {1} \, q_ {2}} \ över r}}$

var

k är Coulombs konstant =8,9876 × 10 ⁹  Nm ² · C ^-2 ;

ε ₀ är ledigt utrymme ;

q ₁ , q ₂ är laddningarna av de interagerande partiklarna;

r är interaktionsradien.

Ett positivt värde på U beror på en frånstötande kraft, så interagerande partiklar har högre energinivåer när de kommer närmare. En negativ potentiell energi indikerar ett bundet tillstånd (på grund av en attraktionskraft).

Coulomb -barriären ökar med atomnumren (dvs. antalet protoner) för de kolliderande kärnorna:

${\ displaystyle U _ {\ text {coul}} = {{k \, Z_ {1} \, Z_ {2} \, e^{2}} \ över r}}$

där e är den elementära laddningen ,1,602 176 53 × 10 ⁻¹⁹  C , och Z _i motsvarande atomnummer.

För att övervinna denna barriär måste kärnor kollidera med höga hastigheter, så deras kinetiska energier driver dem tillräckligt nära för att den starka interaktionen ska äga rum och binda dem samman.

Enligt den kinetiska teorin om gaser är temperaturen på en gas bara ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin för partiklarna i den gasen. För klassiska ideala gaser ges gaspartiklarnas hastighetsfördelning av Maxwell – Boltzmann . Från denna fördelning kan fraktionen av partiklar med en hastighet som är tillräckligt hög för att övervinna Coulomb -barriären bestämmas.

I praktiken visade sig temperaturer som behövdes för att övervinna Coulomb -barriären vara mindre än förväntat på grund av kvantmekanisk tunnelering , som fastställts av Gamow . Hänsyn till barriärgenomträngning genom tunnel och hastighetsfördelning ger upphov till ett begränsat antal förhållanden där fusion kan äga rum, så kallat Gamow-fönstret .

Frånvaron av Coulomb -barriären möjliggjorde neutronens upptäckt av James Chadwick 1932.

Referenser