3. Превращение атомных ядер

β-распад

Но всегда ли может быть обеспечено равновесие в ядре? Легко сообразить, что не всегда. Все идет очень хорошо, если протонов и нейтронов одинаковое количество. Ну, а если нейтронов больше? Тогда каждому протону придется "обслуживать", стабилизировать уже не один нейтрон, а больше. В каких-то пределах это еще возможно - когда на два протона приходится примерно не более трех нейтронов: ведь нейтрон все-таки довольно устойчив, и один из них способен подождать, пока другой обменивается с протоном. Но когда мы переступаем этот рубеж, равновесие нарушается. Рано или поздно один из нейтронов, не успев спасительным образом провзаимодействовать с протоном, распадается. Это и есть β-распад. Распавшийся избыточный нейтрон превращается в протон (после чего пропорция частиц в ядре становится устойчивой), а продукты распада - электрон и другие частицы, о которых будет подробно говориться в следующей главе, - вылетают из ядра.

Возможна и обратная ситуация: в ядре больше протонов, чем положено по норме. Это также ведет к неустойчивости^*, теперь уже может не хватить нейтронов, "обслуживающих протоны".

^*(Немаловажную роль играет и то, что между протонами существует электрическое отталкивание. Хотя это отталкивание значительно слабее ядерного (мезонного - можем мы теперь сказать) притяжения, все же ядро становится тем более крепко спаянной, - а, значит, и устойчивой - системой, чем больший удельный вес в нем имеют нейтроны. Коротко говоря, изобилие протонов энергетически невыгодно.)

Мы знаем, что свободный протон, в отличие от нейтрона, не распадается. Оно и понятно. Ведь нейтрон тяжелее протона и может, передав разницу в массах рождающимся частицам, превратиться в него. А во что превращаться протону? Но мы знаем теперь также, что для частиц, находящихся в ядре, разница в массах из-за соотношения неопределенностей перестает играть решающую роль. Ведь сами массы (как и пропорциональные им энергии) могут быть фиксированы лишь с довольно большой неточностью.

Это снимает запрет с протона, и он получает возможность при соответствующих условиях распадаться подобно нейтрону. Разница, конечно, имеется. Если нейтрон может испускать отрицательную частицу - электрон, то протон - положительную, позитрон. При позитронном распаде естественно один из протонов - лишний - превращается в нейтрон и восстанавливается равновесное соотношение между числом частиц.

Приведем в качестве примера водород. Ядро состоит из одного-единственного протона и, разумеется, устойчиво. Если добавить к этому протону один нейтрон, то заряд ядра не изменится. Значит, останется прежним число электронов в атоме (в данном случае оно равно единице) - и, стало быть, химические свойства не изменятся. Элемент никуда не переместится из первой клеточки менделеевской таблицы, но вес каждого атома (фактически ядра) возрастет вдвое. Это так называемый тяжелый водород, дейтерий. Ядро дейтерия (его часто называют дейтоном) вполне устойчиво, как то и должно быть в свете предыдущих рассуждений.

Но попытаемся добавить к дейтону еще один нейтрон. Получающаяся система из одного протона и двух нейтронов - так называемый тритий - также является ядром одного из изотопов^* водорода. Но этот изотоп уже не может быть устойчивым, и действительно, испытав электронный β-распад (β^-), тритий превращается в тот изотоп гелия, ядро которого содержит два протона и один нейтрон (что уже находится, правда с натяжкой, в пределах стабильной нормы). Еще менее устойчивым, чем тритий, является изотоп водорода, в ядре которого на один протон приходится три нейтрона.

^*(Изотопами называются элементы с одинаковыми химическими свойствами, но с различной массой атомов (т. е., как мы теперь понимаем, с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов в ядрах).)

Можно было бы разобрать и другие примеры, но принцип настолько прост, что читатель, вероятно, без труда сумеет теперь самостоятельно выписывать таблицы стабильных и радиоактивных элементов и ошибется разве что лишь в тех немногих случаях, когда в игру вступают более тонкие и сложные факторы, касающиеся конфигурации частиц в ядре.

