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.