1. Ядро и элементарные частицы

На границе неизведанного

Атомное ядро... Ядерная энергетика... Атомный век... Эти и десятки других, так или иначе связанных со словом "ядро" терминов заполняют страницы газет, книг, научных статей, волнуют людей, пробуждая и ужас и надежды. Можно смело сказать, что никогда никакие научные открытия не играли такой огромной роли для всего человечества, как открытия в области ядерной физики. Даже совсем далекие от физики люди не могут относиться к ним безучастно.

Ядерщики

И в то же время... в то же время целые области белых пятен простираются здесь перед исследователем. Как же это возможно? - спросит с недоумением читатель. Ведь уже давно советские ученые включили рубильники первой атомной электростанции, уже взламывает ледяные поля атомный ледокол, уже стали необходимыми в самых разнообразных областях - от металлургии до производства елочных украшений - специалисты-ядерщики. Как же возможно, что такое огромное и важнейшее место заняла наука, самые основы которой содержат какие-то (и немалые) неясности? Конечно, ничего парадоксального в этом нет. Мы находимся сейчас в таком же примерно положении, как каменщик, который умеет складывать из кирпичей здание, но о многих свойствах самих кирпичей, может быть даже о том, как они делаются, имеет лишь смутное представление. Иногда в таких случаях говорят, что мы изучили некоторые свойства, но не знаем сути. Пожалуй, это не совсем удачное для нашего случая выражение, но оно правильно отражает то обстоятельство, что мы еще не умеем единым образом объяснять всего множества опытных данных. Удивляться этому не приходится. Ядерная физика ставит проблемы, решение которых прямо упирается в самый основной вопрос - вопрос о строении вещества вообще, т. е. в конечном итоге об элементарных частицах. Их (опять напрашивается то же сравнение) иногда называют кирпичиками мироздания. И вот здесь мы пока оказываемся в положении Карла Линнея: мы не слишком далеко продвинулись за пределы систематики. Об "устройстве" этих частиц, даже о том, а что, собственно, подразумевается под словом "элементарные", практически ничего не известно.

Здесь проходит граница с областью неизведанного. Граница неустойчивая, подвергающаяся бурному натиску, но еще ни разу достаточно радикально никем не преодоленная. Впрочем, ядерная физика в этом отношении вовсе не находится в особом положении. Стоит повнимательнее вдуматься в любую проблему - и очень скоро цепочка рождающих друг друга "почему" приведет вас к области неизученного. Не зря говорится, что, изучая какой-нибудь вопрос, человек последовательно проходит через три стадии: первая - "все понятно", вторая - "вce непонятно" и последняя - "кое-что понятно".

Из чего складываются ядра?

Почему же все-таки изучение атомного ядра вынуждает нас заниматься элементарными частицами? Ведь, интересуясь, например, движением планет, которые в конечном итоге тоже состоят из элементарных частиц, мы могли специально этого не акцентировать.

Причина совершенно ясна: в ядрах атомов частиц так мало, что свойства каждой из них в отдельности не "усредняются", не нивелируются, а, напротив, играют определяющую роль.

Значит, хотя в конечном итоге мы хотим построить здание, начинать придется все же с кирпичей. Это тем более для нас важно, что, не разобравшись в составе ядер, нельзя приступить к рассказу о внутриядерных силах. Здесь опять ядерная физика ставит нас перед новой ситуацией. Действительно, ни гравитационные, ни (хотя и в меньшей степени) электромагнитные силы не потребовали подробного рассказа о том, как устроены, из чего состоят участвующие во взаимодействии куски вещества. "Ядерное вещество" настолько своеобразно, что оторвать вопрос о том, "что взаимодействует", от вопроса о том, "как взаимодействует", невозможно.

Одна маленькая девочка сказала, что гамак - это "много узелков, связанных веревочками".

Так можно было бы сказать о многом. Вот, например, атом. Он тоже состоит из "узлов" - ядер и электронов и "веревочек" - электрических полей, удерживающих все эти частицы. И мы, отвечая на вопрос о составе атома, не упоминаем об этих полях согласно ставшей традиционной манере выделять то, что связано, оставляя в тени, чем связано (это уходит корнями еще в механику). Но в ядре положение радикально меняется. Здесь сами "узелки" в какой-то мере неотделимы от "веревочек". Поэтому-то мы и вспомнили, что сказала девочка о гамаке.

Теперь читателю должно стать яснее, почему, ставя своей главной задачей рассказ о силах, мы все же должны начинать с того, каков состав ядер.

