Pasul 6 din „Drumul către fizica nucleară” — ghidul de orientare pentru elevii de liceu. Nivel: clasa a X-a.
De ce contează acest pas?
La acest pas primiți „moneda oficială” a fizicii nucleare: electronvoltul. Toate energiile din lumea atomului și a nucleului — fotoni, niveluri de energie, reacții — se exprimă în eV și MeV. Iar drumul până la ea trece prin energia potențială electrică și potențial, exact capitolul din clasa a X-a pe care mulți îl consideră „abstract”. Nu e abstract deloc: pe el funcționează toate acceleratoarele de particule din lume.
Energia potențială electrică
La Pasul 2 am văzut că o configurație de corpuri care interacționează „înmagazinează” energie. La fel și sarcinile electrice: două sarcini de același semn apropiate forțat sunt ca un arc comprimat — lăsate libere, se resping și transformă energia potențială electrică în energie cinetică. Rețineți imaginea: două sarcini pozitive apropiate = energie înmagazinată gata să se elibereze. Este exact situația fragmentelor de fisiune în momentul ruperii nucleului.
Potențialul și tensiunea electrică
Potențialul electric V într-un punct este energia potențială a unității de sarcină plasate acolo (se măsoară în volți). Diferența de potențial dintre două puncte este tensiunea U, iar lucrul mecanic efectuat de câmp asupra unei sarcini q care „cade” prin tensiunea U este simplu de ținut minte: L = q·U. Aceasta este formula de bază a tuturor acceleratoarelor: sarcină × tensiune = energie câștigată.
Electronvoltul: moneda fizicii microscopice
1 eV este energia câștigată de o particulă cu sarcina elementară e accelerată printr-o tensiune de 1 volt: 1 eV = 1,6 × 10−19 J. E o unitate mică — dar perfect potrivită lumii microscopice: un foton de lumină vizibilă are 2–3 eV, o legătură chimică câțiva eV, iar procesele nucleare se joacă la MeV (106 eV). Diferența chimic–nuclear de un milion de ori, pe care am întâlnit-o la Pasul 2, are acum o exprimare precisă.
Acceleratoarele: de la tubul catodic la LHC
Orice accelerator este, în esență, „q·U repetat inteligent”: vechiul tub de televizor accelera electroni la ~20 keV, un accelerator medical de radioterapie ajunge la câțiva MeV, iar LHC-ul de la CERN duce protonii la 6,8 TeV (teraelectronvolți!) trecându-i de milioane de ori prin cavități accelerate. Primul accelerator din istorie (Cockcroft și Walton, 1932) a „spart” nuclee de litiu cu protoni de numai 700 keV — prima reacție nucleară produsă cu particule accelerate artificial.
Puntea spre nuclear: bariera Coulomb are înălțime în MeV
Cât „urcuș” energetic trebuie ca un proton să ajungă lângă alt proton, la 2 fm? Energia potențială electrică la această distanță este de circa 0,7 MeV — aceasta este faimoasa barieră Coulomb. De aici înțelegeți dintr-o privire de ce fuziunea nu se aprinde pe masa din laborator: particulele trebuie să aibă energii comparabile cu MeV-ul, adică temperaturi de zeci–sute de milioane de grade. (Mica minune care salvează Soarele — efectul de tunel — vine la pasul 11.)
Verifică-te!
- Ce energie (în J și în eV) câștigă un electron accelerat printr-o tensiune de 100 V?
- Un proton este accelerat la 5 MV. Ce energie are, în MeV și în J?
- Câți eV are un foton de lumină verde cu energia 4 × 10−19 J?
- O particulă α (sarcină +2e) trece prin tensiunea de 1 MV. Ce energie câștigă?
- De ce e nevoie de temperaturi uriașe pentru fuziune, dar nu și pentru fisiune?
Răspunsuri (deschide după ce ai încercat!)
1) L = e·U = 1,6 × 10−17 J = 100 eV. 2) 5 MeV = 8 × 10−13 J. 3) 4 × 10−19/1,6 × 10−19 = 2,5 eV. 4) L = 2e × 1 MV = 2 MeV. 5) La fuziune, nucleele pozitive trebuie să învingă bariera Coulomb ca să se atingă → au nevoie de energie cinetică (temperatură) uriașă; la fisiune, neutronul e neutru — intră în nucleu fără nicio barieră electrică, chiar și „încet”.
⬅ Înapoi la „Drumul către fizica nucleară” · Pasul anterior: Sarcina electrică și legea lui Coulomb · Pasul următor: Câmpul magnetic; forța Lorentz