Քվանտային թունելավորում

Քվանտային ֆիզիկայի 125-ամյակի և քվանտային մեխանիկայի 100-ամյակի առթիվ, Քվանտ, 2025, համար 5

Ալֆա տրոհման հավանական բնույթի բացատրությունը
Ատոմային միջուկի կառուցվածքի վերաբերյալ սկզբնական վարկածը հիմնված էր ռադիոակտիվ քայքայման երևույթի վրա։ Ատոմային միջուկները պետք է պարունակեն ալֆա մասնիկներ և էլեկտրոններ, քանի որ դրանք առաջանում են միջուկային փոխակերպումների արդյունքում․ սա էր հիպոթեզը։ Բետա տրոհումը դժվար էր բացատրել, քանի որ էլեկտրոնները չպետք է վանվեին դրական լիցքավորված միջուկի կողմից։ Ավելի հեշտ էր բացատրել ալֆա տրոհումը։ Ալֆա-մասնիկների էությունը դեռ 20-րդ դարի սկզբին բացահայտեց Ռեզերֆորդը` պարզելով, որ դրանք հելիումի ատոմի միջուկներ են։ Իսկ 1919 թվականին, գիտության պատմության մեջ առաջին լաբորատոր միջուկային ռեակցիաները կատարելով, նա եզրակացրեց, որ բոլոր քիմիական տարրերի միջուկները պետք է ներառեն ամենապարզ տարրի՝ ջրածնի միջուկները։ Նա դրանք անվանեց ամենապարզ մասնիկներ՝ պրոտոններ։ Հելիումի ատոմի միջուկը, այսինքն՝ ալֆա-մասնիկը, ըստ Ռեզերֆորդի, բաղկացած է չորս պրոտոնից և երկու էլեկտրոնից։ Այդ մասնիկի զանգվածը մոտավորապես 4 անգամ մեծ է պրոտոնի զանգվածից, իսկ դրական լիցքը հավասար է 2e, այսինքն՝ 2 անգամ մեծ պրոտոնի լիցքից։

Ռեզերֆորդը վարկած առաջ քաշեց, որ միջուկի դրական լիցքավորված մասնիկների՝ պրոտոնների և ալֆա մասնիկների միջև պետք է լինեն անհայտ «միջուկային» բնույթի հզոր ձգողական ուժեր, որոնք հաղթահարում են էլեկտրական կուլոնյան վանողական ուժերը։ Հակառակ դեպքում ատոմային միջուկները պարզապես չէին կարող գոյություն ունենալ։ Ռեզերֆորդը նաև եզրակացրեց, որ այդ միջուկային ուժերը մոտ ազդեցություն ունեն, քանի որ միջուկից դուրս դրանք չեն դրսևորվում որևէ կերպ։ Դրանում է նրանց էական տարբերությունը լիցքավորված մասնիկների փոխազդեցության էլեկտրական ուժերից։

Միջուկներից հեռու գտնվող ռադիոակտիվ ալֆա մասնիկների էներգիաները արդեն լավ հայտնի էին 1920-ականներին։ Տարբեր ռադիոակտիվ միջուկների համար դրանք տատանվում են 3 ՄէՎ-ից մինչև 10 ՄէՎ (ՄէՎ-ն կամ մեգաէլեկտրոնվոլտը ատոմային ֆիզիկայում ընդունված ոչ համակարգային էներգիայի միավոր է, որը հավասար է 1.6 10^-13 Ջ-ի): Իմանալով միջուկի չափը՝ կարելի է գնահատել միջուկի «եզրին» գտնվող ալֆա մասնիկի էլեկտրական վանողական ուժերի պոտենցիալ էներգիան։

  Ռեզերֆորդի գնահատականներով՝ այն մոտավորապես հավասար է 60 ՄէՎ-ի, այսինքն՝ մեկ կարգի մեծությամբ ավելի էր ալֆա մասնիկի էներգիայից․ երբ այն լքում է միջուկը, չի գերազանցում մի քանի մեգաէլեկտրոնվոլտը։

