¿Por qué dos átomos de hidrógeno no pueden "comprimirse" lentamente (fusionarse para formar helio) con algún dispositivo avanzado (sin colisionar a alta velocidad)?

Se necesita mucha fuerza para fusionar el hidrógeno. La fusión nuclear requiere que los átomos se acerquen, lo que hace que experimenten fuerzas de repulsión electrostática muy altas. Solo una vez que los acerca lo suficiente, puede ver los efectos cuánticos que atraen a los núcleos hacia la fusión. Los átomos deben tener suficiente energía para atravesar esta barrera, conocida como la barrera de Coulomb, antes de que puedan fusionarse. En química, el análogo de esto es la "energía de activación" requerida para que ocurra una reacción. Para una reacción típica de deuterio/tritio, esta barrera de energía es de 0,1 MeV.

Si "empujaras" dos átomos juntos, tendrías que proporcionar toda la fuerza necesaria para superar las fuerzas electrostáticas. Esto es mucha fuerza, porque las fuerzas electrostáticas aumentan proporcionalmente al cuadrado de la distancia entre los núcleos, y tienen que acercarse mucho. Este también es un sistema repulsivo muy inestable, por lo que los núcleos quisieran escapar. Es como tratar de presionar dos bolas de billar entre sí.

En cambio, es mucho más fácil acelerar los átomos de hidrógeno durante un período de tiempo muy largo a una velocidad alta y dejar que la energía cinética haga la parte difícil de superar la barrera de Coulomb.

Aquí está la curva de energía de enlace que traza la energía liberada por la fusión para los elementos de baja masa.

Llegar$H^2$(un deuterón), es decir, la fusión de dos núcleos de hidrógeno, se debe dar suficiente energía para arrancar los electrones de los protones y luego superar la barrera electrostática de los dos$+$protones cargados, de modo que la fuerte fuerza de atracción toma el control, y luego la interacción débil convierte un protón en un neutrón, un positrón y un neutrino, y la fusión en un deuterón se convierte en una realidad.

La fusión de dos protones , que es el primer paso del ciclo protón-protón, creó grandes problemas para los primeros teóricos (del sol) porque reconocieron que la temperatura interior del sol (unos 14 millones de Kelvin) no proporcionaría suficiente energía para superar la barrera de culombio de repulsión eléctrica entre dos protones.

Con el desarrollo de la mecánica cuántica, se comprendió que en esta escala se debía considerar que los protones tenían propiedades ondulatorias y que existía la posibilidad de hacer un túnel a través de la barrera de culombio.

Usted pregunta:

¿Cuáles son las principales barreras que impiden que los físicos presionen lentamente dos átomos de hidrógeno para fusionarlos en helio? (a diferencia de muchas colisiones a alta velocidad)

No se puede tomar un átomo y presionarlo. Uno puede separar un átomo de hidrógeno y hacer un haz de protones y hacer chocar protones contra protones. Esto es muy ineficiente en la forma de producción de energía para generar deuterones, se pierde mucha energía acelerando las partículas del haz que nunca colisionarán, porque las colisiones son un efecto estadístico y dependen también de la sección transversal de la interacción. Vea la respuesta aquí para más detalles. .

El uso de plasma para generar fusión, imitando al sol, brinda un método eficiente para usar las estadísticas de dispersión dentro del plasma para obtener una salida de energía positiva del proceso de dispersión de protones. De hecho, si miras la curva, se gana más energía usando otras combinaciones atómicas.

Cada átomo de hidrógeno (una gran cantidad de hidrógeno se encuentra en forma molecular, en lugar de como un solo átomo), es un protón con un electrón emparejado. Se atraen entre sí debido a las cargas eléctricas opuestas.

Si comienza con un gas y lo comprime, (dependiendo del elemento en particular), puede terminar con un líquido. De hecho, el hidrógeno líquido es el propulsor que utilizan muchos motores de cohetes.

Imagine poner un número arbitrario de átomos de hidrógeno en una cámara, con un pistón en la parte superior, que puede usar para comprimir los átomos. A medida que aprietas más y más, los átomos o moléculas de hidrógeno se moverán cada vez más rápido, ya que se repelerán entre sí porque los electrones en cada uno tienen la misma carga.

Esta repulsión mutua es la misma razón por la que no te caes por el suelo de tu casa, debido a la resistencia de los electrones a ser forzados a juntarse. Entonces es una fuerza muy fuerte, especialmente cuando los átomos se acercan.

"Algún dispositivo avanzado" todavía se basará en unir los átomos y es muy difícil pensar en algo que supere la fuerza electrostática que mantiene a los átomos separados. Los electrones no solo se repelen porque tienen la misma carga negativa, sino que los protones en el núcleo de cada átomo también se repelen porque ambos tienen la misma carga positiva.

Básicamente, son dos conjuntos de resortes masivos, que se vuelven cada vez más fuertes a medida que se ejerce más presión sobre ellos.