Физикам известно несколько десятков видов более или менее стабильных элементарных частиц^*. Они различаются своими массами, электрическими зарядами и другими, как принято говорить, внутренними свойствами. Выбор, как будто, богатый, строительного материала для атомных ядер на первый взгляд вполне достаточно. Представим же себе сейчас, что перед нами лежат две таблицы - таблица ядер и таблица элементарных частиц. Если говорить о массе, то самое легкое ядро у атома водорода^**. Оно в 1836,12 раза тяжелее электрона и имеет равный с ним по величине, но противоположный по знаку (положительный) заряд. Среди элементарных частиц находится одна - протон, - у которой точно такие же свойства. Значит, состав одного ядра мы расшифровали. Но со всеми остальными ядрами так гладко не получается. Вот, например, ближайший сосед водорода в периодической системе Менделеева - гелий. Ядро гелия (мы пока не будем говорить о так называемых изотопах) почти точно в четыре раза тяжелее водородного. Может быть, оно состоит из четырех протонов? Но тогда бы его электрический заряд был тоже вчетверо больше протонного, а на самом деле он больше только в два раза. Нельзя ли устранить это затруднение, допустив, что в ядре, кроме протонов, находятся и другие частицы, заряженные отрицательно и компенсирующие "лишний" заряд? Если к тому же эти частицы обладают небольшой массой, можно, как будто, свести концы с концами. Такая возможность выглядит на первый взгляд соблазнительно, тем более, что подходящая частица - наш старый знакомый электрон. На первый взгляд... Но почему же тогда и теоретики и экспериментаторы дружно восстали против такой электронно-протонной модели? Их доводы были достаточно вескими. Электрон, оказывается, - слишком легкая частица. Нам еще предстоит познакомиться с этим подробнее.

^*(Не имеет смысла уточнять цифру, так как даже сам критерий элементарности еще далеко не выяснен.)

^**(Масса атома практически совпадает с массой ядра: доля электронов в лучшем случае составляет около пяти сотых процента.)

А сейчас... сейчас мы вдруг убеждаемся, глядя на длинную таблицу элементарных частиц, что говорить об "огромном выборе" не приходится. Выбирать-то как будто и не из чего! Дело в том, что в таблице частиц есть графа: "среднее время жизни". Оно колеблется в весьма широких пределах: от тысячи (примерно) секунд у нейтрона до фантастически маленького промежутка времени, выражающегося числом 2,2·10^-16 у частицы, называемой пи-ноль-мезоном (обозначается π⁰). По истечении этого "времени жизни" частицы распадаются, превращаясь в другие.

Таблица элементарных частиц

Но ведь атомы, а значит, и их ядра (то же ядро гелия, например) не только не распадаются сами по себе, но даже вынудить их к этому очень трудно. Они стабильны. Казалось бы, они и состоять могут лишь из стабильных частиц. Но среди элементарных частиц нет ни одной стабильной, кроме протона и антипротона (исключая легкие частицы, которые, как уже говорилось, не могут ужиться в ядре). Ни одной!

К чему же мы пришли? Из одних протонов ядра состоять не могут - это ясно. Остальные же частицы или слишком легки, чтобы быть составными частями ядер, или нестабильны. Где же выход?

О здравом смысле

Нужно со всей определенностью сказать, что, не будь квантовой механики, мы были бы совершенно беспомощны перед теми загадками, которые задает нам ядро. Здесь в полном смысле слова царство "микрофизики" со всем тем, что нередко кажется парадоксальным с точки зрения наших привычных представлений, воспитанных образами мира больших вещей. Наша интуиция, основанная на классической наглядности, часто становится здесь не союзником, а врагом исследователя.

Возьмем хотя бы уже упоминавшееся обстоятельство, что легкие частицы - во всяком случае электроны - не могут быть составными частями ядра. Классическая теория здесь ничего не объяснит. Вспомнив же соотношение неопределенностей, нам будет легко разобраться в этом вопросе.

Ядра имеют очень маленькие размеры. Многочисленные эксперименты показали, что эти размеры составляют примерно одну стомиллиардную долю миллиметра. Значит, именно такой можно считать неопределенность координаты внутриядерной частицы. Это дает возможность сразу же определить неопределенность импульса, а, следовательно, поскольку масса частицы известна, и скорости.

Сделаем еще один шаг: вспомнив, что кинетическая энергия равняется половине произведения массы на квадрат скорости, найдем разброс в значениях этой энергии. Легко убедиться, что он обратно пропорционален массе частицы. Для тяжелых частиц, например протонов, разброс сравнительно мал, но для электронов он возрастает почти в две тысячи раз и становится значительно больше известной из опыта энергии связи в ядрах, т. е. энергии, с которой взаимодействуют внутриядерные частицы. Но если энергия связи меньше кинетической, то, значит, силы взаимодействия недостаточны, чтобы удержать частицу. Она очень скоро, преодолев взаимодействия, покинет ядро.

