Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Очень чувствительное к изменению расстояния между зарядами, электромагнитное взаимодействие удесятеряет свою мощь в микромире. Обычное электростатическое притяжение удерживает вокруг положительно заряженного ядра все атомные электроны, а число их в некоторых тяжелых элементах достигает сотни.

Электростатические силы действуют и внутри ядра. Но они не могут быть цементирующей силой: все протоны, имеющие одинаковый положительный электрический заряд, отталкивают друг друга и стремятся разорвать ядро. В конце концов это и должно наступить.

Наконец непонятно было, что заставляет оставаться пленниками ядра нейтральные частицы — нейтроны. Вначале ученые предположили, что тут вступают в игру силы магнитного притяжения, но их было явно недостаточно для сцепления нейтронов с протонами.

Аргументы «против» перетягивали чашу весов, и вторая кандидатура также была признана несостоятельной.

Не оставалось ничего иного, как предположить, что в атомных ядрах распоряжались новые, неизвестные дотоле силы, которым даже электромагнитные проигрывали в отношении 1:10 4! И теоретикам предстояло создать теорию атомного ядра, естественно, с учетом этого отнюдь не облегчающего, а усложняющего их задачу обстоятельства.

Квантовая механика как будто могла стать хорошей основой для построения теории ядерного взаимодействия по аналогии с электромагнитным, которое мыслилось как результат обмена фотонами.

Следуя этой аналогии, а также правилам «хорошего тона», принятым в строгой теории, надо было признать, что существуют некое поле ядерных сил и частицы-кванты этого поля. Протоны и нейтроны, обмениваясь между собой этими квантами, оказываются связанными друг с другом.

К сожалению, никто не мог сразу указать на подходящий к данному случаю предмет обмена. Лишь через 15 лет после открытия нейтрона экспериментаторы обнаружили в космических лучах пи-мезон — частицу, которая могла служить переносчиком ядерного взаимодействия.

Теоретики воспрянули духом. Теперь оставалось мысленно вычленить из ядра пару нуклонов и, как на кинопленке, точно зафиксировать их манипуляции с пи-мезонами на языке формул. А там, казалось, недалеко и до генерального плана.

Подход неновый, им пользовался еще пушкинский Сальери:

Но по отношению к ядру задача оказалась столь сложной, что не только алгебра — спасовала и высшая математика. С одной стороны, методы квантовой механики оказались не вполне пригодными для описания столь сильного взаимодействия, как ядерное. А с другой — выяснилось, что одни пи-мезоны не могли обеспечить достаточно тесного контакта между нуклонами.

Казалось, мезонная теория ядерных сил исчерпала свои возможности. Но в последнее время появились новые надежды. Оживление в рядах создателей теории было связано с открытием в эксперименте на ускорителях более тяжелых, чем пи-мезоны, векторных мезонов. Это были долгожданные партнеры пи-мезонов, частицы, которыми нуклоны, по-видимому, обмениваются на самых малых расстояниях. Пока количественного описания обмена этими частицами получить не удалось, но теоретики продолжают упорно работать в этом направлении.

А линия фронта ядерной физики все удлинялась. Исследования на ускорителях элементарных частиц дополнялись опытами, поставленными на ускорителях тяжелых ионов. Результаты, полученные в лабораториях, сравнивались с результатами поисков сверхтяжелых ядер в космических лучах и на дне океанов и наблюдений за астрономическими объектами галактик.

Потребность даже не в предсказании новых явлений, а хотя бы в объяснении уже известных, была чрезвычайно острой. Все поглядывали на теоретиков, ждали от них слова, надеялись, что теория вот-вот приступит к выполнению своих обязанностей. Но время шло, а теория молчала.

Физики заложили основу науки о микромире из теории относительности, квантовой механики и других фундаментальных законов и принципов. На этой основе они и должны были создать строгую, математически безупречную теорию атомного ядра.

Попытки протянуть непрерывную цепь аналитических выражений от общих физических законов до предсказания конкретных ядерных явлений не удались. И многие теоретики, махнув рукой на желанную респектабельность теории, стали искать более короткие пути к цели.

Не задумываясь о сущности механизма взаимодействия между протонами и нейтронами, они подбирали для него такие математические выражения, управляя которыми с помощью многочисленных произвольных параметров, можно было удачно описать характер взаимодействия двух нуклонов и рассчитать различные ядерные свойства.

Другой путь, тоже в обход строгой теории, проложили те, кто решил вообще не заниматься выяснением природы связей между составными элементами ядра, а сумел увидеть в нем нечто цельное — ядерное вещество. Они попытались объяснить экспериментальные результаты, исходя из самых общих его свойств.

— Неужели разумно говорить о каком-то особом ядерном веществе, словно у него есть собственный вкус или цвет?

— В некотором смысле все атомные ядра сделаны из материала одного и того же артикула.

— Но ядра же состоят из протонов и нейтронов; при чем здесь артикул?

— И все-таки ядро можно вообразить частицей вещества, отдельные качества которого действительно напоминают привычные свойства окружающих нас вещей.

Первыми, кто высказал предположение, что ядро — это кусочек своеобразного ядерного вещества, были экспериментаторы, открывшие атомное ядро.

Специализации по ядерной физике среди теоретиков тогда не существовало. Первооткрыватели работали по принципу самообслуживания: кто обнаружил новое явление, тот сам должен ставить опыты для его изучения, сам обдумывать полученные результаты.

Физики, обнаружив атомное ядро, добросовестно принялись исследовать новый объект. И прежде всего попытались получить ответы на самые простые из вопросов, приходивших в голову.

С помощью альфа-частиц, этого первого незамысловатого инструмента ядерной физики, удалось измерить электрические заряды атомных ядер. Затем, учитывая предрасположение альфа-частиц к ядерному притяжению, решили использовать их для того, чтобы узнать, какую область пространства занимает атомное ядро. Повозившись с одним-другим веществом, справедливо решили, что ядро ядру рознь; и не может, например, тяжелое ядро урана уместиться на том же крошечном пятачке, что и ядро легкого элемента. Перемерив размеры многих ядер, получили простую, но интереснейшую формулу. Словами ее можно было пересказать так: объем любого ядра пропорционален числу всех его нуклонов.