Warum können zwei Wasserstoffatome nicht langsam mit einem fortschrittlichen Gerät "zusammengepresst" (zu Helium verschmolzen) werden (nicht mit hoher Geschwindigkeit kollidieren)?

Es braucht viel Kraft, um Wasserstoff zu fusionieren. Die Kernfusion erfordert, dass die Atome nahe zusammengebracht werden, was dazu führt, dass sie sehr hohen elektrostatischen Abstoßungskräften ausgesetzt sind. Erst wenn man sie nahe genug zusammenbringt, sieht man die Quanteneffekte, die die Kerne zur Fusion zusammenziehen. Die Atome müssen genug Energie haben, um diese als Coulomb-Barriere bekannte Barriere zu überwinden, bevor sie fusionieren können. In der Chemie ist das Analogon dazu die "Aktivierungsenergie", die erforderlich ist, damit eine Reaktion abläuft. Für eine typische Deuterium/Tritium-Reaktion beträgt diese Energiebarriere 0,1 MeV.

Wenn Sie zwei Atome zusammen "schieben", müssten Sie die gesamte Kraft aufbringen, die erforderlich ist, um die elektrostatischen Kräfte zu überwinden. Das ist ziemlich viel Kraft, denn die elektrostatischen Kräfte steigen proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Kernen, und sie müssen sich sehr nahe kommen. Dies ist auch ein sehr instabiles Abstoßungssystem, sodass die Kerne gerne entkommen möchten. Es ist, als würde man versuchen, zwei Billardkugeln ineinander zu pressen.

Stattdessen ist es viel einfacher, die Wasserstoffatome über einen sehr langen Zeitraum auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen und die kinetische Energie den schwierigen Teil der Überwindung der Coulomb-Barriere erledigen zu lassen.

Hier ist die Bindungsenergiekurve , die die Energie darstellt, die durch die Fusion für die Elemente mit geringer Masse freigesetzt wird

Zu bekommen$H^2$(ein Deuteron), dh die Verschmelzung zweier Wasserstoffkerne, muss genügend Energie zugeführt werden, um die Elektronen von den Protonen abzustreifen und dann die elektrostatische Barriere der beiden zu überwinden$+$geladene Protonen, so dass die anziehende starke Kraft übernimmt, und dann verwandelt die schwache Wechselwirkung ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino, und die Fusion zu einem Deuteron wird Realität.

Die Verschmelzung zweier Protonen , die der erste Schritt des Proton-Proton-Zyklus ist, bereitete den frühen Theoretikern (der Sonne) große Probleme, weil sie erkannten, dass die Innentemperatur der Sonne (etwa 14 Millionen Kelvin) nicht annähernd genug Energie liefern würde Überwindung der Coulomb-Barriere der elektrischen Abstoßung zwischen zwei Protonen.

Mit der Entwicklung der Quantenmechanik wurde erkannt, dass in dieser Größenordnung den Protonen Welleneigenschaften zugesprochen werden müssen und dass die Möglichkeit besteht, durch die Coulomb-Barriere zu tunneln.

Du fragst:

Was sind die Haupthindernisse, die Physiker daran hindern, zwei Wasserstoffatome langsam zusammenzupressen, um sie zu Helium zu verschmelzen? (im Gegensatz zu sehr vielen Kollisionen mit hoher Geschwindigkeit)

Man kann nicht ein Atom auswählen und es drücken. Man kann ein Wasserstoffatom abstreifen und einen Protonenstrahl erzeugen und Protonen auf Protonen kollidieren lassen. Dies ist bei der Energieerzeugung sehr ineffizient, um Deuteronen zu erzeugen, viel Energie geht beim Beschleunigen von Strahlteilchen verloren, die niemals kollidieren werden, da Kollisionen ein statistischer Effekt sind und auch vom Wechselwirkungsquerschnitt abhängen. Einzelheiten finden Sie in der Antwort hier. .

Die Verwendung von Plasma zur Erzeugung einer Fusion, die die Sonne nachahmt, bietet eine effiziente Methode, um die Statistik der Streuung innerhalb des Plasmas zu nutzen, um eine positive Energieabgabe aus dem Prozess der Protonen-Protonen-Streuung zu erhalten. Wenn Sie sich die Kurve ansehen, wird tatsächlich mehr Energie gewonnen, wenn andere Atomkombinationen verwendet werden.

Jedes Wasserstoffatom (viel Wasserstoff kommt in molekularer Form statt als einzelnes Atom vor) ist ein Proton mit einem gepaarten Elektron. Sie werden aufgrund entgegengesetzter elektrischer Ladungen voneinander angezogen.

Wenn Sie mit einem Gas beginnen und es komprimieren, können Sie (je nach Element) eine Flüssigkeit erhalten. Tatsächlich ist flüssiger Wasserstoff das Treibmittel, das viele Raketentriebwerke verwenden.

Stellen Sie sich vor, Sie setzen eine beliebige Anzahl von Wasserstoffatomen in eine Kammer mit einem Kolben oben, mit dem Sie die Atome zusammenpressen können. Wenn Sie mehr und mehr zusammendrücken, bewegen sich die Wasserstoffatome oder -moleküle immer schneller, da sie sich gegenseitig abstoßen, weil die Elektronen in jedem die gleiche Ladung haben.

Diese gegenseitige Abstoßung ist der gleiche Grund, warum Sie in Ihrem Haus nicht durch den Boden fallen, weil die Elektronen dem Zusammenpressen widerstehen. Es ist also eine sehr starke Kraft, besonders wenn die Atome näher kommen.

"Irgendein fortschrittliches Gerät" wird immer noch darauf basieren, die Atome zusammenzubringen, und es ist sehr schwierig, sich etwas vorzustellen, das die elektrostatische Kraft überwinden würde, die die Atome auseinander hält. Die Elektronen stoßen sich nicht nur ab, weil sie die gleiche negative Ladung haben, sondern auch die Protonen im Kern jedes Atoms stoßen sich ab, weil sie beide die gleiche positive Ladung haben.

Sie sind im Grunde zwei Sätze massiver Federn, die immer stärker werden, je mehr Druck Sie auf sie ausüben.