Почему нельзя медленно «сжать» два атома водорода (сплавить с образованием гелия) с помощью какого-нибудь продвинутого устройства (не столкнуть на высокой скорости)?

Чтобы сплавить водород, нужно приложить много усилий. Ядерный синтез требует, чтобы атомы были сближены, в результате чего они испытывают очень высокие силы электростатического отталкивания. Только когда вы соберете их достаточно близко друг к другу, вы увидите квантовые эффекты, которые сближают ядра. Атомы должны иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть этот барьер, известный как кулоновский барьер, прежде чем они смогут вступить в реакцию. В химии аналогом этого является «энергия активации», необходимая для протекания реакции. Для типичной реакции дейтерия/трития этот энергетический барьер составляет 0,1 МэВ.

Если бы вы «столкнули» два атома вместе, вам пришлось бы приложить всю силу, необходимую для преодоления электростатических сил. Это довольно большая сила, потому что электростатические силы возрастают пропорционально квадрату расстояния между ядрами, и они должны подойти очень близко. Это также очень нестабильная система отталкивания, поэтому ядра хотели бы убежать. Это как пытаться вдавить два бильярдных шара друг в друга.

Вместо этого гораздо проще разогнать атомы водорода в течение очень длительного периода времени до высокой скорости и позволить кинетической энергии выполнить трудную часть преодоления кулоновского барьера.

Вот кривая энергии связи, которая показывает энергию, выделяемую при синтезе для элементов с малой массой.

Получить$H^2$(дейтрон), то есть слияние двух ядер водорода, необходимо придать достаточно энергии, чтобы оторвать электроны от протонов, а затем преодолеть электростатический барьер двух$+$заряженные протоны, так что сильная сила притяжения берет верх, а затем слабое взаимодействие превращает один протон в нейтрон, позитрон и нейтрино, и слияние в дейтрон становится реальностью.

Слияние двух протонов , являющееся первым этапом протон-протонного цикла, создало большие проблемы для ранних теоретиков (солнца), поскольку они понимали, что внутренняя температура Солнца (около 14 миллионов кельвинов) не обеспечивает достаточного количества энергии для преодолеть кулоновский барьер электрического отталкивания двух протонов.

С развитием квантовой механики стало понятно, что в этом масштабе протоны должны иметь волновые свойства и что существует возможность туннелирования через кулоновский барьер.

Ты спрашиваешь:

каковы основные препятствия, мешающие физикам медленно сжимать вместе два атома водорода, чтобы превратить их в гелий? (в отличие от очень многих высокоскоростных столкновений)

Нельзя взять атом и нажать на него. Можно отделить атом водорода и создать пучок протонов и столкнуть протоны с протонами. Это очень неэффективный с точки зрения производства энергии способ генерации дейтронов, много энергии теряется при ускорении частиц пучка, которые никогда не столкнутся, потому что столкновения являются статистическим эффектом и зависят также от сечения взаимодействия. Смотрите ответ здесь для деталей. .

Использование плазмы для создания термоядерного синтеза, имитирующего солнце, дает эффективный метод использования статистики рассеяния в плазме для получения положительного выхода энергии в процессе рассеяния протонов на протонах. На самом деле, если вы посмотрите на кривую, больше энергии будет получено за счет использования других атомных комбинаций.

Каждый атом водорода (много водорода встречается в молекулярной форме, а не в виде отдельного атома) представляет собой протон со спаренным электроном. Они притягиваются друг к другу из-за противоположных электрических зарядов.

Если вы начинаете с газа и сжимаете его, вы (в зависимости от конкретного элемента) можете получить жидкость. Фактически, жидкий водород является топливом, которое используют многие ракетные двигатели.

Представьте, что вы помещаете произвольное количество атомов водорода в камеру с поршнем наверху, который вы можете использовать для сжатия атомов. По мере того, как вы сжимаете все больше и больше, атомы или молекулы водорода будут двигаться все быстрее и быстрее, так как они будут отталкивать друг друга, потому что электроны в каждом из них имеют одинаковый заряд.

Это взаимное отталкивание является той же самой причиной, по которой вы не проваливаетесь сквозь пол в своем доме, из-за сопротивления электронов сближению. Так что это очень сильное взаимодействие, особенно когда атомы сближаются.

«Некое передовое устройство» по-прежнему будет основываться на соединении атомов, и очень трудно придумать что-либо, что преодолело бы электростатическую силу, разделяющую атомы. Не только электроны отталкивают друг друга, потому что они имеют одинаковый отрицательный заряд, но и протоны в ядре каждого атома также будут отталкивать друг друга, потому что они оба имеют одинаковый положительный заряд.

По сути, это два набора массивных пружин, которые становятся тем сильнее, чем сильнее вы на них давите.