Аналогия с настоящей ямой

Мы рассматриваем график зависимости потенциальной энергии электрического взаимодействия от координаты. Рассмотрим такой график для потенциальной энергии гравитационного взаимодействия: знакомой нам энергии . Из формулы видно, что потенциальная энергия в гравитационном поле пропорциональна высоте . Поэтому график имеет ту же форму, что и .

Рис. 4. Камень в «потенциальной яме»

А график повторяет очертания настоящей горки, вот в каждой координате своя высота горки. Поместим в ямку на вершине шарик – он окажется в состоянии устойчивого равновесия. Если толкнуть его достаточно сильно, чтобы он перекатился через горку, то он покинет ямку и скатится к подножию горки.

Любая физическая система приходит к состоянию с наименьшей потенциальной энергией, такие состояния еще называют энергетически выгодными. Поэтому если поместить протон в верхнюю точку, он отлетит от ядра. Если в нижнюю – он притянется к ядру, оказавшись в устойчивом равновесии. Такую область на графике назвали потенциальной ямой. Да, в таком состоянии у протона запасена определенная энергия. Но чтобы протон покинул ядро и его потенциальная энергия перешла в кинетическую, он должен пройти состояние с большей энергией – его назвали потенциальным барьером. При этом потенциальная энергия протона перейдет в кинетическую и его скорость увеличится. То есть мы передаем протону некоторую энергию Е, он покинет ядро и его потенциальная энергия перейдет в кинетическую энергию , и мы получаем излишек энергии – то, ради чего мы все это затеяли (см. рис. 5).

Рис. 5. Кинетическая энергия протона

Можно сделать и наоборот – взять протон с большой кинетической энергией и направить его движение в сторону ядра. Тогда он сможет преодолеть барьер и попасть в яму.