Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Несколько лет назад четвертый по счету «смотр» смешанных сил элементарщиков и физиков-ядерщиков проходил в подмосковном городе Дубне — центре ядерных исследований ученых социалистических стран. Сюда съехалось более трехсот представителей многих лабораторий мира. Среди приехавших были известные ученые, например, профессор By Цзянь-сюн из США, которая своими экспериментами впервые доказала, что закон сохранения четности (один из важнейших законов квантовой механики) нарушается в мире элементарных частиц.

Выступая перед коллегами, она сказала, что разрыв между физикой высоких энергий и ядерной физикой уже ликвидирован, и ученые, работающие в этих когда-то резко разделившихся областях исследований микромира, теперь прекрасно понимают друг друга.

Эти слова подтверждала и широта затрагиваемых на конференции тем, и большой интерес ко всем докладам, и, конечно же, бурные обсуждения. Причем не только во время заседаний, но и в перерывах между ними в фойе, за чашкой чая или кофе. Тут и там возникали отдельные группы и пары продолжающих дискуссии, завязавшиеся в зале.

Недостатка в материале для обсуждения не было. Пустив в ход для изучения атомных ядер почти все элементарные частицы, которые удается получать с помощью ускорителей, экспериментаторы увидели ядро в совершенно ином свете.

— Что же нового о ядре они узнали?

— Оно поразило их эффектами не менее сложными, чем мыслящий океан Соляриса — пилота Бартона. Далеко не просто интерпретировать и то, что увидели в ядре экспериментаторы.

— Не значит ли это, что им тоже не во всем верят?

— Строго установленным экспериментальным фактам нельзя не верить. Даже один-единственный правильно понятый факт постоянства скорости света, как вы помните, указал истинное место всей классической физики. Дело в другом: как бы каждый метод исследования атомного ядра по-своему ни был хорош, он по-своему и ограничен.

Известно, что все новости о невидимом микромире экспериментаторы получают, так сказать, из «вторых рук». Поэтому объективность, значительность результатов опыта связана с возможностями тех щупов и зондов, которые непосредственно контактируют, например, с атомным ядром.

Зоркость любого внутриатомного инструмента полностью зависит от длины волны, которая ему соответствует по квантовой механике. Объекты меньшие, чем эта главная рабочая часть инструмента, для него неразличимы.

Обнаружить атомные ядра с помощью альфа-частиц удалось именно потому, что эти частицы имели длину волны, как раз совпадающую с размерами ядра.

Но заглянуть внутрь ядер могут лишь такие специальные зонды, как электроны с энергией в десятки миллиардов электрон-вольт, у которых длина волны соизмерима с длиной волны нуклонов. Они просматривают «насквозь» не только атомные ядра, но даже элементарные частицы.

Тем не менее даже резерв зоркости, которым обладают эти электроны, не делает их суждение о структуре ядра совершенно объективным.

Чем талантливее режиссер, тем настойчивее он ищет в каждой пьесе или киносценарии интересующую его тему, а не стремится к холодной беспристрастности в постановке. Единственная и постоянная тема электронов — электромагнитное взаимодействие. Они находят в ядрах только заряженные протоны и почти не замечают в них нейтронов. В результате у физиков создается оригинальное, но несколько одностороннее впечатление об атомном ядре.

И даже при таком предвзятом подходе капля ядерного вещества потеряла те черты идеальности, которые приписывали ей экспериментаторы, истолковывая сведения, полученные от едва различающих ядро альфа-частиц, и приобрела более достоверный вид.

У ядра, оказалось, нет четко очерченной границы. Чем ближе к поверхности, тем все более разреженным становится ядерное вещество. А за радиус ядра принимается расстояние, на котором плотность ядерной материи уменьшается вдвое.

Прошивая ядро со скоростью, близкой к скорости света, электрон успевает с помощью электромагнитного взаимодействия прощупать пространственное распределение протонов в ядре, так сказать, по силе толчка в бок. То есть по углу отклонения от первоначальной траектории.

«Бока» электронов оказались настолько чувствительными, что радиусы ядер удалось измерить с точностью до одного процента, а относительное изменение размеров ядер — даже с точностью в одну сотую процента!

И вот тогда-то четко проявилось небольшое влияние на размеры ядер тонких нюансов в бесконечном поединке электростатического отталкивания и ядерного притяжения. Из двух ядер с одинаковым числом нуклонов больший радиус распределения заряда имело то ядро, у которого было больше протонов.

Вот наглядное подтверждение того, как электростатические силы (их еще называют кулоновские), действующие между зарядами одинакового знака, «выталкивают» протоны к поверхности.

А как заряженные частицы распределены по всей толще ядерного вещества?

В том представлении о структуре атомных ядер, которое сложилось после экспериментов с электронами небольшой энергии, плотность зарядов во внутренней части атомных ядер всегда выступала в качестве постоянной величины. В учебниках она изображалась гладкой, прямой линией, круто спадающей к границе ядра. Быстрые электроны сразу разоблачили эту идеализацию действительности. Как только ученые из новых экспериментальных результатов по рассеянию электронов вычислили плотность зарядов на разных глубинах ядерного вещества, то получили не прямую линию, а кривую с четко выраженными подъемами и спадами.

Экспериментаторы сделали свое дело — задали теоретикам задачу. Теоретикам предстояло теперь дать свое толкование этому важнейшему факту — обнаруженной неоднородности в плотности распределения электрических зарядов в атомном ядре.

Сначала его трактовка не вызывала никаких затруднений. Все единодушно признавали, что, по-видимому, это проявление оболочечной структуры ядер. Но в последнее время все увереннее звучат голоса теоретиков, предлагающих иную гипотезу. Они считают, что электроны помогли вскрыть совершенно новый пласт ядерных свойств. Какой?

Советский физик-теоретик, академик АН СССР А. Мигдал предполагает, что неоднородность распределения зарядов может быть связана с существованием в ядре участков с повышенной плотностью ядерного вещества, не имеющих никакого отношения к нуклонным оболочкам.

Получается так, будто нуклоны «раздираются на части», будучи одновременно членами разных сообществ. Ну что ж, подобная ситуация сплошь и рядом встречается в макромире, когда один и тот же человек является членом и профсоюза, и общества филателистов, и, например, любителей аквариумных рыбок. А может быть, это норма поведения и в микромире?