Coulomb barriere - Coulomb barrier

Den Coulomb barriere , opkaldt efter Coulombs lov , som igen er opkaldt efter fysikeren Charles Augustin Coulomb , er den energi barriere på grund af elektrostatisk interaktion, to kerner nødt til at overvinde, så de kan komme tæt nok på til at gennemgå en kernereaktion .

Potentiel energibarriere

Denne energibarriere er givet af den elektrostatiske potentielle energi :

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

hvor

k er Coulombs konstante =8,9876 × 10 ⁹  N · m ² · C ^-2 ;

ε ₀ er frit rums permittivitet ;

q ₁ , q ₂ er ladningerne af de interagerende partikler;

r er interaktionsradius.

En positiv værdi af U skyldes en frastødende kraft, så interagerende partikler er på højere energiniveauer, når de kommer tættere på. En negativ potentiel energi angiver en bundet tilstand (på grund af en attraktiv kraft).

Coulomb -barrieren stiger med atomnummeret (dvs. antallet af protoner) i de kolliderende kerner:

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

hvor e er elementær ladning ,1,602 176 53 × 10 ⁻¹⁹  C , og Z _i de tilsvarende atomnumre.

For at overvinde denne barriere skal kerner kollidere ved høje hastigheder, så deres kinetiske energier driver dem tæt nok til, at den stærke interaktion finder sted og binder dem sammen.

Ifølge den kinetiske teori om gasser er temperaturen på en gas bare et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af partiklerne i den gas. For klassiske ideelle gasser er gaspartiklernes hastighedsfordeling givet af Maxwell – Boltzmann . Fra denne fordeling kan fraktionen af ​​partikler med en hastighed, der er høj nok til at overvinde Coulomb -barrieren, bestemmes.

I praksis viste temperaturer, der var nødvendige for at overvinde Coulomb -barrieren, at være mindre end forventet på grund af kvantemekanisk tunneling , som etableret af Gamow . Hensynet til barriereindtrængning gennem tunneling og hastighedsfordelingen giver anledning til et begrænset antal forhold, hvor fusion kan finde sted, kendt som Gamow-vinduet .

Fraværet af Coulomb -barrieren muliggjorde neutronens opdagelse af James Chadwick i 1932.

Referencer