α-распад

Обратимся теперь к рассмотрению α-распада. Это явление, обнаруженное (как и β-распад) в конце прошлого века Беккерелем, стало вскоре предметом внимательного экспериментального изучения. В первую очередь здесь нужно отметить работы Марии и Пьера Кюри, а также Резерфорда и целого ряда других ученых. Вот что они обнаружили. При α-распаде из ядра вылетает частица, уносящая положительный заряд, равный двум (в электронных единицах), и массу, почти точно вчетверо большую, чем у протона. По всем признакам α-частица - это просто ядро гелия, т. е. пара протонов и пара нейтронов, тесно спаянные воедино.

Почему же происходит α-распад? Почему он присущ только тяжелым ядрам? Почему одни ядра распадаются очень быстро, в то время как другие, прежде чем выбросить α-частицу, существуют миллиарды лет? Вот самые первые вопросы, над которыми приходится здесь задумываться.

Прежде всего укажем на бросающееся в глаза различие между β- и α-распадом. Если в первом из ядра вылетают частицы, которых там раньше не было и которые, следовательно, должны были возникнуть, родиться в самом процессе, то при α-излучении ядро выбрасывает явно какую-то свою составную часть.

Существует ли α-частица, так сказать, в готовом виде, как единое целое внутри ядра, или два протона и два нейтрона "слипаются" непосредственно перед вылетом? Скорее всего второе, - такова наиболее распространенная точка зрения (хотя иногда высказывается и обратное мнение). Но несомненно одно: α-частица - исключительно компактная, устойчивая, крепко сцементированная система и возникает она (непосредственно ли перед испусканием или раньше) внутри ядра.

Какие же силы выталкивают α-частицу? Конечно, она несет электрический заряд, причем того же знака, что и все ядро, и, следовательно, между ядром и α-частицей должно существовать отталкивание. Но внутри ядра оно значительно перекрывается ядерным (мезонным) притяжением. Ведь если бы этого не было, как уже говорилось, все ядра должны были бы разлететься на составные части.

Прыжок через стенку

Однако, если силы притяжения больше, чем отталкивания, каким образом вообще может произойти распад? Здесь мы опять стоим перед специфически квантовым эффектом. Может ли лежащая в кастрюле картофелина сама собой выпрыгнуть из нее? Конечно, нет, - ведь у этой картофелины недостаточно энергии, чтобы подняться до краев кастрюли. Не может, раздвинув ваши пальцы, вырваться из рук карандаш, - ему также мешает удерживающее его усилие. Но карандаш и картофелина - классические, большие или, повторяя уже известный вам термин, макроскопические объекты, состоящие из огромного числа частиц. А в α-частице всего два протона и два нейтрона. Значит, корпускулярно-волновой дуализм и вытекающее из него соотношение неопределенностей должны сказываться очень сильно, α-частица тоже в известном смысле находится в сосуде. Этим сосудом является ядро. Следовательно, должна существовать неопределенность импульса и разброс энергий. Это выглядит примерно так, возвращаясь опять к примеру с картофелиной, как если бы ее все время трясли, подталкивали, одним словом, двигали. При этом вполне возможно, что в какой-то момент кинетическая энергия возросла бы настолько, что стал возможным прыжок через стенку.

Нельзя, конечно, переносить это буквально на ядро. Никакой стенкой, никаким забором оно не окружено. Здесь за счет разброса энергии появляется возможность вырваться из плена ядерных притяжений и вылететь за пределы ядра. И как только это произошло, как только α-частица "переступила порог ядра", силы притяжения резко падают, - ведь они короткодействующие. И здесь господствующими становятся электрические силы отталкивания, которые убывают гораздо медленнее. Они буквально отшвыривают α-частицы от ядра, разгоняя их до очень больших энергий. Вот почему α-частицы летят со столь огромными скоростями.

Что упущено?

В наших рассуждениях есть одно туманное место. Почему из ядра вылетает α-частица, а не один, скажем, протон?^* Ведь все рассуждения относительно неопределенности импульса и разброса энергии применимы и к этому случаю. Что-то очень существенное выпало, очевидно, из наших рассуждений. Попытаемся разобраться, что именно.

^*(Совсем недавно советскими физиками обнаружен и протонный распад ядер. Однако это исключительно редкое явление.)

