Как ядерный синтез может высвобождать энергию (даже в принципе)?

Прочитав комментарий @Stian Yttervik к одному из ответов на этот вопрос , который звучит как

Я бы добавил, что в обоих случаях полученные продукты в сумме легче, чем его реагенты, - и в этом весь фокус. Е "=" м с 2

«оба случая» в этом контексте были делением и синтезом.


Ниже приведена часть страницы 196/197 A-Level «Physics 2 for OCR» Дэвида Санга и Гуриндера Чадхи, издательство Кембриджского университета, впервые опубликованное в 2009 году:

Физика 2

Главный вывод, который я извлек из этого, состоит в том, что если масса продуктов больше массы реагентов, то энергия поглощается. И наоборот, если масса продуктов меньше массы реагентов, то энергия выделяется (высвобождается энергия связи). ), или, более компактно, энергия высвобождается из системы, когда ее масса уменьшается: как написано в левом нижнем углу этого изображения.


Сейчас, на втором курсе университета, изучающего ядерную физику, мой преподаватель ставит следующий мысленный эксперимент:

Предположим, у нас есть 2 точечных заряда массой м , и зарядка, д , то энергия системы, Е с , будет дано

Е с "=" 2 м + В

подобные обвинения

Если оба заряда имеют одинаковые знаки, то электростатическая потенциальная энергия В > 0 , а масса системы, м с будет м с > 2 м . Это потому, что мне нужно «вложить энергию», чтобы сблизить заряды, это увеличивает массу системы, м с , с Е с "=" м с с 2 . Это увеличение массы проявляется в виде энергии, хранящейся в электрическом поле, которое имеет «вес» (по крайней мере, мне так сказали).

разноименные заряды

Если заряды имеют противоположные знаки, то электростатическая потенциальная энергия, В < 0 и масса системы, м с будет м с < 2 м , Это потому, что если я позволю зарядам собраться вместе «медленно» (и без ускорения), я буду извлекать энергию из электростатической потенциальной энергии по мере того, как заряды сближаются, это уменьшает массу системы, м с , с Е с "=" м с с 2 . Я «взял массу» из электрического поля, позволив зарядам двигаться на более близкое расстояние друг от друга.


Теперь давайте рассмотрим первый случай, когда у нас есть 2 положительных заряда, и предположим, чтоДейтерий и тритий

реагенты - дейтерий и тритий, каждый с зарядом + е но разные массы.

Теперь, из вышесказанного, мы имеем это м с > м , что имеет место здесь, поскольку два заряда имеют один и тот же знак ( + е ). Так что это означает, что невозможно (даже в принципе) высвободить энергию ядерного синтеза, так как конечная масса больше, а это требует передачи энергии в систему, чтобы реакция стала возможной.


Но, конечно же, я знаю, что это неправда, в конце концов, такое постоянно происходит на Солнце. Итак, мой вопрос: как ядерный синтез может высвобождать энергию, когда конечная масса тяжелее, чем его реагенты?


Кстати, это не дубликат, так как я уже читал это , это , это , это , это и это , но они все еще не отвечают на мой вопрос здесь.

Ответы (1)

Вы, кажется, рассматриваете только электромагнитную силу, игнорируя сильное ядерное взаимодействие, которое намного сильнее (если бы это было не так, то ядра просто разлетелись бы из-за кулоновского отталкивания), а также притягивающее . Это правда, что столкновение двух положительных ядер увеличивает общую массу двухнуклонной системы при относительно больших расстояниях.. Сильное ядерное взаимодействие, хотя и довольно сильное (отсюда и название), также очень короткодействующее и становится важным только тогда, когда ядра находятся на расстоянии примерно нескольких фемтометров друг от друга. Но как только вы сможете столкнуть два ядра достаточно сильно, чтобы они оказались на расстоянии нескольких фемтометров друг от друга, тогда результирующая сила становится притягивающей, и ядра сталкиваются друг с другом, высвобождая довольно много энергии, поскольку сильное ядерное взаимодействие перестраивает нуклоны в гораздо более стабильная, менее массивная конфигурация.

Таким образом, электромагнитное отталкивание создает «кулоновский барьер», для преодоления которого требуется довольно большое количество энергии, но как только вы наполните ядра кинетической энергией, достаточной для преодоления кулоновского барьера*, синтез высвобождает гораздо больше энергии , чем количество энергии, которое вы вкладываете, просто потому, что в случае, о котором вы говорите, полученное ядро ​​намного более стабильно, чем два реагента, из-за влияния сильного ядерного взаимодействия.


* Если ваша плазма имеет чрезвычайно высокую плотность, и вы не возражаете против довольно низкой выходной мощности, вам не обязательно иметь достаточно кинетической энергии для преодоления кулоновского барьера. Вместо этого вам нужно достаточно энергии, чтобы сделать квантовое туннелирование через кулоновский барьер достаточно вероятным. На самом деле именно так происходит большая часть протон-протонного синтеза в ядре Солнца — выходная мощность Солнца немного больше, чем мы могли бы ожидать, исходя из количества протонов, которые классически могли бы преодолеть кулоновский барьер.

Большое спасибо за ваш ответ.