Պոտենցիալ էներգիայի կախվածությունը միջուկի ներսում եղած հեռավորությունից որոշվում է միջուկային ձգողականության ուժերով (դրանք շատ ավելի մեծ են, քան էլեկտրական վանողական ուժերը): Այս էներգիան բացասական նշան ունի, եթե պոտենցիալ էներգիան միջուկից հեռու համարենք զրոյական։ Այդպիսի կախվածությունը սովորաբար անվանում են «պոտենցիալ փոս»։ Սակայն միջուկից դուրս միջուկային ուժերը դադարում են գործել, և մնում են միայն էլեկտրական ուժերը։ Նրանց պոտենցիալ էներգիան դրական է, քանի որ դրանք վանողական ուժեր են։ Հեռավորությանը հակադարձ համեմատական՝ այն ձգտում է զրոյի։

Այսպիսով, ալֆա-մասնիկի ընդհանուր պոտենցիալ էներգիան ունի այնպիսի «բարձրության» պոտենցիալ արգելք, որը գերազանցում է մասնիկի ամբողջական էներգիան։ Այստեղ  ներկայացված գրաֆիկում միջուկային ձգող ուժերի առաջացրած պոտենցիալ փոսի խորությունը պատկերված է այլ մասշտաբով, քան վանողական կուլոնյան ուժերի «բլրի» պոտենցիալ էներգիան։ Իրականում այդ փոսը մոտավորապես հարյուր անգամ ավելի խորն է։

Մի շարք տեսական ֆիզիկոսներ սկսեցին լուծել ռադիոակտիվ ալֆա տրոհման ընթացքում պոտենցիալ արգելքը հաղթահարելու հավանականությունների հաշվարկման խնդիրը։ Մեծ հաջողությունների հասավ ռուս ֆիզիկոս Գեորգի Գամովը, ով այդ ժամանակ վերապատրաստվում էր Գերմանիայում և Անգլիայում։ Գյոթինգենի համալսարանում նա շփվել էր տեսաբանների հետ, որոնք օգնել են հաղթահարել ալիքային քվանտային մեխանիկայի մաթեմատիկական դժվարությունները։ Քեմբրիջի համալսարանում Ռեզերֆորդի լաբորատորիան այդ ժամանակ նորաստեղծ միջուկային ֆիզիկայի համաշխարհային կենտրոնն էր, և այնտեղ ստացվեցին ռադիոակտիվ փոխակերպումների վերաբերյալ բազմաթիվ փորձարարական արդյունքներ։ Գամովի ընկերները՝ ռուս ֆիզիկոսներ Պյոտր Կապիցան և Յուլի Խարիտոնը, այդ ժամանակ նույնպես աշխատել են այնտեղ և չնայած, որ չէին զբաղվում միջուկային ֆիզիկայով, այլ զբաղվում էին այլ հարցերով, կարողացան օգնել Գամովին ստանալ անհրաժեշտ տեղեկատվությունը ալֆա տրոհման մասին։ Գամովը ոչ միայն ավարտին հասցրեց բոլոր տեսական հաշվարկները, այլ նաև համեմատեց դրանց արդյունքները փորձերի արդյունքների հետ։  Ի՞նչ էր հայտնի ալֆա տրոհման մասին։ Առնվազն 10 ռադիոակտիվ տարրերի համար հայտնի էին ալֆա մասնիկների կիսատրոհման պարբերությունները և էներգիաներն այդ տրոհումների ժամանակ։

Հստակորեն բացահայտվեց հակադարձ կապ. որքան բարձր է ալֆա մասնիկների էներգիան, այնքան կարճ է կիսատրոհման պարբերությունը (և, հետևաբար, այնքան մեծ է պոտենցիալ արգելքը հաղթահարելու հավանականությունը): Գամովի հաշվարկների արդյունքները և՛ որակապես, և՛ քանակապես համապատասխանում էին փորձարարական տվյալներին։ Այն  դարձավ ոչ միայն Գամովի մեծ հաջողությունը, այլ նաև քվանտային մեխանիկայի նորածին տեսության առաջին հաջողություններից մեկը։ Ռադիոակտիվ փոխակերպման հավանական բնույթը համապատասխանում էր պոտենցիալ արգելքի թունելի հաղթահարման հավանական բնույթին։

