Кулоновский барьер что это такое
Кулоновский барьер: расчет, физическая сущность и роль в природе
В ядерных процессах, как известно, проявляют себя три типа фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное, причем первые два характеризуются чрезвычайно малым радиусом действия. На расстояниях, превышающих этот радиус, взаимодействие ядер и частиц определяется дальнодействующими электромагнитными силами, возникающими между объектами микромира, имеющими особое свойство – электрический заряд. Одно из проявлений действия таких сил – это кулоновский барьер. Что представляет собой данное явление, и с какими физическими процессами оно связано, вкратце расскажет эта небольшая статья.
Условия ядерного синтеза
Вам будет интересно: Образующая конуса. Длина образующей конуса
Все достоверно известные реакции синтеза протекают в высокотемпературной плазме – по этой причине их еще называют термоядерными. Чем выше температура, тем эффективнее протекает реакция. В центральных областях Солнца, например, температура превышает 14 миллионов градусов и плазма сжата до плотности, в 150 раз превышающей плотность воды, однако Солнце – весьма неэффективный термоядерный реактор. Удельное тепловыделение (на единицу объема) человеческого тела существенно превышает солнечное, и большое суммарное энерговыделение нашего светила достигается лишь за счет его колоссальной массы и размеров.
Высокая температура, необходимая для синтеза ядер, означает их высокую кинетическую энергию – она и нужна для преодоления потенциального кулоновского барьера, который природа поставила перед взаимодействующими ядрами.
Понятие о потенциальном барьере
Для того чтобы совершилась реакция синтеза, два ядра (к примеру, два протона – ядра легкого водорода) должны сблизиться на расстояние радиуса сильного взаимодействия. Оно очень мало – порядка 10-15 м. Но, чтобы подойти настолько близко друг к другу, они должны преодолевать возрастающее электростатическое (кулоновское) отталкивание, достигающее максимума при наибольшем сближении.
Область, где потенциальная энергия U отталкивания, то есть та работа, которую нужно совершить для сближения частиц на расстояние r, превышает кинетическую энергию налетающей частицы, носит название потенциального кулоновского барьера. Формула для расчета этой потенциальной энергии имеет вид U = Z1Z2e2/4πε0r, где Z1, Z2 – зарядовые числа ядер, ε0 – электрическая постоянная, и e – величина элементарного электрического заряда.
Наименьшее расстояние rmin ̴ 10-15 м, или 1 Ферми, сравнимо с размерами ядер, и здесь находится вершина потенциального барьера Umax. Если протон или иное ядро проходит его, имея достаточную кинетическую энергию, он попадает в сферу действия мощных ядерных сил и проваливается в создаваемую ими потенциальную яму.
Квантовое туннелирование
У частицы есть возможность преодолеть кулоновский барьер, даже если ее энергия не дотягивает до Umax. Наиболее простое объяснение этого квантового эффекта опирается на соотношение неопределенностей для импульса p и координаты x: ΔpΔx ≥ ħ/2 (здесь ħ – приведенная постоянная Планка). Из него следует, что, чем сильнее ограничена частица по значению одного параметра, тем более неопределенным становится величина другого. Такая неопределенность импульса (связанного прямым соотношением с энергией) или координаты позволяет частице с некоторой вероятностью оказаться «по ту сторону» барьера.
Как видно из графика, кулоновский барьер ядра имеет неодинаковую ширину: внизу она велика, а ближе к вершине барьера значительно уменьшается. Иными словами, у частиц с низкой кинетической энергией практически нет шансов туннелировать сквозь него. А чем ближе энергия частицы к высоте барьера, тем больше становится вероятность туннелирования.
Высота кулоновского барьера и нуклеосинтез
Из формулы U = Z1Z2e2/4πε0r видно, что высота потенциального барьера прямо зависит от зарядов взаимодействующих ядер. Простым подсчетом можно определить, что для двух протонов высота барьера составляет около 1,1 МэВ, что соответствует температуре почти 13 млрд. градусов. Ясно, почему Солнце столь «неэффективно» – ведь его центральные области холоднее на три порядка. Однако синтез там все-таки идет: примерно одна стомиллионная часть протонов все-таки обладает достаточно высокой энергией, чтобы туннелировать сквозь барьер. Этого оказывается достаточно, чтобы обеспечить наблюдаемую светимость Солнца.
