Coulomb gát

Ez a cikk a tudomány vázlata .

Megoszthatja ismereteit fejlesztésével ( hogyan? ) A megfelelő projektek ajánlásai szerint .

A nukleáris fizika , a Coulomb gát két kölcsönható atomi magok Eredmények a verseny közötti két erő: az elektrosztatikus taszítás erő között protonok (szerinti Coulomb „s törvény ), amely a hosszú távú; a nukleonok (neutronok + protonok) közötti erő, amely erősen vonzó, de kis hatótávolságon. Ez a gát határozza meg az atommagok fúziós és hasadási folyamatainak tulajdonságait.

Ez az elképzelés az 1930-as években alakult ki az atommagok spontán és indukált hasadásának kísérleti felfedezéseivel .

2 atommag kölcsönhatása

Amikor két mag összeér, potenciális kölcsönhatás- energiájuk Coulomb-taszítással növekszik , majd átmegy egy maximumon, amikor a vonzó atomerő elkezd hatni. A maximum magassága és helyzete meghatározza a Coulomb-gátat a 2 mag között. Ez az akadály aszimmetrikus, így megkülönböztethetjük:

Első közelítésként a 2 korlát alakja és helyzete azonos; pontosabban, szükséges, hogy figyelembe vegyék az alakváltozások a magok, amelyek különböző lehet során az osztódó és hasadási folyamatok, és a hatása a kvantum rétegek .

Coulomb-korlátok kiszámítása

Az az elmélet, amely a Coulomb-gátakat kiszámítaná az elemi nukleon-nukleon kölcsönhatásból , meghaladja az elméleti és gyakorlati terjedelmet (lásd: Nukleáris szerkezet ). A számításokat a hipotézisek egyszerűsítésének árán végezzük, amelyeket empirikusan validálunk a kísérleti adatokkal, különösen az adiabatikus hipotézissel (az egyes lépésekben minimális az energia) és a formák sorrendjére vonatkozó paraméterek megválasztásával.

Hasadási gát

A hasadási gát meghatározásához a szülőmag teljes energiáját egy alakzatsor mentén kell kiszámítani, amely a kezdeti gömbmagtól kezdve 2 távoli leánymag kialakulásáig kezdődik. A hasadási gát magassága megegyezik a rendszer által elért maximális energia és a kezdeti energia különbségével.

A számítások nagy része a folyadékcsepp (GL) modelljén alapul , amelyhez hozzáadunk egy mag közelségi kölcsönhatást (NP), amely nagy deformációknál és a 2 gyermekmag elválásakor következik be:

Nukleáris folyadékcsepp modellben becsült hasadási akadályok
Atya mag A = 32, Z = 16 A = 56, Z = 28 A = 180, Z = 80 A = 220, Z = 92 A = 248, Z = 100
Huzalmagok 16 O + 16 O 28 Si + 28 Si 90 Zr + 90 Zr 110 Pd + 110 Pd 124 Sn + 124 Sn
Hasadási gát 10 MeV 29 MeV 10 MeV 5 MeV 0

A hasadási gátak maximumon átmennek az 50-60 tömegű magoknál, amelyek ezért nagyon stabilak; a magok a hasadás szempontjából instabillá válnak, amikor a töltések szorzata (Z 1 Z 2 ) meghaladja a 2000-et.

Fúziós akadály

Folyadékcsepp-modellben Z protonokkal és R sugárral (fermis) rendelkező magok esetében a 2 mag közötti Coulomb-gát megközelíthető az egymástól 1,5 fermis magok elektrosztatikus energiájával, mert a mag kölcsönhatása még a 2 mag érintkezése előtt hat :

Becsült fúziós gát
Rendszer 16 O + 16 O 28 Si + 28 Si 90 Zr + 90 Zr 110 Pd + 110 Pd 124 Sn + 124 Sn
Fúziós gát 15 MeV 38 MeV 208 MeV 258 MeV 292 MeV

A fúziós gát folyamatosan növekszik a kölcsönhatásba lépő magok tömegével és töltésével.

Coulomb korlátok átlépése

Spontán hasadás

Ha a hasadási gát pozitív, egy mag csak egy kvantumhatással, az alagút hatásával tud spontán kettéhasadni . A hasadás valószínűsége nagyon jelentősen függ a sorompó magasságától és szélességétől.

Könnyű magok esetében: az alfa radioaktivitás a domináns folyamat, amely aszimmetrikus hasadásnak tekinthető héliummag emisszióval. Nehéz magok esetében előnyben részesül a hasadás 2 gyermekmagba, amelyek töltése statisztikailag eloszlik a szülőmag töltésének felénél.

Indukált hasadás

Ha egy mag nincs alapállapotban, a hasadási folyamat előnyben részesíthető; indukált hasadásról beszélünk. Például az atomerőművekben az urán hasadása, amelyet a neutronok abszorpciója indukál.

A gyorsítókban lévő magok ütközése a szögimpulzus átadását okozhatja a nyaláb és a cél magjai között. Az így létrejövő magok forgatása további kifejezést vezet be energiájukba, ami csökkenti a hasadási akadályt. A növekvő forgási sebességgel a mag deformálódik, majd spontán hasad.

Egyesülés

Csak a neutronok, amelyek nincsenek elektromosan feltöltve, spontán összeolvadhatnak a maggal. Két töltött mag egyesüléséhez elegendő kinetikus energiát kell biztosítani számukra a Coulomb-gát áthaladásához, például:

- a magok közötti ütközésekben, amelyeket részecskegyorsítók okoznak  ;

- a csillagok szívében, a nukleoszintézis folyamata során (a gravitáció által fűtött és összenyomott könnyű magok fúziója );

- fúziós reaktorokban , ahol a nukleoszintézist egy erőteljes mágneses mezők által fűtött és elzárt nukleáris anyag okozza .

Az utóbbi két esetben a szükséges hőmérséklet több százmillió K fok ( fúziós inerciális bezárással ).

Hivatkozások

  1. Bernard Fernandez , Az atomtól a magig: az atomfizika és a magfizika történelmi megközelítése , Ellipszis,2006( ISBN  2-7298-2784-6 és 978-2-7298-2784-7 , OCLC  69665126 , olvasható online ) , fejezet.  5.1 ("A mag, az új határ")
  2. keresztényNgô , A kvarkok atomfizikája alkalmazásokkal , Dunod, dl 2014, © 2014 ( ISBN 978-2-10-070541-2 és 2-10-070541-5 , OCLC 881576971 , online olvasás )  
  3. (in) "  A magcseppmodell tetszőleges alakzatokhoz  " , Annals of Physics , vol.  84, nos .  1-2,1974. május 15, P.  186–210 ( ISSN  0003-4916 , DOI  10.1016 / 0003-4916 (74) 90299-1 , online olvasás , hozzáférés 2021. július 26. )
  4. (in) "A  fúziós és hasadási gát magassága és helyzete az általános folyadékcsepp modell  " , Nuclear Physics A , vol.  1010,1 st június 2021, P.  122191 ( ISSN  0375-9474 , DOI  10.1016 / j.nuclphysa.2021.122191 , online olvasás , hozzáférés 2021. július 26. )
  5. Hélène Ngô , kvantumfizika: bevezető gyakorlatokkal , Masson,1991( ISBN  2-225-82582-3 és 978-2-225-82582-8 , OCLC  25063903 , online olvasható ) , fejezet.  4.4