Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [168]
Рис. 10.5. Два примера энергетической ямы, куда можно посадить частицу. Контуры ямы показывают энергию, сила же, которая возвращает частицу к центру ямы, измеряется крутизной стен
Для протонов и нейтронов, сидящих в атомном ядре, энергетическую яму создает притяжение, за которое отвечает сильное ядерное взаимодействие. Ему, конечно, мешает электрическое отталкивание между протонами, но правила игры здесь неравные. Ядерные силы намного сильнее электрических, но только в пределах малых расстояний – около 10>–15 м (так называемый фемтометр, в миллион раз меньший нанометра), и из-за этого связывают только ближайших соседей. Электрическое же отталкивание, хотя и более слабое само по себе, ослабевает с расстоянием значительно медленнее, из-за этого каждый протон отталкивается от каждого, и при слишком большом числе протонов электрическое отталкивание побеждает – берет не силой, а массовостью. Укреплению ядерных коллективов заметно помогают нейтроны: они вообще не отталкиваются электрически, потому что не имеют заряда, а в отношении притяжения за счет ядерных сил неотличимы от протонов; они и дают дополнительный «склеивающий» эффект (пока их самих не слишком много и не очень заметна их неуживчивость друг с другом из-за эффекта, до которого мы доберемся в конце этой прогулки). Поэтому в подавляющем большинстве ядер (во всех после кальция, если двигаться по Периодической таблице элементов) нейтронов больше, чем протонов.
Те ядра, из которых возможно туннелирование, пребывают в промежуточном состоянии между существованием и несуществованием: их отдельные куски могут оказаться снаружи с некоторой вероятностью. «Кусками» при этом оказываются не отдельные протоны, а альфа-частицы – удерживаемые вместе два протона и два нейтрона. Причина предпочтения альфа-частиц – в их особой прочности, которая оборачивается энергетическим преимуществом[207]. Как только альфе-частице случилось пройти сквозь стенку (оказаться где-то на наружной стороне бортика, подобного тому, что изображен на рис. 10.5 слева), она покидает область действия ядерных сил, а электрическое отталкивание работает вовсю, из-за чего она немедленно улетает прочь, являя собой эффект радиоактивности (альфа-радиоактивности, поскольку есть и другие виды; весь процесс называют альфа-распадом). В ядре же остается на два протона и на два нейтрона меньше. Из-за своего туннельного характера альфа-распад носит истинно случайный характер (что остается предметом неизбывной зависти для программистов, решающих задачу генерирования по-настоящему случайных чисел компьютерными средствами). Примеры радиоактивных распадов приведены в добавлениях к этой прогулке.
Альфа-распад – результат прохождения сквозь стену
Туннелирование и систематическая обработка актов туннелирования – принцип работы устройства, которое по инерции называют микроскопом, хотя оно чувствительно к деталям намного меньшего размера, чем обычные микроскопы, и работает только в определенных условиях. Сканирующий туннельный микроскоп позволяет «почувствовать» форму поверхности с точностью до атома. Для этого игла, острие которой имеет толщину, сравнимую с размером атома, удерживается на малом расстоянии от исследуемой поверхности. Игла находится под напряжением, которое в случае контакта вызвало бы ток, но этого контакта там нет: зазор между иглой и поверхностью запрещает протекание тока. Однако это «классически», а в квантовой действительности электроны могут туннелировать через зазор. Туннелирование создает слабый электрический ток, величину которого можно измерить. Из-за того что вероятность туннелирования, а потому и ток чрезвычайно чувствительны к ширине «стены» (зазора), при перемещении иглы накапливаются данные о величине тока, компьютерная обработка которых позволяет восстановить форму поверхности (рис. 10.6; цвета в таких изображениях являются условными).
Рис. 10.6. Очертания поверхности, восстановленные с атомной точностью на основе туннельного эффекта. Соблазнительно думать об округлых неровностях как об отдельных атомах; они действительно имеют отношение к атомам, но, строго говоря, такой рельеф показывает распределение электрического заряда, который несут электроны
Атом почти не существует. Но что же происходит внутри атома? Как разрешается «загадка Резерфорда» – невозможность движения электронов вокруг ядра?
Пространственно ограничить движение не так просто из-за принципа неопределенности
Атом – связанная система: он собран из нескольких частей (ядра и электронов), которые существуют вместе, не разлетаясь в разные стороны. Это значит, что каковы бы ни были подробности движения этих частей, оно ограничено некоторой областью пространства. Из-за принципа неопределенности «пойманное» (пространственно ограниченное) движение оказывается довольно непростым явлением; оно радикально отличается от движения без пространственных ограничений. В привычном нам мире различие между ограниченным движением (эллипсы: спутник на орбите) и неограниченным (гипербола: прощай навсегда) можно не заметить сразу: короткую дугу гиперболы не так просто отличить от короткой дуги эллипса. В квантовом же мире, где движение не терпит траекторий, это различие огромно. Устройство атома – это, по существу, история про то, что представляет собой «пойманное» движение.