Для ядер с большим зарядом барьер существенно повышается. Так, для объединения ядер углерода с образованием магния, натрия или неона нужна уже энергия 40 МэВ или 450 млрд. градусов, однако эта реакция достаточно медленно протекает и при миллиарде градусов в центрах массивных звезд. Так что существование кулоновского барьера и величина его, во-первых, обеспечивают Вселенной разнообразие химических элементов, и, во-вторых, дают звездам возможность светить стабильно на протяжении долгого времени.
Кулоновский барьер
Это представление оформилось в 1930-х годах с экспериментальными открытиями спонтанного и индуцированного деления атомных ядер.
Резюме
Взаимодействие между двумя атомными ядрами
Расчет кулоновских барьеров.
Теория, которая рассчитывала бы кулоновские барьеры на основе элементарного нуклон- нуклеонного взаимодействия, выходит за рамки теоретических и практических возможностей (см. Статью « Структура ядра» ). Расчеты производятся за счет упрощения гипотез, которые подтверждаются эмпирически путем сравнения с экспериментальными данными, в частности адиабатической гипотезы (энергия минимальна на каждом шаге) и выбора параметров последовательности форм.
Барьер деления
Чтобы определить барьер деления, полная энергия родительского ядра вычисляется по последовательности форм, которая начинается от исходного сферического ядра до образования двух удаленных дочерних ядер. Высота барьера деления равна разнице между максимальной энергией, достигаемой системой, и ее начальной энергией.
| Барьеры деления, оцененные в модели ядерной жидкой капли | |||||
| Отцовское ядро | А = 32, Z = 16 | А = 56, Z = 28 | А = 180, Z = 80 | А = 220, Z = 92 | А = 248, Z = 100 |
| Проволочные сердечники | 16 O + 16 O | 28 си + 28 си | 90 Zr + 90 Zr | 110 фунтов + 110 фунтов | 124 Sn + 124 Sn |
| Барьер деления | 10 МэВ | 29 МэВ | 10 МэВ | 5 МэВ | 0 |
Барьеры деления проходят через максимум для ядер массой 50-60, которые поэтому очень стабильны; ядра становятся нестабильными по отношению к делению, когда произведение зарядов (Z 1 Z 2 ) превышает 2000.
Барьер слияния
| Расчетный барьер термоядерного синтеза | |||||
| Система | 16 O + 16 O | 28 си + 28 си | 90 Zr + 90 Zr | 110 фунтов + 110 фунтов | 124 Sn + 124 Sn |
| Барьер термоядерного синтеза | 15 МэВ | 38 МэВ | 208 МэВ | 258 МэВ | 292 МэВ |
Барьер термоядерного синтеза непрерывно увеличивается с увеличением массы и заряда взаимодействующих ядер.
Преодолевая кулоновские барьеры
Самопроизвольное деление
Для легких ядер: альфа-радиоактивность является доминирующим процессом, который можно рассматривать как асимметричное деление с испусканием ядра гелия. Для тяжелых ядер предпочтительно деление на 2 дочерних ядра, заряды которых статистически распределены около половины заряда родительского ядра.
Индуцированное деление
Когда ядро не находится в основном состоянии, процесс деления может быть благоприятным; мы говорим об индуцированном делении. Например, деление урана на атомных электростанциях, вызванное поглощением нейтронов.
Столкновения ядер в ускорителях могут вызвать передачу углового момента между ядрами пучка и ядрами мишени. Возникающее в результате вращение ядер вносит в их энергию дополнительный член, понижающий барьер деления. С увеличением скорости вращения ядро деформируется и затем спонтанно делится.
Слияние
Только нейтроны, которые не имеют электрического заряда, могут спонтанно сливаться с ядром. Чтобы два заряженных ядра слились, необходимо предоставить им достаточную кинетическую энергию для прохождения кулоновского барьера, например:
— при столкновениях ядер в ускорителях частиц ;
В последних двух случаях требуемые температуры составляют порядка нескольких сотен миллионов градусов К ( термоядерный синтез посредством инерционного удержания ).