Սակայն միջուկային ֆիզիկայում այդ ժամանակ դեռևս չկար տեսություն, որը բացատրեր ատոմային միջուկի կառուցվածքը՝ ալֆա-մասնիկներից և էլեկտրոններից կամ ալֆա-մասնիկներից, պրոտոններից և էլեկտրոններից կազմված։ Այդ հիպոթեզները սխալ դուրս եկան։ Իսկ  մինչև նեյտրոնի հայտնաբերումը և ատոմային միջուկի պրոտոն-նեյտրոնային մոդելի ստեղծմանը դեռ չորս  տարի կար։ Սակայն Գամովն էլ չվերադարձավ ալֆա տրոհման բացատրությանը։ Նրան ավելի շատ հետաքրքրում էր Տիեզերքը, դրա էվոլուցիան և աստղերի էվոլուցիան։ Նաև կենսաբանությունը․ նա առաջինն էր, ով առաջարկեց վերծանել գենետիկական կոդը։ Գամովը նաև գիտության, մասնավորապես ֆիզիկայի վերջին նվաճումների ամենահայտնի և ամենանշանավոր հանրայնացնողն էր։

Թունելային էֆեկտը միջուկային համադրման ռեակցիայում
Միջուկային համադրման ռեակցիաներ. սա կարճատ անվանումն է այն ռեակցիաների, որոնք ձևավորում են թեթև ատոմային միջուկները՝ միավորելով ավելի թեթև միջուկներ։ Այս ռեակցիաները էկզոթերմիկ են, ընդհուպ  մինչև երկաթի միջուկների սինթեզը։ Ռեակցիայի արդյունքները՝ միջուկներն ու մասնիկները, ունեն ավելի մեծ կինետիկ էներգիա, քան սկզբնական միջուկները։ Բնության ամենակարևոր ռեակցիաները ջրածնի իզոտոպների միջուկներից հելիումի միջուկների սինթեզն են։ Այս ռեակցիաները աստղերի՝ որպես էներգիայի աղբյուրների էությունն են։ Աստղերում , իհարկե, տեղի են ունենում նաև այլ միջուկային ռեակցիաներ էներգիայի արտանետմամբ, որոնք ձևավորում են պարբերական աղյուսակի այլ տարրեր։ (Ավելի ծանր միջուկներ սինթեզելիս ռեակցիաները արդեն իսկ էնդոթերմիկ են, այսինքն՝ պահանջում են էներգիայի ծախս։)

Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո առաջին տարիներին Երկրի վրա տեղի ունեցավ առանձնահատուկ կարևորության մի իրադարձություն. 1952 թվականի նոյեմբերի 1-ին Էնեվետակ ատոլում (Մարշալի կղզիներ Խաղաղ օվկիանոսում) իրականացվեց ջրածնի իզոտոպներից՝ դեյտերիումից և տրիտիումից, հելիումի սինթեզի աստղային ռեակցիա։ Դա պայթյուն էր՝ ապագա ջրածնային ռումբերի նախատիպը։ Սակայն ռազմական նպատակներով այդ սարքը հնարավոր չէր օգտագործել․ այն ուներ 82 տոննա զանգված և չափերով համարժեք էր երկհարկանի տան։ Սարքի հիմնական մասը ջերմային պաշտպանությունն էր, ավելի ճիշտ՝ հեղուկ ազոտի միջոցով հեղուկ ջրածնի իզոտոպների «սառը պաշտպանությունը» եռալուց։ Սարքի գլխավոր կոնստրուկտորը ականավոր   ամերիկացի գիտնական և ինժեներ Էդվարդ Թելլերն էր։

Մեկ տարուց էլ պակաս ժամանակ անց՝ 1953 թվականի օգոստոսի 12-ին, Ղազախստանի (ԽՍՀՄ) Սեմիպալատինսկի փորձարկումների տարծքում պայթեցվեց ռազմական օգտագործման համար պիտանի սարք, որի զանգվածը կազմում էր ընդամենը 7 տոննա։ Եվ այս պայթյունի էներգիան համարժեք էր 400 կիլոտոննա տրոտիլի։ Այստեղ չենք քննարկի, թե ինչպես է դա հնարավոր դարձել։ Նշենք միայն, որ այս սարքը (ռումբը) իր ծնունդով ամբողջությամբ պարտական է ակադեմիկոս Ա.Ն. Սախարովի գիտական և ինժեներական տաղանդին։