Разброс энергии в пересчете на одну частицу и в том и в другом случае одинаков. Силы отталкивания? Поскольку в α-частицах два нейтрона, т. е. половина системы не имеет заряда, отталкивание в "чисто-протонном" выражении даже вдвое больше. И если все-таки выбрасываются не протоны, а ядра гелия, то причиной, очевидно, может быть лишь одно: связи, удерживающие в ядре одну частицу - протон, - больше чем те, которые удерживают α-частицу.

Насыщение ядерных сил

Обратимся к простой модели, которая поможет нам пояснить суть дела. Представьте себе набор шариков, от каждого из которых отходят четыре нити. Будем связывать их вместе, стараясь использовать все нити. Вот один из способов соединения шариков (I). Это, так сказать, пример равномерных связей: все шарики находятся в равных условиях. Легко сообразить, что вырвать из получившейся цепочки любую группу шариков не легче (т. е. нужно порвать не меньше нитей), чем один.

Ядерные силы

Но вот другая схема соединения (II). Теперь картина существенно изменилась: для того, чтобы вырвать один шарик (так и хочется сказать: одну частицу), по-прежнему нужно разорвать четыре нити. И в то же время появилась группа, связанная с остальной системой всего двумя нитями. Заметьте, что сама эта группа очень устойчива: в ней появилась "дополнительная связь" - еще одна внутренняя ниточка.

Разобщение групп

Именно эта акцентировка внутренних связей ослабляет внешние соединения группы с остальными шариками системы.

Можно, наконец, нарисовать еще две схемы, на которых это обстоятельство отражается предельно резко: здесь усиление внутренних соединений приводит к полному разобщению групп. Все ниточки пошли на внутренние соединения, так что на "внешние связи" ничего не осталось.

Налицо очевидно положение: чем крепче связи внутри определенной группы шариков, тем меньше нитей связывает их с остальными и тем легче, следовательно, вырвать эту группу из системы.

Конечно, ничего подобного не будет, если к нашему шарику можно было бы привязывать сколько угодно нитей. Дело, стало быть, в том, что каждый шарик способен прикрепляться к ограниченному числу своих соседей.

Это последнее обстоятельство чрезвычайно существенно и заслуживает того, чтобы его подчеркнуть. Ведь если нечто подобное проявляется в ядрах, то мы напали на интереснейшую особенность ядерных сил.

Но, может быть, мы ищем аналогии там, где их нет? Многие факты, однако, убеждают, что такая аналогия может быть проведена и притом это будет самая близкая аналогия.

Прежде всего α-частица, - несомненно, очень тесно спаянная частица. Ведь недаром она сама как некий монолитный снаряд часто применяется для бомбардировки других ядер. Не может ли именно эта монолитность являться причиной сравнительно слабого притяжения со стороны остальных внутриядерных частиц?

Нельзя ли, как и в модели с шариками, представлять себе, что каждый протон или нейтрон активно взаимодействует лишь со сравнительно небольшим количеством окружающих его частиц? Есть для этого основания? Есть! Собственно, мы уже пришли к этому раньше, когда обсуждали β-распад. Вспомните, там говорилось, что каждый протон, например, может "обслужить", обеспечить устойчивость лишь одного- двух нейтронов. Но ведь за этим "обслужить" скрывается обмен заряженными мезонами (сказанное не относится к π⁰-мезонам, которые можно считать создающими некоторый примерно одинаковый для всех частиц "фон притяжения"). Однако этот же обмен мезонами не только является предохранительным клапаном против β-распада, но играет и другую важнейшую роль: он осуществляет взаимодействие!

Сам собой напрашивается вывод: значит, и в отношении взаимодействия каждая внутриядерная частица может "обслужить" только своих ближайших соседей. Почему ближайших? Да просто потому, что ядерные силы, как мы уже знаем, "чувствуются" лишь на очень малых расстояниях. У физиков принято говорить об этом как о явлении насыщения ядерных сил.

