Кулоновский барьер , названный в честь закона Кулона , который, в свою очередь, назван в честь физика Шарля Огюстена де Кулона , представляет собой энергетический барьер, обусловленный электростатическим взаимодействием, который необходимо преодолеть двум ядрам , чтобы они могли приблизиться друг к другу достаточно близко для осуществления ядерной реакции .
Этот энергетический барьер определяется электрической потенциальной энергией :
где
Положительное значение U обусловлено силой отталкивания, поэтому взаимодействующие частицы находятся на более высоких уровнях энергии по мере сближения. Отрицательная потенциальная энергия указывает на связанное состояние (из-за силы притяжения).
Кулоновский барьер увеличивается с ростом атомных номеров (т.е. числа протонов) сталкивающихся ядер:
где e — элементарный заряд , а Z i — соответствующие атомные номера.
Чтобы преодолеть этот барьер, ядрам приходится сталкиваться на высоких скоростях, чтобы их кинетическая энергия сблизила их достаточно для того, чтобы произошло сильное взаимодействие и связало их вместе.
Согласно кинетической теории газов , температура газа является всего лишь мерой средней кинетической энергии частиц в этом газе. Для классических идеальных газов распределение скоростей частиц газа задается уравнением 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 ниже ожидаемых из-за квантово-механического туннелирования , как установил Гамов . Рассмотрение проникновения через барьер посредством туннелирования и распределения скоростей приводит к ограниченному диапазону условий, в которых может происходить синтез , известному как окно Гамова .
Отсутствие кулоновского барьера позволило Джеймсу Чедвику открыть нейтрон в 1932 году. [1] [2]
Существует большой интерес к механике и параметрам ядерного синтеза, включая методы моделирования кулоновского барьера для научных и образовательных целей. Кулоновский барьер является типом потенциального энергетического барьера и играет центральную роль в ядерном синтезе. Он является результатом взаимодействия двух фундаментальных взаимодействий: сильного взаимодействия на близком расстоянии в пределах ≈ 1 фм и электромагнитного взаимодействия на дальнем расстоянии за пределами кулоновского барьера. Микроскопический диапазон сильного взаимодействия, порядка одного фемтометра, затрудняет его моделирование, и классических примеров в человеческом масштабе не существует. Визуальная и тактильная классная модель сильного притяжения на близком расстоянии и отталкивания на дальнем расстоянии, характерная для кривой потенциала синтеза, моделируется в аппарате с магнитным «кулоновским» барьером. [3] Аппарат занял первое место в национальном конкурсе аппаратов 2023 года Американской академии учителей физики в Сакраменто, Калифорния. По сути, пара противостоящих постоянных магнитных массивов генерирует асимметричные чередующиеся магнитные поля N/S, которые приводят к отталкиванию на расстоянии и притяжению в пределах ≈ 1 см. Соответствующий патентный метод (US11,087,910 B2) далее описывает аппарат и излагает критерии для более общего моделирования электромагнитного потенциального энергетического барьера. Магнитные и электрические силы были объединены в электромагнитную фундаментальную силу Джеймсом Клерком Максвеллом в 1873 году в « Трактате об электричестве и магнетизме ». В случае магнитного «кулоновского» барьера патент описывает чередующиеся/неравные или асимметричные северный и южный магнитные полюса, но язык патентного метода достаточно широк, чтобы включать также положительные и отрицательные электростатические полюса. Подразумевается, что регулярно расположенные противоположные и неравные электростатические точечные заряды также обладают способностью моделировать электростатический потенциальный энергетический барьер.
