В океане энергии

Но если совершена работа, значит, суммарная энергия нуклонов в ядре должна быть меньше, чем энергия тех же нуклонов, разнесенных на большие расстояния друг от друга? Так и есть. Разность между суммарной энергией нуклонов, находящихся на больших расстояниях друг от друга, и суммарной энергией тех же нуклонов, составляющих ядро, называют дефектом массы, или энергией связи нуклонов в ядре. На один нуклон приходится энергия связи, близкая к 8МэВ. Это энергия именно связи, поскольку, для того чтобы извлечь нуклон из ядра, противодействуя при этом сильным взаимодействиям, нужно затратить 8МэВ. Сравните: энергия связи электрона в атоме составляет около 10 эВ, т. е. примерно в миллион раз меньше.

Домните ваше путешествие с протоном? Так и хочется уподобить его походу в горы. Сначала вы как бы поднимаетесь в гору, преодолевая взаимное отталкивание положительных зарядов протона и ядра. Вот наконец достигнут заветный перевал. На перевале протон обладает самой большой энергией, поскольку к той энергии, которую он имел, находясь на бесконечном расстоянии от ядра, прибавилась энергия, полученная из работы, затраченной на преодоление электромагнитного взаимодействия. Пройдя через перевал, протон скатывается, как на горных лыжах. При этом он выполняет работу и, следовательно, тратит запас энергии. По обе стороны от перевала энергия протона меньше, чем на самом перевале. Этот перевал в физике называется потенциальным барьером. Говорят также, что нуклоны в ядре находятся в потенциальной яме. Слово «потенциальный» означает здесь, что потенциальная энергия нуклона, находящегося в пределах ядра, меньше потенциальной энергии нуклона, находящегося на вершине перевала, т. е. на расстоянии около Ю-11 см (десятки ферми) от точки, которую условно принимают за центр ядра.

Может ли протон самопроизвольно покинуть ядро? Рассуждения с позиций классической физики приводят нас к однозначному выводу: это невозможно. Находясь в ядре, протон испытывает притяжение со стороны других протонов. Кроме того, он движется, т. е. обладает кинетической энергией. Но энергия связи, равная 8 МэВ, как раз свидетельствует о том, что силы притяжения во много раз превышают силы инерции. Поэтому вопрос о протоне эквивалентен следующему вопросу. Пусть на земле стоит гиря массой 1 кг. Такая гиря испытывает силу земного притяжения около 10 Н. Вы потянули эту гирю вверх с силой 1 Н. Поднимется ли она в воздух? Жизненный опыт наш утверждает, что такого не бывает.

Попробуем рассуждать с позиций современной физики. Противоречит ли выход протона из ядра каким-нибудь запретам? Вопрос важный, и потому остановимся на нем подробнее. Находясь в ядре, протон обладает некоторым запасом энергии. На границе ядра, или, как мы говорили, на перевале, энергия этого протона на 8 МэВ больше. Но затем она опять станет меньше. По ту сторону перевала снова спуск, только более пологий. Значит, вполне возможно, что на большом отдалении от ядра протон обладает той же энергией, которой он обладал, находясь в ядре. Следовательно, самопроизвольный выход протона из ядра закону сохранения энергии не противоречит. Поразмыслив, вы сообразите, что не противоречит он и другим законам сохранения. Раз так, то ничто не мешает протону покинуть ядро. Можно все, кроме того, что нельзя. Иное дело, что такие события происходят с различной вероятностью. Математический аппарат квантовой физики в основном занимается подсчетом таких вероятностей.