О существовании насыщения говорит и еще один интересный факт, известный как закон примерного постоянства ядерной плотности. Экспериментаторы установили, что размер ядер растет как корень кубический из общего числа заключенных в них частиц. Иными словами, объем (пропорциональный кубу радиуса) увеличивается прямо пропорционально этому числу. Объем, приходящийся на каждую частицу, следовательно, во всех ядрах практически остается одним и тем же. Попробуем дать этому объяснение. Представьте себе, что соединятся два ядра - о таком слиянии нам еще придется поговорить подробнее. Если бы все частицы взаимодействовали со всеми, при таком соединении должна была бы произойти "усадка". Частицы оказались бы за счет возросшего притяжения спрессованными теснее, чем раньше. Но этого не происходит - объем, отведенный каждой частице, не уменьшается. Значит, большинство частиц (практически все, кроме находящихся на стыке) не почувствует никакого изменения взаимодействий. Это как раз и объясняется тем, что для действующих на них сил уже наступило насыщение, и появление поблизости новых частиц ничего не прибавляет к этим силам.

Теперь, когда мы познакомились с явлением насыщения и когда выясняется правомерность аналогии с рассмотренной только что моделью, нам открывается путь к пониманию наиболее существенных особенностей α-распада.

Например, хорошо известно, что "более охотно" α-распадаются относительно тяжелые, состоящие из многих частиц ядра. Дело, очевидно, просто в том, что при малом числе частиц насыщение в полной мере еще не сказывается.

Нетрудно нам теперь ответить и на вопрос, с которого мы начинали: почему из ядер чаще всего вылетает группа из четырех частиц - двух протонов и двух нейтронов, а не отдельные частицы? Мы ведь теперь убедились, что из-за слипания протонов и нейтронов в α-частицу уменьшаются их связи со всем остальным окружением. А стоит этому случиться, как обусловленного принципом неопределенностей разброса энергии оказывается вполне достаточно, чтобы произошел α-распад.

Итак, мы разобрались в двух типах ядерной неустойчивости. Нам осталось еще добавить несколько слов о третьем типе - делении ядер.

Деление ядер

Как видно уже из самого названия, деление - это не испускание ядром какой-то маленькой группы частиц, как это было в предыдущих случаях, а "развал" ядра почти на равные части. Делиться могут только очень тяжелые ядра, в состав которых входит более 250 частиц. Это само уже дает ключ к пониманию процесса. Мы знаем теперь, что ядерные силы чувствуются только на очень малых расстояниях, знаем о насыщении, и нам нетрудно представить себе, что произойдет в ядрах, в которых частиц такое огромное количество. Различные части ядер при этом должны жить почти совершенно автономно. Расположенные на противоположных краях, частицы практически почти не связаны. Стоит только немного "встряхнуть" такое ядро - и оно разваливается пополам. Так от малейшего толчка, даже просто под действием собственного веса разваливается кусок глины, так разбивается пополам, даже от легкого сотрясения, большая капля ртути. (Заметьте, что маленькие капли, маленький комочек глины гораздо прочнее.) Это, во всяком случае с качественной стороны, кажется таким простым и наглядным, что можно было бы и закончить рассказ о делении, если бы не одно очень существенное обстоятельство. Взглянув на таблицу ядер (а ею фактически может быть менделеевская таблица), мы сразу же обнаружим, что масса ядер растет от элемента к элементу быстрее, чем заряд. Другими словами, количество протонов в ядрах увеличивается медленнее, чем число нейтронов.

Совсем нетрудно понять причину этого. У электрических сил отталкивания отсутствует насыщение. Каждый протон взаимодействует со всеми остальными, сколько бы их ни было (здесь сказывается и то, что кулоновские силы чувствуются и на больших расстояниях). По мере возрастания числа протонов силы отталкивания становятся все более значительными. Скомпенсироваться они могут только за счет появления в ядре все большего и большего количества нейтронов, не чувствующих электрического отталкивания и в то же время вносящих свою долю в ядерное притяжение. Чтобы это притяжение могло расти быстрее электрического отталкивания, прослойка нейтронов должна становиться от ядра к ядру все значительнее. Ведь каждый протон (насыщение ядерных сил!) притягивается отнюдь не всеми, а только ближайшими к нему частицами. Естественно поэтому, что по мере увеличения числа частиц в ядре удельный вес нейтронов должен непрерывно возрастать.