Սկսվեց սպառազինությունների մրցավազքը։ 1961 թվականի հոկտեմբերի 30-ին տեղի ունեցավ ամենասարսափելի ռումբի փորձնական պայթյունը (մականունը՝ «Ցարբոմբա» կամ «Կուզկինա մատ»), որը էներգիայով համարժեք էր 58 մեգատոն տրոտիլի պայթյունին (30 հազար կիլոմետր երկարությամբ տրոտիլի վագոններով գնացք): Եվ դրա համար ռումբի մեջ տեղադրվել է ընդամենը 800 կգ-ից մի փոքր ավելի ջրածնի իզոտոպ։

Եկեք մի կողմ թողնենք ռազմական գիտության և տեխնիկայի այս նվաճումների սարսափելի բնույթը։ Եվ չնայած այսօր ԱՄՆ-ի և Ռուսաստանի միջուկային զինանոցներում դեռևս կա մեկուկես հազարական ջրածնային ռումբ, դրանց սարսափելի օգտագործման հավանականությունը փոքր է, և դրանք շարունակում են դանդաղորեն ապամոնտաժվել, շարքից հանվել։ Անցած 30 տարվա ընթացքում միջուկային զինանոցները կրճատվել են ավելի քան 10 անգամ։

Նախքան ռումբերի ստեղծումը, 1950-51 թվականներին Ա.Դ. Սախարովը Ի.Է. Տամի հետ միասին մշակեց ստացիոնար միջուկային միաձուլման ռեակցիայի սկզբունքը՝ որպես «խաղաղ» էներգիայի գրեթե անսպառ աղբյուր: Այն ստացավ ջերմամիջուկային ռեակցիա անվանումը։ Ինչո՞ւ։  Ավելի ճիշտ կլինի այն անվանել ջերմաստիճան-միջուկային։ Որպեսզի ջրածնի իզոտոպների երկու միջուկներ (օրինակ՝ դեյտոնը, այսինքն՝ դեյտերիումի միջուկը, տրիտոնի, այսինքն՝ տրիտիումի միջուկի հետ) միանան, դրանք պետք է մոտենան միմյանց 2 ֆեմտոմետր ֆմ (մ) (1 ֆմ = 10⁻¹⁵ մետր) հեռավորության վրա։ Միայն այդ դեպքում հզոր միջուկային ուժերը «կմիանան» և իրենց հզոր ձգողականությամբ մասնիկներին կտան մ/վ կարգի արագություններ։ Երբ մասնիկները շատ են, և դրանք ունեն այդպիսի միջին արագություն, նշանակում է, որ մասնիկների ամբողջ զանգվածի ջերմաստիճանը կկազմի հարյուր միլիոնավոր և նույնիսկ միլիարդավոր կելվին։ Ըստ երևույթին՝ հենց այսպիսին է Արեգակի ներքին շերտերի ջերմաստիճանը։

Սակայն մասնիկների՝ երկու դեյտերիումի միջուկների կամ դեյտերիումի միջուկի և տրիտիումի միջուկի բախման ճանապարհին գոյություն ունի կուլոնյան ուժերի վանման  պոտենցիալ արգելք։ Հաշվարկները ցույց են տվել, որ եթե ջրածնի իզոտոպների միջուկներն ունենան 20 միլիոն աստիճան ջերմաստիճանին համապատասխանող միջին էներգիա, ապա այս արգելքը կարելի է մասամբ հաղթահարել։ Թունելային էֆեկտի հավանականությունն արդեն բավարար կլինի, որպեսզի մասնիկները մոտենան միմյանց մինչև 2 ֆմ հեռավորության վրա և տեղի ունենա միջուկների միաձուլում՝ հելիումի միջուկի և նեյտրոնի առաջացմամբ։ Իսկ նրանց միջին էներգիան շատ ավելի բարձր կլինի․ այն կհամապատասխանի մեկ միլիարդ կելվինի։

