Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

В теоретическом образе ядра-капли против электростатического отталкивания протонов, которое стремится разорвать каплю, выступает поверхностное натяжение.

На результат поединка эта формальная замена действия ядерных сил на поверхностное натяжение не оказывает никакого влияния, потому что новый участник, по сути дела, хорошо загримированный старый. Но физики сразу получили возможность вычислить, например, полную энергию ядра. К энергии отталкивания протонов прибавили энергию поверхностного натяжения, определять которую так же просто, как для капли воды.

Найденная по формуле А. Эйнштейна масса атомных ядер, соответствующая вычисленной энергии, неплохо согласовалась с экспериментальными значениями.

Это была первая крупная удача теории — награда за подсмотренную качественную аналогию между атомным ядром и каплей жидкости, разница в природе между которыми поистине огромна.

Плотности ядерного вещества и капли воды просто несоизмеримы: ядерное вещество в 10 14раз плотнее!

Несравнимы и величины поверхностного натяжения. Если на рамку шириной в 10 сантиметров с подвижной нижней проволокой натянуть мыльную пленку, то ее поверхностное натяжение вполне уравновесит грузик весом в один-полтора грамма. А поверхностное натяжение пленки из нуклонов, если бы ее можно было натянуть на ту же рамку, уравновесил бы груз весом не менее двухсот миллиардов тонн!

Первым, кто угадал подобие столь разных «вещей», был известный физик-теоретик Г. Гамов. Он успешно воспользовался им для создания теории радиоактивного альфа-распада. Однако триумфом этой замечательной идеи стало объяснение реакции деления ядер урана.

За 28 лет, что прошли после открытия ядра, физики приобрели некоторый опыт в общении с микромиром. И к новым ядерным реакциям, с которыми то и дело сталкивались экспериментаторы, работающие на ускорителе, относились уже довольно спокойно и сдержанно. Почему же такую суматоху и возбуждение вызвали на первых порах полученные Э. Ферми результаты в опытах с поглощением тепловых нейтронов ядрами урана? Почему ученым так трудно было решиться на то, чтобы сказать: «ядро урана разделилось на два более легких»? Ответ прост — новое явление противоречило всему, небольшому правда, опыту ядерной физики.

Два миллиона электрон-вольт требовалось для расщепления такой непрочно связанной системы из одного протона и одного нейтрона, как ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия. А в более тяжелых ядрах на отрывание одной частицы надо было затратить энергию в три или четыре раза большую. Первый же ускоритель протонов, запущенный в 1931 году в лаборатории Э. Резерфорда, разгонял частицы всего лишь до энергии в один миллион электрон-вольт.

Снарядом такой малой мощности расщепить очень тяжелые ядра, и в частности ядра урана, не приходилось и мечтать. И вдруг почти без всяких затрат энергии, «бесплатно», ядро урана ни с того ни с сего расщепилось на две части. Как мог один-единственный медленный нейтрон, присоединившийся к 250 нуклонам ядра урана, привести его к катастрофе?

Известный советский физик-теоретик Я. Френкель, ученый, которому в большой степени был присущ образный подход к описанию физических явлений, обратил внимание на то, что основные особенности деления урана можно понять, если вновь воспользоваться аналогией с поведением капли воды.

В народе говорят, что трясогузка весной хвостом лед на реке разбивает. Конечно, когда все готово к началу ледохода, «поможет» и трясогузка.

Нейтрон, поглощенный ядром урана, приносит в ядро дополнительно всего 8 миллионов электрон-вольт энергии. Эта энергия ничтожна по сравнению с той, что содержится в самом ядре, но она нарушает условия поединка двух могущественных противников — электромагнитного отталкивания и ядерного притяжения, и раунд заканчивается победой отталкивания.

Нечто аналогичное делению ядра происходит в определенных условиях и с каплей воды или другой несжимаемой жидкости.

Если каплю воды, взвешенную в масле, слегка деформировать, то, несколько растянувшись поначалу, она опять вернется к исходной форме шара. Более сильное воздействие может растянуть каплю настолько сильно, что в конце концов она разорвется пополам. А тяжелое ядро урана-235 никогда не имело идеальной сферической формы. Победа ядерным силам давалась с большим трудом и готова была смениться поражением. 8 миллионов электрон-вольт, подаренные ядру тепловым нейтроном, как удар по ядерной капле, усиливали ее деформацию. Капля приобретала продолговатую форму, и электростатическое отталкивание на концах капли начинало преобладать над силами притяжения. В ядерной капле появлялась перетяжка, и ядро делилось на две части.

Известный датский физик-теоретик Н. Бор со своим сотрудником Дж. Уиллером на основе капельной модели ядра создали теорию деления урана. Вооруженные капельной моделью, теоретики решились даже на предсказание нового ядерного явления. Если ядро урана делится пополам только из-за того, что дополнительный нейтрон усиливает его деформацию, то оно вполне может разделиться и само по себе. Даже случайная перегруппировка движущихся нуклонов может стать причиной развала ядра урана. И предсказание оправдалось!

Молодые советские физики К. Петржак и Г. Флеров вскоре обнаружили, что ядра урана действительно способны к самопроизвольному делению.

Образ ядра-капли полонил воображение ученых. Первые успехи окрыляли, вселяли надежду на объяснение и других свойств атомных ядер. Но прошло некоторое время, и обнаружились слабые стороны капельной модели ядра.

— Видимо, физики слишком понадеялись на сходство ядра с каплей воды?

— Точнее сказать, теоретики пытались «выжать» из капельной модели больше того, что она могла дать. Например, эта модель, как выяснилось, неспособна объяснить «магические» числа нуклонов.

— Неужели в образовании ядер участвуют не только ядерные силы, но еще и магия?

— Экспериментаторы обнаружили такие свойства ядер, которые позволили теоретикам представить эти объекты совсем иными, совершенно непохожими на каплю ядерного вещества.

Знаменитые мистификаторы позавидовали бы богатым возможностям ядерных сил морочить физикам головы. Я. Френкель говорил, что «…физик-теоретик подобен художнику-карикатуристу… Хорошая теория сложных систем должна представлять лишь хорошую „карикатуру“ на эти системы, утрирующую те свойства их, которые являются наиболее типическими…»

Изображение ядра в виде капли жидкости как нельзя более отвечало этим требованиям. Казалось, что ничего лучшего создать и невозможно. Капельная модель ядра освобождала физиков от забот, связанных с необходимостью каким-то образом фиксировать состояния отдельных ядерных нуклонов. Можно было забыть о них и о треклятых ядерных силах. Удачно найденная модель разрешала вообще не задумываться над проблемой внутренней структуры ядра. Действительно, в несжимаемом ядерном веществе, имеющем огромную плотность, непрерывно сталкивающиеся нуклоны должны были так сильно взаимодействовать друг с другом, что понятие «состояние нуклона в ядре» теряло всякий смысл.