Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Получается заколдованный круг. С одной стороны, нуклоны должны взаимодействовать друг с другом (и сильно!), чтобы создавать крепко связанные, прочные ядра. С другой — ядерные протоны и нейтроны не могут общаться между собой, потому что в результате любого контакта «кто-то теряет, а кто-то находит» энергию, и обе взаимодействующие частицы обязательно должны перейти в другие квантовые состояния. Но какие? Свободные места в ядре есть только на верхних оболочках, а более глубоко лежащие орбиты с меньшими энергиями никогда не пустуют. Куда же деваться той частице, которая при столкновении теряет энергию, оказывается в положении потерпевшей?

Вот и приходится считать протоны и нейтроны независимыми. Обреченные благодаря удачной маскировке ядерных сил на одиночество в плотной ядерной толпе себе подобных, нуклоны в то же время приобретают право на длительное перемещение по своим индивидуальным орбитам.

Два столь разных представления о ядре, по сути дела, непротиворечивы. И ядро-капля ядерного вещества, и идея об оболочечной структуре отражают вполне реальные, но противоположные черты в поведении этой уникальной системы из элементарных частиц.

— Не ядро, а прямо двуликий Янус!

— Увы, — крошечная сердцевина атома скорее напоминает «человека с тысячью лиц».

— Как же физики разбираются во всех этих «лицах»?

— Теоретики, как заправские модельеры, подбирают, а если не окажется подходящей, то создают новые модели для атомных ядер.

Атомные ядра в каждой конкретной ядерной реакции как будто проявляют себя с какой-то одной стороны. Тяжелые своим поведением напоминают каплю вязкой, несжимаемой жидкости, а более легкие демонстрируют независимость своих нуклонов друг от друга. Но детальное, глубокое исследование ядерных реакций опровергает это поверхностное впечатление. В ядре-капле часто проступают черты, определяемые оболочечной структурой. И наоборот, независимые нуклоны участвуют в коллективных движениях.

Теоретическое представление о ядре должно было отразить обнаруженное экспериментаторами единство двух противоположных черт.

Кажется, это так же трудно, как увидеть человека одновременно в фас и в профиль. Но портреты итальянского художника А. Модильяни убеждают нас в обратном. И для объяснения отклонения формы тяжелых ядер от сферической физикам удалось создать новую, обобщенную, модель атомного ядра, удачный синтез капельной и оболочечной моделей.

Уже говорилось, что деформация заметно меняет условия поединка сил внутри атомного ядра. Выявить, а тем более правильно вычислить величину искажения формы, на которую ядро расходует всего лишь несколько тысячных долей от своей полной энергии, так же сложно, как подметить элементы былой стройности в фигуре располневшего человека. Тем не менее с помощью оболочечной модели можно рассчитать, в какой степени искажают форму нуклоны, перемещающиеся на внешней незаполненной оболочке и оказывающие несимметричное давление на поверхность ядра. А по капельной модели — объемные и поверхностные колебания ядерной жидкости, производимые коллективными действиями всех крепко сцепленных друг с другом нуклонов.

Ядра с заполненными оболочками имеют идеально сферическую «фигуру» и не знают, что такое деформация. Однако форма большинства не очень легких ядер далека от идеальной. Как же связать деформацию ядра, возникающую от воздействия внешних нуклонов с коллективными колебаниями всех остальных протонов и нейтронов?

Можно представить, что любое тяжелое ядро состоит как бы из двух неразрывно связанных частей. Одна часть — это капля сферической формы с заполненными оболочками, а другая — это несколько нуклонов на внешней незаполненной оболочке.

Чем сильнее число внешних частиц отличается от ближайшего магического, тем больше они деформируют поверхность капли. Эта деформация тут же сказывается на состоянии внешних протонов и нейтронов, потому что меняется то усредненное поле сил, которое создают все нуклоны капли.

Так впервые удалось увязать свойства отдельных нейтронов и протонов с их коллективными движениями в ядре. И сразу же получили объяснение многие экспериментальные результаты. В частности, выяснилось, что порядок заполнения оболочек в тяжелых ядрах зависит от состояния всей его системы нуклонов в целом.

Обобщенная модель атомных ядер и сегодня пользуется большой популярностью у теоретиков. За ее создание совсем недавно, в 1975 году, Дж. Рейнуотер, О. Бор и Б. Моттельсон были удостоены Нобелевской премии.

Но ядро — этот удивительно многоликий объект микромира — зачастую проявляет себя с такой необычной стороны, что и с помощью этой модели невозможно объяснить все нюансы в его поведении. И теоретики вынуждены были создавать бесконечные вариации уже известных моделей, в которых учитывались бы дополнительные взаимодействия между нуклонами, и искать все новые и новые подходы к объяснению необычных экспериментальных фактов. Например, ядро сравнивается с различными макроскопическими системами. И не только с такими, скажем, как жидкость, газ или кристалл, но и с таким необычным состоянием вещества, в каком пребывает гелий при сверхнизких температурах.

Более 60 лет физики тщательно изучают «лики» атомных ядер. Но до сих пор единого портрета, передающего все своеобразие этой трудно уловимой для художника-теоретика натуры, сделать не удалось. Единой теории ядра и сейчас еще не существует.

Профессор Я. Смородинский сказал, что «ядро представляет собой очень сложную систему, с которой придется еще много повозиться, пока станут ясными хотя бы основные закономерности».

А пока эти закономерности не прояснились, исследователи вынуждены использовать широкий набор приближенных представлений о ядрах. В этом смысле, как остроумно заметил кто-то из физиков, Храм науки можно было бы назвать Домом моделей.

Сейчас качественное объяснение в рамках той или иной модели получают практически все факты, добываемые экспериментаторами, но количественные соотношения установить удается довольно редко. Да и они еще ни о чем не говорят. По свидетельству самих теоретиков, удачно подобранной формулой с 5 параметрами всегда удается описать 50 произвольно заданных чисел с 5-процентной точностью. Сегодня теория только объясняет то, что делает эксперимент, редко правильно интерпретирует результаты и еще реже отваживается на какие-либо предсказания. Лидером в ядерной физике по-прежнему остается эксперимент.

Некоторые теоретики, правда, надеются, что, как только будут правильно заданы силы, действующие между двумя нуклонами, они смогут описать и все свойства ядерной материи.