Բայց   20 միլիոն Կելվինը հենց ուրանի կամ պլուտոնիումի միջուկային պայթյունի «հրե գնդի» պլազմայի ջերմաստիճանն է։ Այդ պատճառով էլ յուրաքանչյուր ջրածնային ռումբում ջրածնի «լիցքը» շրջապատված է ուրանի կամ պլուտոնիումի շերտերով։ Այս ուրանի լիցքը կարելի է փոխաբերական իմաստով անվանել «լուցկի»՝ հիմնական լիցքը՝ ջրածնի իզոտոպները «բռնկելու» համար։ Բայց ոչ սովորական, այլ քվանտային լուցկի, որը օգտագործում է քվանտային թունելային էֆեկտը։

Այժմ մոտենում է ավարտին ամենահսկայական (մասշտաբի և արժեքի առումով) գիտական «սարքը»՝ ՄՋՓՌ-ը՝ միջազգային ջերմամիջուկային փորձարարական ռեակտորը։ Նախագծի համաձայն՝ իմպուլսային ռեժիմում այն պետք է 400 վայրկյանի ընթացքում արտանետի 500 ՄէՎ էներգիա, ընդ որում՝ «լուցկիի» էներգիայի սպառումը կկազմի 50 ՄէՎ, 10 անգամ պակաս։ Այս դեպքում «լուցկին» դեյտերիում-տրիտիումի պլազմայի շիթերն են, որոնք արագացվում են էլեկտրական դաշտով. սրանք այսպես կոչված գիրոտրոններն են, որոնք հորինվել և արտադրվել են Ռուսաստանում, որը լիիրավ մասնակիցն է այս  հսկայական  նախագծի (ծախսերի 10%-ը՝ առանձին բաղադրիչների արտադրության վրա)։ Իսկ միաձուլման ռեակցիայի արդյունքները՝ հելիումի ատոմների միջուկները և նեյտրոնները, իրենց էներգիան կփոխանցեն ջերմափոխադրողին։

Ապագայում, այլևս ոչ թե փորձարարական, այլ գործող ռեակտորում այս էներգիան, ստանալով ջրային գոլորշին, տուրբոգեներատորներում էլեկտրական հոսանք կառաջացնի։ Բայց դեռ շուտ է, որոշ գնահատականների համաձայն՝ առաջին ջերմամիջուկային «էլեկտրակայանի» ստեղծման համար կպահանջի առնվազն 50 տարի։ Մանավանդ, որ 2021 թվականին լուրջ թերություններ են հայտնաբերվել այն խողովակների նյութերում, որոնց միջով շրջանառվում է հեղուկ հելիումը, ինչը էլեկտրամագնիսների փաթույթներում ցածր ջերմաստիճան է ստեղծում դրանց գերհաղորդիչ վիճակի համար։ Այս խնդիրները, հավանաբար, մի քանի տարով կհետաձգեն ՄՋՓՌ -ի մեկնարկը։
 Նշենք, որ առանց թունելային էֆեկտի ռեակտորը պարզապես չէր կարող գործել։ Սակայն ավելի ու ավելի պարզ է դառնում, որ թունելային էֆեկտը նշանակալի դեր  ունի ոչ միայն միջուկային ֆիզիկայում։ Օրինակ՝ պարզվեց դրա դերը  շատ կարևոր է մի շարք քիմիական ռեակցիաների կինետիկայում։ Այս էֆեկտը նաև մեծ նշանակություն ունի կիսահաղորդչային երևույթներում և սարքերում՝ թունելային դիոդներում, փականի ֆոտոէլեկտրական էֆեկտում, լույս արձակող դիոդներում, Ջոզեֆսոնի էֆեկտում և այլն։

Իսկ թունելային էֆեկտը հնարավոր չէ հասկանալ և կիրառել առանց քվանտային մեխանիկայի։ 2025 թվականին նշվում է այս գիտության հարյուրամյա տարեդարձը, որը, առանց չափազանցության, կարելի է համարել քսաներորդ դարի ամենանշանակալից գիտական նվաճումներից մեկը։ Այդպես է Նոբելյան մրցանակի դափնեկիր, ռուս տեսական ֆիզիկոս Լև Լանդաուն նկարագրել քվանտային մեխանիկայի նշանակությունը 1962 թվականին տված իր հարցազրույցում։

Նախորդ մասը՝ այստեղ։

Թարգմանությունը՝ Իննա Իսրայելյանի
Հեղինակ՝ Լ․ Բելոպուխով