Вера Черногорова - Загадки микромира

И вот сейчас на переднем крае современной науки «разводит пары» «скорая помощь» с пи- и мю-мезонами на борту, направляющаяся по маршруту «физика элементарных частиц — химия».

Сотрудники лаборатории ядерных проблем впервые обнаружили, что характеристики рентгеновского излучения из мезоатомов отражают особенности химического строения вещества мишени. Исследуя окислы разных элементов, физики нашли четкую периодичность свойств мезорентгеновского излучения. Не будь периодическая система элементов открыта 100 лет назад, ее можно было предсказать на основании опытов с мюонами.

Мю-минус-мезон, попадая в какой-нибудь атом, успевает до захвата его ядром послать серию сигналов — рентгеновское излучение, — по которым нетрудно догадаться, в «плену» у какого атома он находится.

А могут ли ученые определить, какое вещество находится в наглухо запертой коробке? Сколько ни верти ее в руках, узнать, что у нее внутри, невозможно. На помощь приходит физик-экспериментатор, работающий на мю-мезонном пучке. Облучив коробку отрицательными мезонами, он тут же по идущему от нее рентгеновскому излучению узнает, какие химические элементы в ней находятся.

Тонкий, как карандаш, пучок элементарных частиц, создаваемый на Лос-Аламосской «мезонной фабрике» в США, без труда проникнет в любой внутренний орган человека и даст возможность сравнить излучение здоровой ткани с излучением, испускаемым тканью заболевшей. Ранняя медицинская диагностика — необходимейшее условие для быстрого выздоровления человека — вот что может дать фундаментальное исследование свойств мезоатомов.

Удивительным было также открытие влияния электронной структуры водородсодержащих соединений на вероятность ядерной реакции поглощения отрицательно заряженных пи-мезонов протонами. Пи-мезоны приобрели вторую специальность. Их способность быстро разбираться, в каких условиях находятся атомы водорода в молекулах сложных веществ, открывает перед этими частицами много химических тайн.

Как влияют друг на друга растворитель и растворенное в нем вещество? Этот вопрос оставался без ответа десятки лет. Д. Менделеев предполагал, что растворение не механическое дробление на все более мелкие частицы вплоть до молекул, а химическое взаимодействие. Но доказательств ни у него, ни у последующих поколений химиков не было.

Не так давно физики поместили в пучок пи-мезонов, вылетающих из синхроциклотрона лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, сначала мишень, наполненную дистиллированной водой, а потом — ту же мишень, содержащую водный раствор определенного вещества. И что же? Во втором случае вероятность захвата пи-мезонов изменилась, значит, изменилась электронная структура молекул воды. Так было получено свидетельство вступления воды в химическую реакцию с растворенным веществом.

Что такое кислота? Прямой ответ на вопрос затруднителен даже для специалистов. В монографии «Теоретическая неорганическая химия», изданной в 1969 году, черным по белому написано: «И все-таки после трех столетий работы с кислотами еще нет единого мнения по определению понятия „кислота“ и по теории их свойств».

В чем же трудность? Возможно, в том, что до сих пор нет четкого определения главного свойства кислот — их силы. Рассуждения о том, что сила кислоты, по-видимому, связана со структурой ее молекулы, не новость для химиков. Но в их руках не было подходящего инструмента для измерения плотности электронов в разных местах молекулы. И дело не двигалось до тех пор, пока на помощь не подоспели физики.

Несколько кислот одна за другой подверглись воздействию пи-мезонного зонда. По изменению процесса захвата пи-мезонов водородом, входящим в состав этих кислот, нашли распределение плотности электронов в молекулах. А когда по полученным результатам кислоты расположили в ряд, оказалось, что точно в таком же порядке они следуют по убыванию их силы. Мезонный «силомер» не подвел.

Мезонный метод исследования вещества — крупное достижение ученых социалистических стран. Мезохимия сейчас бурно развивается. Она уже вышла за стены лаборатории ядерных проблем. Дубна сегодня — признанный всеми центр мезохимических исследований. Сюда приезжают ученые многих стран для стажировки в новой области науки.

Глубинные исследования в физике элементарных частиц способствовали появлению нового мощного побега на древе науки. И на ветвях его скоро засверкают драгоценные плоды.

Наверное, недалеко то время, когда будут созданы комплексные комбинаты науки. К мощному сильноточному ускорителю протонов будут примыкать институты физики и биологии, институт получения вторичного ядерного топлива, промышленные научные институты, больницы и другие учреждения. И конечно же, атомная электростанция, горючее для которой поставляет сам ускоритель и которая снабжает весь этот комплекс почти бесплатной энергией.

Над нашей головой — бездонная глубина постоянно меняющегося неба. Оно то покрыто облаками и тучами, то играет всеми переливами голубого и синего цвета. Небо воспевают лирики и рисуют пейзажисты. И даже физики, которые рассматривают его всего лишь как атмосферу, видят в этом слове элемент романтики — романтики науки.

Вместе с атмосферой человек получил в свое распоряжение целую природную лабораторию. Узнал он об этом не так давно, в начале нашего столетия, хотя понятие об атмосфере возникло намного раньше. Сейчас физик знает, что в межзвездном безвоздушном пространстве, словно в вакуумной камере ускорителя, почти со скоростью света летят протоны, из которых на 95 процентов состоит первичное космическое излучение. Долетев до атмосферы Земли, протоны вторгаются в нее. Что при этом происходит?

Да то же самое, что и на Серпуховском ускорителе при столкновении пучка протонов с мишенью. Только в природных условиях событие это гораздо фееричнее, Протоны космических лучей с чудовищной энергией сталкиваются с атмосферой и разбиваются на множество отдельных брызг — элементарных частиц, осыпающих поверхность Земли.

Итак, наше прекрасное синее небо не что иное, как мишень космического протонного ускорителя. Этому ускорителю принадлежит рекорд не только по энергии, но и по числу открытых на нем учеными элементарных частиц.

Электроны, фотоны, протоны, нейтроны — вот перечень частиц, открытых еще до создания ускорителей и без участия космических лучей. Но физика элементарных частиц родилась лишь тогда, когда в камере Вильсона была впервые обнаружена «продукция» космического ускорителя: позитроны, мю-мезоны, пи-мезоны, ка-мезоны, гипероны…