Coulomb-Barriere

Als Coulombwall oder Coulombbarriere wird das Potential bezeichnet, gegen das ein positiv geladenes Teilchen anlaufen muss, um in den Atomkern zu gelangen. Es heißt so, weil es auf der zwischen zwei elektrischen Ladungen wirkenden Coulombkraft beruht. Diese ist nach dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb (1736—1806) benannt.

Zur Überwindung der Barriere benötigt das Teilchen nach der klassischen Mechanik eine Mindestenergie. Nach der Quantenmechanik besteht dagegen auch bei geringerer Teilchenenergie eine gewisse Chance zur Durchtunnelung einer solchen Barriere.

Ernest Rutherford beobachtete als Erster, dass Alphastrahlung – die aus positiv geladenen Teilchen besteht – die Barriere von Atomkernen überwinden und so Kernreaktionen auslösen kann. Solche Experimente gaben erste Hinweise auf Bestandteile und Aufbau der Atomkerne.

Zur Entdeckung der Quarks und Postulierung der Gluonen war die Überwindung der Coulombbarriere des Protons notwendig.

Das Potential im Atomkern und in seiner Nähe wird durch die elektromagnetische und die „starke“ Wechselwirkung bestimmt. Die langreichweitige elektromagnetische Wechselwirkung bewirkt (hier in Form der erwähnten Coulombkraft) ein abstoßendes Potential bei großen Abständen. Bei kleinen Abständen dominiert die kurzreichweitige starke Wechselwirkung, weshalb das Kernpotential innerhalb des Atomkerns anziehend ist. Die Summierung beider Effekte ergibt ein bindendes oder quasibindendes Potential.

Coulombwall

Die effektive Höhe des Coulombwalls hängt neben der Ladung des Atomkerns und der Ladung des einlaufenden Teilchens auch vom Drehimpuls des einlaufenden Teilchens ab.

Die endliche Höhe der Coulombwalls erklärt den Alphazerfall mancher Atomkerne.

Für das Coulombpotential gilt: $V_c = \frac{2 \cdot (Z-1) \cdot e^2}{r}$

Tunneleffekt

Näherungsweise Berechnung der Höhe des Coulombwalls

Die Höhe des Coulombwalls lässt sich mit folgender groben Faustformel näherungsweise bestimmen: Seien Z₁ und Z₂ die Kernladungszahlen von Projektil und Ziel, sei ferner A die Massenzahl des Ziels, dann kann die Höhe des Coulombwalls folgendermaßen grob berechnet werden:

$V_C \approx \frac{Z_1 \cdot Z_2}{A^\frac{1}{3}}$

Man erhält das Ergebnis direkt in MeV.