Кулоновский барьер
Куло́новский барье́р — потенциальный барьер, который необходимо преодолеть одноимённо заряженным телам для того, чтобы сблизиться друг с другом до возникновения притяжения. Кулоновский барьер есть следствие того, что, согласно закону Кулона, одноимённо заряженные тела отталкиваются.
Кулоновский барьер препятствует ходу термоядерной реакции в плазме. Дело в том, что даже при температурах в несколько тысяч кельвинов (когда вещество уже переходит в состояние плазмы), кинетической энергии ядер всё ещё недостаточно для их сближения на расстояние, при котором ядерные силы притяжения станут больше сил кулоновского отталкивания. Только при температурах порядка миллионов кельвинов вероятность преодолеть кулоновский барьер за счёт туннелирования становится заметной, и начинает идти самоподдерживающаяся термоядерная реакция. Именно такие условия реализуются в центре звёзд, в частности, внутри Солнца.
Кулоновским барьером называют также потенциальный барьер, который должна преодолеть альфа-частица для вылета из ядра при альфа-распаде. Логически этот термин не совсем правилен, поскольку кулоновское взаимодействие отталкивает альфа-частицу от ядра (тем самым способствуя её вылету), тогда как притяжение альфа-частицы к ядру обусловлено ядерными силами; потенциальный барьер, препятствующий альфа-распаду, создаётся именно ядерными силами.
Величина кулоновского барьера определяется формулой
где 
, 
— атомные номера налетающей (вылетающей) частицы и ядра соответственно, 
— эффективный радиус ядра (расстояние, на котором сильное взаимодействие начинает преобладать над кулоновским), 
— заряд электрона.
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Кулоновский барьер» в других словарях:
КУЛОНОВСКИЙ БАРЬЕР ЯДРА — потенциальная энергия кулоновского отталкивания одноимённо заряж. частиц вне области действия ядерных сил. К. б. я. даётся ф лой где Z1e и Z2e заряды частиц (Z ат. номер), r расстояние между частицами, r0 радиус действия ядерных сил (рис.).… … Физическая энциклопедия
кулоновский потенциальный барьер — Kulono potencialo barjeras statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Coulomb barrier vok. Coulomb Barriere, f; Coulomb Potentialberg, m; Coulomb Potentialwall, m rus. кулоновский потенциальный барьер, m pranc. barrière coulombienne, f; barrière … Fizikos terminų žodynas
электростатический потенциальный барьер — кулоновский барьер — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы кулоновский барьер EN electrostatic… … Справочник технического переводчика
Ядерные реакции — превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, γ квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение частиц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние Ядерные реакции 10 13 см. Энергия… … Большая советская энциклопедия
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ — превращения ат. ядер при вз ствии с ч цами, в т. ч. с g квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение ч ц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние 10 13 см. Энергия налетающих положительно заряж. ч ц должна… … Физическая энциклопедия
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ — превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами или квантами. Такое определение разграничивает собственно Я. р. и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде (см. Радиоактивность), хотя… … Химическая энциклопедия
Термоядерная реакция — Схема реакции дейтерий тритий … Википедия
ПИКНОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ — (от греч. pyknos плотный) ядерные реакции, протекающие в достаточно плотном и холодном(вплоть до Т =0) кристаллич. веществе за счёт нулевых колебаний реагирующих ядер в узлах кристаллич. решётки. Скорость П. р. не зависитот темп ры, но зависит от … Физическая энциклопедия
ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — хим. элементы с ат. номерами Z>92, расположенные в периодич. системе элементов за ураном. Т. э. испытывают радиоакт. распад. Из за относительно малого времени жизни они не сохранились в земной коре. Возраст Земли около 5 • 109 лет, а период… … Физическая энциклопедия
Ядерный синтез — Схема реакции дейтерий тритий Ядерные процессы Радиоактивный распад Альфа распад Бета распад Кластерный распад Двойной бета распад Электронный захват Двойной электронный захват Гамма излучение Внутренняя конверсия Изомерный переход Нейтронный… … Википедия
Кулоновский барьер что это такое
 | |
| АНОНС | |
| |
| |
| PRo Погоду | |
| |
|
| |
| Сотрудничество | |
| |
|
| |
| Время и Судьбы | |
| |
|