А теперь представьте себе, что произошло деление какого-то тяжелого ядра. Например, ядра изотопа урана-239 с 92 протонами и 147 нейтронами. Будем, простоты ради, считать, что это ядро разделилось примерно пополам. Тогда в каждом из осколков должно быть по 46 протонов и 73 - 74 нейтрона. Количество протонов, а значит и заряд ядра (в электронных единицах), совпадает с номером элемента в менделеевской периодической системе. Следовательно, осколки являются ядрами палладия. Но самый устойчивый изотоп палладия имеет в ядре 61 нейтрон. Куда же денутся лишние 12 - 13 нейтронов, приходящиеся на каждый из осколков? Конечно, они могут за счет β-распада превратиться в протоны. Однако, поскольку деление происходит очень быстро, успевает произойти нечто еще более простое (конечно, простое только по внешности). Часть лишних нейтронов просто выбрасывается, становится свободной. Это-то высвобождение нейтронов позволяет существовать тому, что известно под названием цепной реакции. Действительно, если собрать вместе некоторое количество делящихся ядер, то рано или поздно под действием каких-либо внешних факторов, а порой и самопроизвольно одно из них распадается на осколки. Вылетающие при этом нейтроны беспрепятственно (ведь они не испытывают электрического отталкивания) влетают в соседние ядра и вызывают их незначительную, но все же достаточную, чтобы они в свою очередь разделились, встряску. Новые деления вызывают поток новых нейтронов, и процесс лавиной нарастает, очень быстро, как огонь солому, охватывая все делящиеся ядра^*.

^*(Мы, разумеется, несколько схематизировали цепную реакцию деления. В действительности не все нейтроны захватываются делящимися ядрами, а захваченные не всегда вызывают деление).

И поскольку при каждом делении осколки приобретают огромные энергии - электрическое отталкивание с колоссальной силой отбрасывает их друг от друга - в делящемся веществе очень быстро выделяется большое количество энергии, уносимой электромагнитным и другими излучениями, а также много тепла, которое может быть использовано. Миллионы людей на Земле борются за то, чтобы использовать это на благо жителей нашей планеты.

Между прочим, это техническое использование ядерного деления в одном пункте родственно применению... колеса. Ведь ни то, ни другое подсмотреть в природе невозможно.

Мы очень сильно уклонились бы от нашей основной задачи, если бы стали подробно рассказывать, например, о промышленных установках, в которых используется энергия, освобождающаяся при делении ядер, о ядерных реакторах, о ядерной энергетике вообще. Но коль скоро мы заговорили о ядерных источниках энергии, нельзя не сказать о так называемых термоядерных реакциях.

Когда ядра сливаются

Человек с незапамятных времен использует энергию, выделяющуюся в реакциях слияния, соединения. С тех пор, как он научился пользоваться огнем. Но это - химическое "слияние": соединение атомов кислорода с атомами и молекулами горючего. Почему здесь выделяется энергия? Почему, например, таким жарким пламенем горит (а иногда и взрывается) смесь водорода и кислорода? Да просто потому, что у атомов кислорода и водорода, взятых в отдельности, энергия больше, чем у молекул воды, которые образуются при их соединении. Эта-то разница в энергии и освобождается, выделяется при горении.

Легко убедиться в возможности аналогичного "ядерного горения". Для этого нужно только проанализировать, при каких условиях может происходить слияние ядер.

Проще всего, на первый взгляд, добиться слияния нейтронов. Ведь между ними действуют только силы притяжения. Но нейтроны невозможно хранить, они проникают через любые стенки (или поглощаются в их толще), да, кроме того, нельзя забывать и об их нестабильности. Слияние двух протонов также вряд ли стоит обсуждать. Слишком большую роль играет здесь электрическое отталкивание. А вот ядра дейтерия (тяжелого водорода) - дейтоны находятся в совсем ином положении. Они стабильны. Это устойчивая система из одного протона и одного нейтрона. Но еще более устойчиво ядро гелия, которое должно получиться при слиянии двух дейтоонов. Недаром при радиоактивном распаде вылетают именно α-частицы, а не дейтоны. Да и мезонная модель взаимодействия качественно приводит к такому выводу. В дейтоне только две частицы обмениваются мезонами и при этом имеются "скованные возможности". Если, например, протон испустил π⁺-мезон и превратился в нейтрон, то этому нейтрону нужно подождать, пока его партнер, поглотив испущенный π⁺-мезон, превратится в протон. Только после этого снова оказывается возможным обмен заряженными мезонами. Совершенно очевидно, что в ядре гелия возможности обмена значительно богаче. Но чем оживленнее обмен мезонами, тем крепче спаяна система. Значит, два дейтона, столкнувшись, действительно могут слиться. При этом должна освободиться энергия (и немалая, нужно добавить), подобно тому, как она выделяется при любом химическом слиянии.

