Охотники за частицами

В результате волны материи просачиваются сквозь барьеры. Но это же означает, что связанные с ними частицы получают некоторую вероятность очутиться вне барьеров. Иными словами, частица с энергией, недостаточной для преодоления барьера поверху, может все же оказаться за ним, как бы прорыв туннель сквозь барьер. Удивительное явление так и получило название туннельного эффекта.

Частицы полностью отражаются обратно хотя и низенькими, но зато безгранично длинными барьерами. А вот если барьер имеет определенную ширину, даже пусть он очень высок, частицы могут понемногу просачиваться сквозь него. Пунктир вроде туннеля в барьере показан на рисунке только для наглядности находиться внутри барьера частицы не могут. Это и есть туннельный эффект.

«Чушь! — заявляет классическая физика. — Вот тут-то я и подловлю квантовую механику. Прослежу за частицей и, как только она войдет в барьер, тут же схвачу ее: стоп, голубушка, попалась! А ну-ка, полезай на весы! И квантовую механику приглашу полюбоваться».

В самом деле, у старой физики, кажется, есть основания злорадствовать. Легко убедиться в том, что частице внутри барьера отвечает отрицательная кинетическая энергия.

Вспомним выражение для этой энергии: половина произведения массы на квадрат скорости. Квадрат всегда положителен, половина — тоже. Если кинетическая энергия отрицательна, то, значит, частица внутри барьера должна иметь отрицательную массу. За этим-то и собиралась старая физика тащить частицу на весы. И, кажется, не зря: отрицательную массу не признает даже революционно настроенная квантовая механика.

И вот классическая физика влечет свою противницу к самому атомному барьеру. Она словно желает, чтобы дуэль между ними происходила по всем правилам. Однако, вопреки ожиданию, квантовая механика нисколько не нервничает. Напротив, она любезно помогает установить приборы для решающего опыта. Но при этом чуть-чуть заметно усмехается: она-то знает, как ведут себя приборы в атомном мире!

Начинается опыт. Прибор должен поймать частицу внутри барьера. При этом неважно, в каком месте, — достаточно лишь уличить частицу в том, что она находится где-то под барьером. Поэтому для опыта берутся кванты света с длиной волны, понятно, не более ширины барьера.

Частица засечена в яме, она движется по направлению к барьеру, прибор включен… — и классическая физика удивленно протирает глаза. Частица прошла над барьером! Несмотря на то, что ей недоставало энергии перемахнуть через барьер!

А квантовая механика громко и обидно смеется над еще раз поверженной противницей. Поимка не удалась. И мы догадываемся уже, почему. Измерительный прибор, вмешавшись в «незаконное» явление, добавил частице как раз столько энергии, что смог перебросить ее над барьером.

Нет, о том, чтобы уличить частицу в момент просачивания сквозь барьер, не может быть и речи. А вместе с тем частицы просачиваются сквозь барьеры!

Туннельный эффект работает

И это не выдумка хитрой квантовой механики.

Вот два доказательства. Из холодного куска металла электроны не вылетают: это факт, твердо установленный. Но раскаленный кусок металла обильно испускает электроны. Все нити накала радиоламп используют именно это явление. Электроны в холодном куске металла имеют недостаточную энергию для преодоления барьера-ступеньки на границе куска металла. При нагревании они увеличивают свою энергию и преодолевают барьер на границе металла вполне законным с точки зрения старой физики способом.

Квантовой механике здесь еще нечего делать. Но приложим к холодному куску металла сильное электрическое поле. Оно увеличит энергию электронов. Подберем, однако, это поле так, чтобы переданной им электронам энергии все же было недостаточно для их вылета за пределы куска металла. Поле, в сущности, лишь перекосит барьер на границе металла, превратит его из лестничной ступеньки в забор.

И этого достаточно. Электроны начинают просачиваться сквозь барьер. Возникает так называемая холодная эмиссия электронов. Это явление используется в целом ряде замечательных электронных приборов. А вот и второе доказательство: из тяжелых атомных ядер при радиоактивном распаде вылетают альфа-частицы. Ядро существует? Существует. Значит, в общем, подавляющее большинство частиц в нем не имеет возможности покинуть его. Именно подавляющее большинство: альфа-частица уносит с собой лишь какие-то жалкие два процента массы ядра.

Получается так, словно ядерная семья живет в доме, отгородившемся высоким и глухим забором от своих соседей. Может быть, альфа-частицы удирают из этого дома, перемахнув через забор? Не похоже: уж очень высок забор и очень незначительна по сравнению с его высотой энергия альфа-частиц.