Туннельный эффект.

Итак, в 1896 году Беккерель открыл явление радиоактивности (за что и получил Нобелевскую премию по физике 1903 года). В 1902 году уже знакомый нам Резерфорд и незнакомый еще Содди объяснили его самопроизвольным распадом ядер, при котором выделяется огромная энергия. В 1923 году гипотеза о внутриядерном происхождении вылетающих альфа-частиц была надежно доказана, и к тому времени искусственное превращение элементов было уже хорошо известным. Однако неизвестным оставался вопрос – почему же они оттуда вылетают?? Ведь альфа-частицы, являясь четверкой нуклонов (2 протона и 2 нейтрона), должны быть очень крепко связаны в ядре сильным взаимодействием. Это совершенно невероятно – как так может быть, чтобы четыре нуклона, объединившись в группу побега, вдруг откуда-то нашли гигантскую энергию и упорхнули.

Также было непонятно – почему вылетающие из ядра альфа-частицы имеют одну и ту же энергию? От чего зависит период полураспада? Как определяется то время, когда ядро распадется?

Физики получили ответ на этот вопрос, когда перестали рассматривать ядро атома как некий твердый комок спрессованных нуклонов. Конечно, сильное взаимодействие – чрезвычайно короткодействующее. Они действуют лишь на расстоянии, равном примерно 10^-15 метра! Это в сотни тысяч раз меньше размера всего атома. И все же – для нас это расстояние очень мелкое, а для них? А вдруг для них это совсем даже не мелкое расстояние? Вдруг элементарная частица, которая кажется нам твердым шариком, на самом деле тоже представляет из себя по большому счету лишь пустое пространство с крохотными точками сконцентрированной материи, которые, держась на расстоянии друг от друга, создают иллюзию чего-то большого и плотного? И ведь так и оказалось – помнишь параграф про померон? В протоне лишь 2% материи можно назвать «твердой материей» (при дальнейшем исследовании и при переходе к теории одномерных струн и это допущение перестало быть точным), а остальные 98% - глюонные поля, окутывающее кварки.

Отсюда – простой вывод. Описывать поведение протонов и нейтронов в ядре необходимо с применением тех же методов, которые мы применяем для описания поведения электронов, болтающихся где-то в объеме атома. Если электрон носится где-то в том объеме пространства, который мы называем «размером атома», то и нуклоны, в свою очередь, носятся где-то в объеме пространства, который мы называем «размером ядра».

И теперь – главное: если электрон у нас адекватно описывается исходя из представлений, согласно которым он не частица и не волна, а… ну ты помнишь, то и протон в ядре должен описываться точно так же! И не только отдельный протон, но и связка двух протонов и двух нейтронов – тоже.

Эта идея пришла в голову одновременно нескольким физикам, в том числе Георгию Гамову, россиянину. Он вообще был сообразительнее многих других, в 28 лет был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, год работал у Нильса Бора, и когда в 1933 году его отправили в командировку, то он решил не возвращаться в СССР и остался работать за рубежом, став официально изменником Родины.

И еще – почему вылетает именно связка 2-х протонов и 2-х нейтронов? Почему именно двух, а не трех? Когда нуклонов в ядре много, то количество вариантов их расположения там становится очень большим. И получается так, что наиболее энергетически выгодное положение таково, что вот такая компания из 4-х нуклонов слегка отделяется от остальных, словно держится немного на расстоянии.

Находясь в ядре, альфа-частица располагается в потенциальной яме, так как чтобы покинуть ее, требуется огромная энергия. И, значит, никак она это ядро сама по себе покинуть не может. Но это верно, если альфа-частица – это именно частица, а какая же это частица? Это нечто совсем иное, и это нечто иногда проявляет себя как волна. А у волн есть свои особенности. Например мы знаем, что радиоволны могут огибать препятствия, что совсем невозможно для частиц. Когда альфа-частица находится внутри ядра, с ней происходит нечто аналогичное – она словно наталкивается на стенки потенциального барьера и отскакивает назад, она не может покинуть ядро, но иногда она все же проникает через него с маленькой вероятностью, «огибает». И чем больше энергия альфа-частицы, тем больше вероятность того, что она вылетит из ядра, так как чем большее ее энергия, тем больше соответствующая этой энергии длина волны, и тем легче альфа-частице «обогнуть» препятствие. Таким образом, радиоактивность легко объясняется, если мы начинаем рассматривать альфа-частицу не как частицу, а как удивительный объект, который может проявлять себя и как частица, и как волна.

Как определяется то время, когда ядро распадется? Вероятностью. Отдельно взятый атом может распасться или в следующую секунду, или через миллиард лет. Почему вылетающие из ядра альфа-частицы имеют одну и ту же энергию? Потому что так же, как и электроны могут находиться только на определенных орбитах в атоме и иметь определенный набор возможных значений энергии, так и протоны и нейтроны и альфа-частица может иметь определенные значения энергии внутри ядра, и когда энергия альфа-частицы становится достаточно высокой, чтобы она смогла с высокой вероятностью вылететь из ядра, она оттуда и вылетает, имея эту определенную энергию.