А как же электрическое отталкивание? - спросит читатель. Разумеется, оно существует. Больше того, из-за этого отталкивания очень трудно сблизить два дейтона. Но если все же удается преодолеть электрические силы (а они начинают сказываться уже на больших расстояниях) и свести дейтоны настолько близко, что в игру вступают короткодействующие ядерные притяжения, то они совершенно подавляют отталкивание.

Важно, таким образом, сблизить дейтоны - и если это удастся, затраченная работа окупится буквально сторицей. Но как это сделать, как сблизить дейтоны?

Один из способов - нагреть тяжелый водород до температур в десятки миллионов градусов. При таких температурах энергия теплового движения становится достаточной, чтобы преодолеть броню электрических сил. Ядра при соударениях сближаются настолько, что мезонные взаимодействия успевают сковывать их. Происходит термоядерная реакция - слияние за счет сверхвысоких температур. И, как уже говорилось, при этом выделяются огромные энергии, отчего температуры становятся еще больше. Процесс ядерного горения становится самоподдерживающимся, пока не иссякнет топливо.

Термоядерные процессы в природе совсем не представляют собой чего-то редкого и исключительного. Горение всех звезд, в частности нашего Солнца, обязано термоядерному слиянию. Правда, здесь картина несколько сложнее. Она не сводится просто к образованию гелия из дейтонов. В реакции вовлекается целая цепочка ядер, однако принципиальная сторона дела от этого не меняется.

Нам остается добавить к сказанному еще несколько слов. Слияние каких ядер возможно? Конечно, в основном легких: ведь чем больше в ядре протонов, тем труднее преодолеть электрическое отталкивание. Но есть и еще одно, более важное обстоятельство. У слишком тяжелых ядер начинает сказываться явление насыщения ядерных сил, и тогда слияние невозможно. Причем роль насыщения ядерных сил здесь очень напоминает роль насыщения химических сил при образовании молекул, о чем мы говорили в свое время. Таким образом, выбор топлива не вызывает больших колебаний.

Мы еще не умеем осуществлять управляемую термоядерную реакцию. Над этим настойчиво работают крупнейшие научные учреждения. Обуздать термоядерную реакцию - значит практически навсегда решить достаточно актуальную проблему энергетических ресурсов человечества.

Что мы узнали?

Теперь, пожалуй, можно заканчивать рассказ о ядерных силах. Мы выяснили много важного и интересного. Прежде всего, в буквальном смысле этого слова о силах в ядре говорить нельзя. Ведь сила - это чисто классическая, неквантовая величина, равная произведению массы на ускорение. Корпускулярно-волновой дуализм приводит к невозможности точного задания координаты и скорости, а, значит, и ускорения. Следовательно, ни о каких силах в механическом смысле в микромире говорить не приходится. Здесь другие мерила взаимодействия. Самым простым из них является средняя энергия связи. Вспомните соотношение неопределенностей для энергии и времени. Устойчивые ядра существуют практически как угодно долго. Значит, для них неопределенность времени можно считать бесконечно большой. Но тогда неопределенность энергии (заметьте - для всего ядра, а не для составляющих его частиц!) должна быть бесконечно малой. Ведь эти неопределенности обратно пропорциональны друг другу. Именно отсутствие разброса энергии и позволяет сохранить и для чисто квантового объекта, каким является ядро, энергию как характеристику взаимодействия.

