Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

С того самого времени, как была открыта элементарная частица — нейтрон, возникла идея и о существовании нейтронных звезд, крошечных сверхплотных остатков бывших космических гигантов. Эта гипотеза затрагивала и проблему эволюции звезд, и проблему эволюции ядерной материи.

В микромире судьбу атомных ядер решают в основном ядерные и электромагнитные силы. И лишь изредка заметную роль играет слабое взаимодействие… А что управляет веществом нейтронной звезды, которая при радиусе от 10 до 20 километров имеет массу, сравнимую с массой Солнца?

Над массивными космическими телами постоянно нависает угроза гравитационного сжатия. Им удается сохранить себя в состоянии обычного вещества до тех пор, пока в их недрах непрерывно выделяется энергия, которая изнутри компенсирует силу тяжести. Но когда эта энергия иссякает и звезда не может больше бороться с силой тяжести, ее вещество превращается в густое нейтронное «тесто». И тогда звезда становится столь же чудовищно плотной, что и атомное ядро.

Наиболее тяжелое из известных ядер содержит несколько сот частиц. Если из такого «снежка» скатать огромный ядерный ком, содержащий не меньше 10 56нуклонов, то получится нейтронная звезда.

Загадочное космическое тело, так напугавшее своими сигналами ученых, — это всего-навсего гигантское атомное ядро, ядро, в котором гравитационная энергия, приходящаяся на один нуклон, такая же по величине, что и ядерная.

В этих условиях (условиях чудовищного давления) протоны превращаются в нейтроны насильственным подсоединением к ним электронов. И нейтронное вещество с небольшой примесью протонов и электронов, управляемое гравитационными и ядерными силами, начинает новую жизнь в качестве пульсара.

— Наверное, если задаться целью получить капельку нейтронного вещества, достаточно убрать из ядра протоны, и оно станет сверхпрочным, потому что в нем останутся одни нейтроны, которые не будут расталкиваться, так как не имеют электрических зарядов.

— Да, отталкивание исчезнет, а вместе с ним исчезнут и условия, необходимые для существования связанной системы нуклонов. Без протонов, оказывается, нейтроны не могут образовать не только сверхпрочного ядра, но даже обычного.

Давайте попытаемся вообразить такое атомное ядро, из которого осторожно вынуты все протоны. Как прореагируют на подобную операцию оставшиеся в ядре нейтроны? Казалось бы, они немедленно заполнят все освободившиеся места в самых глубоких оболочках, и мы получим желанное нейтронное вещество с обычной ядерной плотностью.

Но принцип Паули неустанно следит за тем, чтобы нейтроны не занимали запретные для них квантовые состояния в протонных оболочках. А полупустое ядро без протонов становится менее устойчивым.

Такое нейтронное вещество совсем непохоже на пульсарное: оно рыхлое, и расстояние между частицами в нем больше среднеядерных. Это настоящий нейтронный газ, в котором ядерные силы притяжения могут не справиться даже с кинетической энергией разлетающихся нейтронов.

В необычных условиях нейтронных звезд нейтроны на протонные места загоняет сверхмощное гравитационное давление, а земной ядерной капле необходимую вязкость, по-видимому, могут придать только сами протоны.

И все-таки вопрос о существовании нейтронного вещества остается пока открытым. Теоретики не отрицают того, что его устойчивость может повышаться с увеличением числа частиц в капле. Поэтому экспериментаторы, не обнаружив связанной системы из двух нейтронов, продолжают настойчивые поиски более тяжелых нейтронных капель.

Атлет держит рекордный вес всего несколько секунд — и судейская коллегия регистрирует спортивную победу. Пусть связанная система из нескольких нейтронов развалится через мгновение. Этого достаточно, чтобы приборы зарегистрировали нейтронное ядро и новое достижение физиков-ядерщиков.

Может нейтронная капля существовать или не может? — этот вопрос теоретики решают то положительно, то отрицательно. А. Мигдал, исходя из своей теории пи-мезонного конденсата, считает, например, что нейтронное вещество может и должно существовать, поскольку конденсат способствует укреплению связи между нуклонами. Конец колебаниям положит только эксперимент.

Нейтронное вещество можно попытаться получить и добавлением в легкое ядро все большего количества нейтронов. Советские ученые Я. Зельдович и В. Гольданский в 1960 году из теоретических соображений предсказали, что можно создать совершенно необычный, насыщенный нейтронами изотоп химического элемента гелия. Ядро атома широко распространенного в природе стабильного гелия-4 содержит два нейтрона и два протона; это известная нам альфа-частица. Ученые утверждали, что около двух протонов альфа-частицы смогут удержаться не два, а целых шесть нейтронов!

Предположение было столь заманчивым, что экспериментаторы, несмотря на его кажущуюся нереальность, решили попробовать получить возникший в воображении теоретиков феномен. Сначала проверили, может ли альфа-частица присоединить к себе еще один нейтрон. Оказалось, что такое ей не под силу. Из двух протонов и трех нейтронов связанной системы не получилось. Попробовали получить ядро гелия-6. Попытка была успешной. Среди продуктов самопроизвольного деления атомов калифорния-252 американские исследователи зарегистрировали около сотни таких ядер. Два протона некоторое время удерживали четыре нейтрона.

Рекордный вес был взят, но он еще не был максимально возможным. Лишь спустя несколько лет стали поступать первые сообщения о новой победе. При взаимодействии протонов высоких энергий с ядрами углерода, в реакции слияния быстрых альфа-частиц с ядром магния-26, при поглощении гамма-квантов высоких энергий ядром бора-11 иногда возникали фантастические ядра гелия-8, в котором протоны были втрое разбавлены нейтронами.

Наконец, группа физиков Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ под руководством доктора физико-математических наук В. Сидорова получила самые неопровержимые доказательства рождения ядерной, почти нейтронной капли, состоящей из двух протонов и шести нейтронов. Ядерная эмульсия навечно сохранила автограф этого чудо-изотопа, полученного в реакции поглощения медленного пи-мезона легким ядром углерода.

Продолжая свои исследования по взаимодействию пи-мезонов с атомными ядрами, та же группа физиков открыла новую ядерную реакцию; реакцию, проложившую путь к синтезу изотопов с избытком нейтронов, а может быть, и чисто нейтронных ядер.

В эмульсиях, облученных в пучке отрицательно заряженных пи-мезонов на синхроциклотроне, экспериментаторы искали такие случаи, когда в ядро влетал один мезон, а вылетали два, то есть звезды с тремя лучами. Но нет-нет да и попадали в поле зрения микроскопа странные звезды с одним выходящим лучом. Причем вылетающий мезон всегда имел положительный заряд. Каждый раз, видя такую звезду, исследователи невольно задавали себе один и тот же вопрос: «А где же второй, отрицательно заряженный пи-мезон, тот, который создал звезду и обычно тоже вылетал из ядра?»