В 1889 г. шведский ученый Сванте Аррениус, один из основоположников физической химии, вывел свою знаменитую формулу, характеризующую зависимость скорости химической реакции от температуры. Согласно закону Аррениуса, при абсолютном нуле скорость всякой химической реакции также равна нулю (никакие реакции не идут). С увеличением температуры скорость реакции растет, и темпы этого роста определяются одной важной характеристикой, называемой энергией активации.
Чтобы понять физический смысл этой характеристики, представим себе, как зависит внутренняя потенциальная энергия вступающих в химическую реакцию молекул от пространственного расположения составляющих их атомов. Каждая такая молекула первоначально как бы находится в энергетической «яме». Испытать химическое превращение, т. е. перестройку связей между атомами, связанную с их перемещением, означает для молекулы перескочить в соседнюю яму.
Для этого молекуле надо перебраться через энергетический барьер. В тепловом равновесии подавляющее большинство молекул располагает энергией, которая при комнатной температуре в десятки, а при температуре жидкого гелия (4,2 К) в тысячи раз меньше высоты активационного барьера. Поэтому для того чтобы преодолеть этот барьер, молекуле надо одолжить энергию у многих своих соседей. Картина в известной мере похожа на лотерею: прежде чем выиграть, надо «собрать средства» на лотерейный билет.
Таким образом, согласно классическим представлениям, чем меньше температура, т. е. чем меньше средняя энергия молекул, тем меньшая их часть может преодолеть энергетический барьер. При абсолютном нуле энергия всех молекул равна нулю: молекулы оказываются на дне энергетических ям и химическая реакция становится невозможной. В этом состоит сущность закона Аррениуса. Квантов механические представления, развитые в первой трети XX в., вносят важные коррективы в эту картину.
Согласно законам квантовой механики, всякая частица обладает одновременно волновыми свойствами. Соответствующая частице волна называется волной де Бройля по имени французского физика, который ввел это понятие. Длина дебройлевской волны обратно пропорциональна массе частицы m и ее скорости u: X = h/mu где коэффициентом пропорциональности h служит важнейшая константа квантовой механики — постоянная Планка (около 10/-34 Дж * с). Наличие волновых свойств у частицы объясняет одно исключительно важное явление, недопустимое с точки зрения классической физики: частица может проходить из одной энергетической ямы в другую, не поднимаясь на разделяющий эти ямы перевал.
Частица проходит сквозь него как бы через туннель. Возвращаясь к сравнению с лотереей, можно говорить о выигрыше, для получения которого не требуется даже приобретать лотерейный билет. Такое сугубо квантовое явление называется туннельным эффектом, или туннелированием. Другое важное следствие квантовой механики заключается в том, что колебательная и вращательная энергия молекул может принимать только определенные дискретные значения, а значит и меняться может только скачком.
Более того, вопреки представлениям классической физики, при абсолютном нуле не происходит полного замораживания всех движений: молекулы обладают энергией, располагаясь в энергетических ямах на уровнях так называемых нулевых колебаний. В1928 г. Г. Гамов, а затем Р.Гэрни и Э. Кондон впервые применили теорию туннельного эффекта для объяснения загадочной зависимости между энергиями а-частиц, излучаемых природными радиоактивными изотопами, и периодами полураспада этих изотопов.
Энергия а-частиц изменяется в узком диапазоне значений — от 4 до 10 МэВ, в то время как соответствующие периоды полураспада различаются на 24 порядка — от 10 млрд. лет до десяти миллионных долей секунды. Выяснилось, что процесс а-распада радиоактивных изотопов представляет собой туннельное проникновение а-частицы через энергетический барьер (покинуть ядро изотопа а-частице мешают ядерные силы притяжения). Высота барьера составляет 24 МэВ и, таким образом, на 14—20 МэВ превышает энергию вылетающих а-частиц, а его ширина в 3 — 8 раз больше, чем радиус ядер а-излучателей. К типично туннельным процессам относится и так называемый двупротонный распад.
Его существование и свойства были предсказаны автором статьи в 1960 г., а первое экспериментальное наблюдение осуществлено в США Дж.Черны с сотрудниками — в конце 1982 г. При таком распаде ядро покидает частица, не существующая в свободном виде. Это дипротон, или иными словами, сверхлегкий гелий — 2/Не. В таком виде частица входит в туннель. Выходят же из туннеля — вдали от ядра — уже два независимых протона, между которыми действуют кулоновские силы отталкивания.