Мы показали, что взаимодействие возникает в результате обмена промежуточными частицами. Оценив массу последних, мы пришли к мезонной картине взаимодействия. При этом удалось замечательным образом объяснить сразу не только важные особенности внутриядерных взаимодействий - их короткодействующий характер, насыщение, так называемую зарядовую независимость (т. е. независимость ядерных сил, действующих на частицу, от того, несет ли она электрический заряд), но и разрешить один из самых существенных парадоксов (кажущихся, конечно): как можно объяснить устойчивость ядер, построенных при участии таких нестабильных частиц, как нейтроны.

Но нам удалось пойти еще дальше: объяснить основные черты β- и α-распада, разобраться в реакциях деления и слияния ядер. Наши возможности еще не исчерпаны. Можно, например, опираясь на полученные результаты, сразу же указать, что π-мезоны как переносчики ядерного взаимодействия не являются монополистами (хотя они и играют основную роль). Переносить взаимодействие могут любые кванты, которые способны испускаться и поглощаться ядерными частицами. И чем тяжелее эти кванты, тем меньше радиус соответствующих сил. В качестве примера молено указать на так называемые К-мезоны, открытые сравнительно недавно. У них примерно в 970 раз большая масса, чем у электронов (это более чем в три раза превышает массу π-мезона), и, значит, переносимые нашими частицами взаимодействия должны сказываться на расстояниях втрое меньших, чем π-мезонные^*.

^*(Роль К-мезонного взаимодействия особенно существенна в так называемых гипер-ядрах (о них несколько слов было уже сказано), т. е. ядрах, в состав которых кроме протонов и нейтронов входят и гипероны - сверхтяжелые частицы с массами примерно в 2200, 2300, 2500 электронных масс.)

Есть и еще одна чрезвычайно важная проблема, которую нельзя не отметить, когда рассматривается вопрос о ядерных силах. Вот мы говорили: протон испускает π-мезон, поглощаемый соседним нейтроном. А почему, собственно, только соседним? Ведь сам протон превращается при этом в нейтрон, который ничуть не хуже всех окружающих, - значит, он и сам может захватить собственный мезон. Аналогичный процесс возможен и у нейтрона^*. В результате должно возникать взаимодействие - только не с другими частицами, но и с самим собой, подобное электромагнитному самодействию. Особенно важно, что и протон и нейтрон должны, в соответствии с такой картиной, рассматриваться как некая очень сложная система: в центре "нечто", какая-то сердцевина, а вокруг - облако непрерывно испускаемых и вновь поглощаемых мезонов. (Заметим, кстати, что взаимодействие различных частиц можно рассматривать как частичное смешивание таких облаков.) Мезоны заряжены - значит можно ставить вопрос о распределении электрического заряда в этом облаке. Но ведь это шаг к выяснению структуры элементарных частиц! А еще вчера слово "элементарный" для многих было синонимом "бесструктурный". И слова о структуре частиц - это не только домыслы теоретиков. В замечательных опытах Хофштадтера, уже упоминавшихся в нашей книге, эта структура была нащупана экспериментально. Это ли не прекрасное подтверждение правильности теории?

^*(Из сказанного, в частности, следует, что резкой грани между протоном и нейтроном нет. Их скорее нужно рассматривать как различные состояния одной и той же частицы (физики говорят: зарядовые состояния). Для них даже существует общее название - нуклон.)

Белые пятна

Чему же в таком случае приписать те слова о "белых пятнах", с которых мы начинали эту главу? Казалось бы, успехи теории так велики и бесспорны. Не только объяснены ядерные взаимодействия, нам даже удалось "заглянуть" внутрь частиц! Да, все это удалось - и о многом мы еще здесь не имели возможности упомянуть, - но удалось только в пределах качественного описания. Качественно, но увы, не количественно!

Как только физики пытаются перевести все приведенные рассуждения на строгий язык уравнений и формул, сразу же возникает целый лес трудностей, многие из которых (да почти все) еще не удалось преодолеть. Есть и такие пункты, в которых теория пока не может похвалиться даже качественным описанием.

Например, очевидно, что на очень маленьких расстояниях (как говорят, "порядка собственных размеров частиц") притяжение должно сменяться отталкиванием. Однако, как последовательно описать возникновение этого отталкивания, нужно откровенно признать: мы еще достоверно не знаем.

Не знаем мы и много других, гораздо более простых, на первый взгляд, вещей. Нам даже не очень хорошо известны формы различных ядер, расположение в них частиц.