Следовательно, даже если легкая частица в силу каких-то причин влетит в ядро, то уже одних энергетических соображений достаточно для доказательства того, что ужиться там она не сможет.

Опять о составе

Итак, строительный материал для ядер нужно искать только среди тяжелых частиц. Таких частиц, не считая хорошо известного нам протона, в современной таблице довольно много: это прежде всего нейтрон и большая группа так называемых гиперонов^*.

^*(Мы не будем говорить об антипротонах, антинейтронах и других античастицах. При встрече античастицы с частицей (например, антипротона с протоном) - а такие встречи в нашем мире неизбежны - происходит то, что физики называют аннигиляцией. Пара исчезает, превращаясь в новые частицы. Из-за аннигиляции ядро, содержащее как частицы, так и античастицы, не может быть долговечным.)

Гипероны, вообще говоря, могут входить в состав ядра. При этом образуются так называемые гипер-ядра, сравнительно недавно обнаруженные на опыте. Однако все гипер-ядра неустойчивы: они очень быстро распадаются, что вовсе не удивительно, так как сами гипероны живут не больше десятимиллионной доли секунды.

У нас в резерве осталась только одна частица - нейтрон. Физики знакомы с нейтроном сравнительно давно: он был открыт молодым тогда ученым Чадвиком в лаборатории Резерфорда еще в 1932 году.

Нейтрон не имеет электрического заряда. По массе он почти совпадает с протоном (протон, как уже говорилось, в 1836 раз, а нейтрон - в 1839 раз тяжелее электрона, т. е. разница незначительная).

Протонно-нейтронная модель

Нейтральная тяжелая частица - не она ли наряду с протоном входит в состав ядер? Например, ядро гелия: оно имеет заряд, вдвое превосходящий протонный, а по массе больше него почти точно в четыре раза. Если предположить, что в этом ядре по два протона и нейтрона, то мы придем как раз к тому, что нужно. Прекрасные результаты получаются и для ядер всех других элементов. Не только заряд и масса - все остальные характеристики также оказываются в превосходного согласии с экспериментом.

Нейтрон настолько активно "напрашивается" на роль ядерной частицы, что по меньшей мере в двух странах - Советском Союзе (Иваненко, Гапон) и Германии (Гейзенберг) практически одновременно, как только появились сведения об опытах Чадвика, были сформулированы основные идеи протонно-нейтронной модели ядра - модели, принятой и общепризнанной поныне.

Ядро гелия

Однако как примирить устойчивость ядер, с одной стороны, и нестабильность нейтрона - с другой? Ведь хотя на фоне других частиц нейтрон и выглядит как сравнительно очень устойчивый, но нельзя же попросту сбросить со счетов, что, просуществовав примерно семнадцать минут, он распадается. Как объяснить тот непреложный факт, что десятки видов ядер живут больше семнадцати минут, а значительное число из них - практически вечно?

Неизменное в изменчивом

Устойчивость... А что, собственно, скрывается за таким словом? Неподвижна водная гладь тихого лесного пруда. И таким же неподвижным, будто остекленевшим, кажется порой низвергающийся со скалы водопад. Но и здесь, и там за кажущейся неподвижностью, за устойчивостью скрывается интенсивное движение. Непрерывно вылетают с поверхности воды молекулы - идет испарение. Одновременно протекает и обратный процесс - молекулы пара захватываются водой. Если эти встречные потоки молекул одинаковы, то уровень воды неменяется - сохраняется равновесие. В водопаде к этому прибавляется еще движение всей массы воды, но и здесь тоже царит равновесие, так как на место каждой ушедшей капли приходит новая, которую в свою очередь сменит следующая.

Стало быть, стабильность, устойчивость вовсе не означает полного отсутствия движения. Важно лишь, чтобы характер этих движений обеспечивал непрерывное восстановление системы. В таких случаях говорят о динамическом, подвижном равновесии. Но является ли устойчивость ядра именно такой динамической устойчивостью? Очевидно, так: другой возможности нет.

За счет чего же может обеспечиваться динамическое равновесие? По-видимому, находясь внутри ядра, нейтрон становится участником таких процессов, на фоне которых его нестабильность перестает играть роль. Что же это за процессы?

http://otdom.ru кормчий православный книжный интернет магазин.