Для синтеза водорода требуется, чтобы два ядра водорода сблизились (обычно на несколько фм), чтобы слиться. Большая часть проблемы создания термоядерного реактора заключается в преодолении кулоновского отталкивания между парой ядер — миллионов градусов для максвелловских распределений, тормозных потерь при инерционном удержании.
Если бы мы могли выровнять траектории двух нейтральных атомов водорода (любых изотопов), как бы выглядело отталкивание между ними, когда они приближаются к столкновению? Очевидно, что на большом расстоянии сила незначительна, поскольку оба они нейтральны. Но когда они приближаются друг к другу, что происходит с распределением электронов?
Интуитивно я ожидаю образования связующего облака между ядрами и разрыхляющего облака за их пределами. Предположительно, сначала это будет притягивать, пока не будет достигнута обычная длина ковалентной связи Водорода, после чего межъядерное отталкивание будет все больше доминировать.
Но как это сравнить с голым ионным столкновением? Насколько ниже потенциальный барьер?
Очевидно, что если бы оно было значительно меньше и мы могли бы каким-то образом спроектировать столкновение, чтобы добиться синтеза, сечение было бы больше, чем у ионного синтеза, но насколько?
Или барьер будет таким же высоким на последних нескольких фемтометрах?
Ваше последнее предложение совершенно верно: затраты энергии на термоядерный синтез составляют почти все те последние несколько фемтометров, при которых электронные эффекты незначительны. Хотя в принципе существует разница между сталкивающимися нейтральными атомами и ядрами, при энергиях, необходимых для синтеза, эффект крошечный.
Разности энергий, связанные с наличием, отсутствием, расположением и т. д. электронов, составляют порядка нескольких десятков электрон-вольт. Один из способов увидеть это - отметить, что масштаб волновой функции электрона имеет порядок боровского радиуса. , поэтому уровни энергии имеют порядок . Но чтобы произошел синтез, как вы говорите, вам нужно, чтобы два протона оказались на расстоянии ферми или около того друг от друга. Эта шкала длины что-то вроде к раз меньше, поэтому он включает в себя энергии, которые примерно в тот же раз больше — МэВ, а не эВ.