Впрочем, в описании структуры, а значит, и формы ядра достигнут значительный успех.

Ядра (во всяком случае тяжелые ядра) - это системы из многих очень сильно друг с другом взаимодействующих частиц. Теоретикам справляться с такими системами нелегко. Приходится строить приближенные теории. Одной из первых таких теорий была капельная (или гидродинамическая) теория Нильса Бора. Ядро во многом похоже на каплю. Молекулы в жидкости связаны короткодействующими силами; мал радиус действия и сил притяжения частиц в ядре (хотя природа их совсем иная). Ко это еще не все.

В жидкости на одну молекулу (как и в ядре на один нуклон) приходится всегда примерно один и тот же объем. Сходство внешнего рисунка взаимодействий делает гидродинамический подход к ядру очень заманчивым и, как оказалось, плодотворным. Капельная модель удобна при описании деления ядер, полезные формулы получаются и для колебаний ядер-капель, т. е. перехода к возбужденным состояниям. Но, разумеется, гидродинамический подход в ряде случаев слишком грубо отражает свойства ядер. В частности, вопрос о форме ядер в гидродинамическом подходе решается однозначно: невозбужденная капля сферически симметрична.

Следующий шаг в теории ядра связан с так называемой оболочечной моделью. Вы помните, что электроны в атомах располагаются слоями, оболочками, каждая из которых имеет определенную энергию, магнитный и механический моменты и т. д.

Оказывается, в рамках разумных приближений можно ввести представления об оболочках и в ядрах.

Ядро, как уже говорилось, - многочастичная система с чрезвычайно сложными внутренними связями, к тому же меняющимися каждое мгновение. Но именно такие системы описываются с помощью усредненных величин. Подумаем теперь, каким же является усредненное воздействие на каждую частицу. В толще ядра каждая частица испытывает в среднем одинаковое воздействие со всех сторон (сказывается влияние лишь ближайших соседей!), так что эти воздействия взаимно компенсируются. На границе же появляются силы, направленные внутрь ядра. Получается, что каждая частица находится как будто в яме, по дну которой она может беспрепятственно перекатываться, но стенки которой не выпускают ее наружу. Если теперь по всем правилам квантовой теории решить задачу о движении частиц в "потенциальной яме", учитывая принцип Паули, то получится, что нуклоны должны располагаться в ядре некоторыми оболочками.

Оболочечная модель во многом богаче капельной. Однако эти две модели нужно не противопоставлять друг другу, а рассматривать как взаимодополняющие.

Из оболочечной теории следует, что наиболее устойчивы ядра, у которых полностью "укомплектовано" целое число оболочек. К их числу относится, например, α-частица, ядро кислорода О₈¹⁶ и др. Но вот, скажем, ядро О₈¹⁷. В нем появился один "лишний" нейтрон. Он может прилепиться лишь где-то поверх заполненных оболочек. Но и оболочки не останутся неизменными - ведь они оказались в сфере воздействия новой, причем движущейся частицы. Получается сложная картина, в которой переплетаются черты и оболочечной, и капельной моделей.

Что же касается формы, то после всего, что только что было сказано, становится ясным, что она, вообще говоря, очень сложна. Как показал А. С. Давыдов, форма ядер существенно сказывается на их свойствах и может быть изучена весьма досконально.

Читатель, вероятно, заметил, что все рассуждения о структуре ядра абсолютно не затронули мезонной теории ядерных сил.

Полной динамической теории, опирающейся на детальный анализ физической картины взаимодействий, пока не существует.

Здесь и простирается та область "белых пятен", которую с огромной энергией штурмует армия ученых.

И первые, очень существенные успехи уже есть. Мы уже знаем, что нарисованная нами качественная картина - пусть приближенно - соответствует реальной действительности. Появляются и количественные теории. Иногда они строятся в русле теперь уже привычных квантово-полевых представлений, иногда делается попытка найти какой-то новый подход, опирающийся на дополнительные гипотезы.

И можно не сомневаться, что каждый существенный шаг в физике ядерных сил будет одновременно шагом к более полному ответу на основной вопрос физики: как устроено вещество.

https://вывески36.рф печать баннеров.