La barrera de Coulomb , llamada así por la ley de Coulomb , que a su vez debe su nombre al físico Charles-Augustin de Coulomb , es la barrera energética debida a la interacción electrostática que dos núcleos deben superar para poder acercarse lo suficiente como para experimentar una reacción nuclear .
Esta barrera energética está dada por la energía potencial eléctrica :
dónde
Un valor positivo de U se debe a una fuerza repulsiva, por lo que las partículas que interactúan tienen niveles de energía más altos a medida que se acercan. Una energía potencial negativa indica un estado ligado (debido a una fuerza de atracción).
La barrera de Coulomb aumenta con los números atómicos (es decir, el número de protones) de los núcleos en colisión:
donde e es la carga elemental y Z i los números atómicos correspondientes.
Para superar esta barrera, los núcleos tienen que colisionar a altas velocidades, por lo que sus energías cinéticas los acercan lo suficiente para que se produzca la interacción fuerte y los una.
Según la teoría cinética de los gases , la temperatura de un gas es simplemente una medida de la energía cinética promedio de las partículas que lo componen. Para los gases ideales clásicos , la distribución de velocidad de las partículas del gas viene dada por Maxwell-Boltzmann . A partir de esta distribución, se puede determinar la fracción de partículas con una velocidad lo suficientemente alta como para superar la barrera de Coulomb.
En la práctica, las temperaturas necesarias para superar la barrera de Coulomb resultaron ser menores de lo esperado debido al efecto túnel mecánico cuántico , establecido por Gamow . La consideración de la penetración de la barrera mediante el efecto túnel y la distribución de la velocidad da lugar a un rango limitado de condiciones en las que puede tener lugar la fusión , conocido como la ventana de Gamow .
La ausencia de la barrera de Coulomb permitió el descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932. [1] [2]
Existe un gran interés en la mecánica y los parámetros de la fusión nuclear, incluidos los métodos de modelado de la barrera de Coulomb con fines científicos y educativos. La barrera de Coulomb es un tipo de barrera de energía potencial y es fundamental para la fusión nuclear. Resulta de la interacción de dos interacciones fundamentales: la interacción fuerte a corta distancia dentro de ≈ 1 fm y la interacción electromagnética a larga distancia más allá de la barrera de Coulomb. El rango microscópico de la interacción fuerte, del orden de un femtómetro, hace que sea difícil de modelar y no existen ejemplos clásicos a escala humana. Un modelo visual y táctil para el aula de la atracción fuerte a corta distancia y la repulsión a larga distancia características de la curva de potencial de fusión se modela en el aparato de barrera magnética “Coulomb”. [3] El aparato ganó el primer lugar en la competencia nacional de aparatos de 2023 de la Academia Estadounidense de Profesores de Física en Sacramento, California. Básicamente, un par de conjuntos de imanes permanentes opuestos generan campos magnéticos N/S alternantes asimétricos que dan como resultado repulsión a una distancia y atracción dentro de ≈ 1 cm. Un método de patente relacionado (US11,087,910 B2) describe con más detalle el aparato y describe los criterios para modelar de manera más general una barrera de energía potencial electromagnética. Las fuerzas magnéticas y eléctricas fueron unificadas dentro de la fuerza fundamental electromagnética por James Clerk Maxwell en 1873 en Un tratado sobre electricidad y magnetismo . En el caso de la barrera magnética de “Coulomb”, la patente describe polos magnéticos norte y sur alternados/desiguales o asimétricos , pero el lenguaje del método de la patente es lo suficientemente amplio como para incluir también polos electrostáticos positivos y negativos . La implicación es que las cargas puntuales electrostáticas opuestas y desiguales espaciadas regularmente poseen la capacidad de modelar también una barrera de energía potencial electrostática.
