Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Не имея сил отказаться от настойчивого приглашения, мезон садится на одну из самых внешних, расположенных далеко от ядра электронных орбит. Но положение гостя не избавляет мезон от подчинения действующим в атоме квантовым законам. Радиус околоядерной орбиты любой частицы обратно пропорционален ее массе — гласит это правило. Оно предписывает мезону искать свое место на орбитах, которые находятся в 200 раз ближе к ядру, чем электронные.

Ничего не поделаешь, против квантовой механики не пойдешь; и приходится мезону круто пикировать. Перескакивая с одной орбиты на другую, он быстро приближается к центру атомной планетной системы, к ядру.

В атомах средних по массе химических элементов мю-мезон, находясь на самой близкой к ядру орбите, буквально чиркает по его поверхности. А в атоме свинца он не только совершает мягкую посадку на ядро, но даже глубоко погружается в ядерное вещество.

Уже говорилось, что в микрокосмосе все события совершаются в чрезвычайно сжатые сроки. И мю-мезон — ядроход существует намного меньше секунды. Однако по сравнению с ядерным масштабом времени это целая вечность. Поглощенный пучиной плотного ядерного океана мю-мезон, прежде чем исчезнуть в реакции взаимодействия с протоном, успевает сделать миллионы миллионов оборотов.

Как же удается мю-мезонам так свободно проникать в ядро и кружиться там, не теряя своей самостоятельности?

Повинны в этом опять-таки квантовые законы. Они утверждают, что проницаемость или непроницаемость в микромире зависит не от твердости или мягкости преграды, как мы к тому привыкли, а от наличия или отсутствия вакантных мест в определенных квантовых состояниях.

Пулей не пробить толстую броню; и мы утверждаем, что она непроницаема. Но если пуля вдруг превратилась бы в квантовый объект, она легко проникла бы в нее, потому что в этом случае все квантовые состояния в броне для пули свободны. Свободны и для мю-мезона все состояния в ядерном веществе. Легко перемещаясь в нем, мю-мезон «не торопясь», в спокойной обстановке фиксирует форму ядра, его размер, пространственное распределение в нем протонов и передает все эти сведения по «каналу мезорентгеновской связи» ученым.

Этот «канал» работает непрерывно с момента образования мю-мезоатома до захвата мезона ядром. Перескакивая с одной своей орбиты на другую, расположенную глубже в атоме, мезон, следуя квантовым законам, испускает рентгеновское излучение. Физики называют его мезорентгеновским, чтобы ясно было, кому оно обязано своим происхождением.

Мю-мезон, как и электрон, не подвержен сильному взаимодействию. Его общение с ядром в основном сводится к взаимодействиям электромагнитному и слабому. И чем ближе он подходит к центру атома, тем мощнее становится воздействие на него ядерного скопища электрических зарядов.

Мезорентгеновские фотоны, которые мю-мезон испускает при перескоках между несколькими самыми глубокими последними орбитами, несут в себе все богатство его электромагнитных «впечатлений» от ядра. Очень важно уметь «выжать» эти впечатления всего из двух измеряемых на опыте характеристик рентгеновского излучения: энергии и интенсивности.

Вот как находится, например, теоретическая зависимость энергии этого излучения от размера ядра в шутливом изложении самих физиков.

Сначала теоретик воображает себе ядро в виде некоего заряженного облака. И не только в голове, но и на бумаге, в математическом виде. Подобным же образом движущийся в ядре мю-мезон представляется ему в виде размазанного желеподобного объекта. А когда это облако и желе, сдобренные такими «приправами», как теория относительности и спин (механический момент количества движения), «засыпаются» в электронную счетную машину, то наружу выскакивает долгожданный результат: зависимость энергии рентгеновских лучей от радиуса ядра.

Первые же эксперименты с мезоатомами, выполненные четверть века назад, внесли чрезвычайно важный вклад в ядерную физику. По энергии мезорентгеновских лучей впервые с большой точностью физикам удалось «измерить» тяжелые ядра. Их радиусы оказались на 30 процентов меньше тех значений, что фигурировали в тогдашних таблицах и учебниках.

И сейчас этот метод не уступает по точности методу измерения радиуса ядер по рассеянию электронов больших энергий. Кроме того, мезонный инструмент обходится ученым дешевле, чем гигантский ускоритель электронов. Но сравнение этих двух методов теряет всякий смысл, когда речь идет об исследовании деталей структуры ядра.

Длительный контакт мю-мезона с ядерным веществом приводит к неожиданным последствиям. Быстро выдергивая лист бумаги из толстой стопки, мы не нарушаем расположения остальных листов, вытягивая же его медленно, можно сдвинуть с места и всю стопку. Электрон, проскакивая через ядро, не успевает повлиять на распределение в нем протонов. А мю-мезон, двигаясь по орбите, расположенной в самом ядре, немного искажает истинное расположение зарядов. Это перераспределение нуклонов, в свою очередь, воздействует на мю-мезон, и он становится регистратором уже новых, изменившихся свойств ядерного вещества.

Теоретики уже различают некоторые виды этих очень небольших, очень тонких, но чрезвычайно важных для исследования структуры ядра эффектов, которые накладывают свой отпечаток на мезорентгеновское излучение, «просвечивающее» ядро.

— Интересно, напоминает ли эта рентгеновская установка для просвечивания ядра ту, которая работает в обычном рентгеновском кабинете?

— Нет. Физикам не нужны источники рентгеновских лучей. Они регистрируют уже готовые рентгеновские фотоны, испускаемые экзотическими атомами, и обходятся поэтому только приемниками лучей. В экспериментальном зале ускорителя такой приемник даже трудно заметить.

— Значит это совсем простая установка?

— Простая по форме, но сложная по содержанию.

Все своеобразие экспериментов с экзотическими атомами заключается не в создании необычной, громоздкой аппаратуры, какая необходима физике элементарных частиц, а в достижении чрезвычайно высокой точности при измерении энергии. Главная забота экспериментаторов состоит в том, чтобы не потерять ни одного бита информации, закодированной в энергии и интенсивности мезорентгеновского излучения.

Для этой цели ученым не нужны ни большие магниты, ни громадные баки черенковских счетчиков, с помощью которых выделяют частицы, движущиеся почти со скоростью света. Энергия рентгеновских лучей относительно мала. В атомах разных элементов она меняется в интервале всего лишь от единиц до сотен и тысяч килоэлектрон-вольт. Наиболее чутким прибором для регистрации квантов такой энергии зарекомендовал себя германиевый полупроводниковый детектор.