クーロン障壁

クーロン障壁は、物理学者シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロンにちなんで名付けられたクーロンの法則にちなんで名付けられており、 2つの原子核が核反応を起こすのに十分近づくために克服する必要がある 静電相互作用によるエネルギー障壁です。

このエネルギー障壁は電位エネルギーによって与えられます。

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

どこ

ε _{0 は}自由空間の誘電率である。

q ₁、q _{2 は}相互作用する粒子の電荷です。

r は相互作用半径です。

Uの正の値は反発力によるもので、相互作用する粒子は近づくにつれてエネルギー レベルが高くなります。負の位置エネルギーは、結合状態 (引力による) を示します。

クーロン障壁は衝突する原子核の原子番号（つまり陽子の数）とともに増加します。

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

ここで、e は素電荷、Z _{i は}対応する原子番号 です。

この障壁を克服するために、原子核は高速で衝突する必要があり、その運動エネルギーによって原子核が十分に接近し、強い相互作用が起こり、原子核が結合します。

気体の運動論によれば、気体の温度はその気体中の粒子の平均運動エネルギーの尺度に過ぎません。古典的な理想気体の場合、気体粒子の速度分布はマクスウェル・ボルツマンの法則によって与えられます。この分布から、クーロン障壁を克服するのに十分な速度を持つ粒子の割合を決定できます。

実際には、クーロン障壁を克服するために必要な温度は、ガモフによって確立された量子力学的トンネル効果により、予想よりも低いことが判明しました。トンネル効果による障壁の貫通と速度分布を考慮すると、核融合が起こり得る条件の限られた範囲が生じ、ガモフの窓として知られています。

クーロン障壁が存在しないことにより、1932年にジェームズ・チャドウィックが中性子を発見することができた。 ^{[1] [2]}

核融合の力学とパラメータには、科学的および教育的目的でクーロン障壁をモデル化する方法を含め、強い関心が寄せられています。クーロン障壁は、ポテンシャルエネルギー障壁の一種であり、核融合の中心です。これは、2つの基本的な相互作用、すなわち、≈ 1 fm以内の近距離での強い相互作用と、クーロン障壁を超えた遠距離での電磁相互作用の相互作用によって生じます。強い相互作用の微視的範囲は1フェムトメートルのオーダーであるため、モデル化が難しく、人間のスケールでの古典的な例は存在しません。核融合ポテンシャル曲線の強い近距離引力と遠距離反発特性の視覚的および触覚的な教室モデルは、磁気「クーロン」障壁装置でモデル化されています。^[3]この装置は、カリフォルニア州サクラメントで開催されたアメリカ物理教師アカデミーの2023年全国装置コンテストで1位を獲得しました。本質的には、一対の対向する永久磁石アレイが、非対称の交互 N/S 磁場を生成し、その結果、一定の距離で反発し、≈ 1cm 以内で引き合うことになります。関連する特許方法 (US11,087,910 B2) では、この装置についてさらに詳しく説明し、電磁ポテンシャル エネルギー障壁をより一般的にモデル化するための基準を概説しています。磁力と電気力は、1873 年に James Clerk Maxwell によってA Treatise on Electricity and Magnetismで電磁基本力内に統合されました。磁気「クーロン」障壁の場合、特許では、交互/不等または非対称の N 磁極と S磁極について説明していますが、特許方法の言語は、正と負の静電極も含めるほど広範囲です。これは、等間隔に配置された反対で不等な静電点電荷が、静電ポテンシャル エネルギー障壁をモデル化する能力を持っていることを意味します。