Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Можно было и не обращать внимания на звезды с потерянным лучом. Мало ли что могло случиться с отрицательным пи-мезоном: он мог поглотиться ядром, превратиться в нейтрон, не оставляющий следа в эмульсии. Эти реакции были хорошо известны и имели достаточно большую вероятность. Но ученым не давала покоя одна назойливая мысль: «А что, если из ядра на самом-то деле вылетал тот же пи-мезон, что вызывал ядерную реакцию, но ухитрившийся переменить в ядре свой отрицательный заряд на положительный?»

Предположим, это, правда, не относилось к категории «сумасшедших идей», но тем не менее казалось маловероятным.

Придирчиво проверив свою идею на опыте, дубненские ученые открыли новую, очень интересную ядерную реакцию двойной перезарядки пи-мезонов.

Отрицательно заряженный пи-мезон во время пребывания в ядре успевает стать участником двух последовательных ядерных реакций. Сталкиваясь с одним протоном, пи-мезон отдает ему свой заряд и становится электрически нейтральным, а протон превращает в нейтрон. У другого протона пи-мезон отбирает положительный заряд, превращая его тоже в нейтрон. После толчка, полученного при соударении с мезоном, оба новоиспеченных нейтрона покидают ядро, не давая о себе знать. Как правило, и у самого мезона еще хватает энергии для того, чтобы перевалиться через край ядерной чаши (ведь заряженная частица может покинуть ядро, только преодолев электростатический барьер). Вот и возникает в эмульсии звезда с одним входящим и одним выходящим лучом (нейтроны — частицы нейтральные, не оставляют следов в эмульсии).

Но сколько изменений в ядре спровоцировал задержавшийся там на мгновение пи-мезон!

Ядро неожиданно потеряло два протона — две единицы электрического заряда, а значит, и две единицы в порядковом номере элемента. Теперь этому новому изотопу, обогащенному нейтронами, полагалось занять место на две клеточки ближе к началу периодической таблицы.

Не менее оригинально ведут себя по отношению к атомным ядрам и пи-мезоны с положительным электрическим зарядом. Проскакивая через ядро, такой положительно заряженный пи-мезон вступает в реакции с двумя нейтронами. Он превращает их в протоны, а сам покидает ядро в виде отрицательно заряженной частицы. Оставшееся ядро, не потеряв ни одного нуклона, превращается в новый изотоп химического элемента, находящегося в периодической системе Менделеева на две клеточки дальше.

Это настоящий ядерный иллюзион, искусству которого, несомненно, позавидовал бы и самый знаменитый фокусник.

Скромные по внешнему виду звезды в эмульсии, на которые обратили внимание пытливые исследователи, оказались отголосками сильных изменений атомных ядер в реакции двойной перезарядки.

Открытие ученых ОИЯИ дает возможность ставить эксперименты по получению необычных ядер с запланированным числом протонов и нейтронов и помогает установить, в каком сочетании нейтроны и протоны могут создавать связанные системы.

Сейчас во многих лабораториях экспериментаторы пытаются в разных ядерных реакциях обнаружить рождение тетранейтрона — связанной системы из четырех нейтронов.

В лаборатории ядерных проблем ОИЯИ был поставлен оригинальный эксперимент по поиску тетранейтрона, который мог бы возникнуть в реакции двойной перезарядки пи-мезона на ядре свинца-208.

Физики не рассчитывали на то, что гипотетические нейтронные капли будут просачиваться наружу из толстой свинцовой мишени. «Жаждущие» ядра свинца могли мгновенно поглотить эти четыре нейтрона и превратиться в более тяжелые ядра изотопа свинца-212. После быстрого радиоактивного распада эти ядра могли обернуться ядрами висмута, живущими около часа.

Нелегкая задача стояла перед физиками и химиками. Им надо было выделить из килограммовой свинцовой болванки считанное число атомов радиоактивного висмута. Экспериментаторы с большим волнением зарегистрировали несколько альфа-частиц, которые принадлежали распадающимся атомам висмута. Американские ученые повторили этот эксперимент и получили аналогичный результат. Значит, физики доказали, что тетранейтрон существует?

Нет, с этим выводом ученые не торопились. На основании столь небольшого количества обнаруженных частиц еще нельзя было сделать радикального утверждения. Алфа-частицы могли принадлежать и ядрам висмута, случайно попавшим в установку.

Может быть, тетранейтрон и вообще не может существовать? Тогда стоит искать более тяжелые нейтронные ядра. С помощью реакции двойной перезарядки ученые пытаются получить «кусочек» нейтронного вещества, состоящего из шести нейтронов.

Экспериментаторы Дубны проследили в эмульсии, облученной пи-мезонами, за необычной судьбой двух ядер азота. Из 14 нуклонов ядра азота после встречи с пи-мезонами 8 перегруппировались в ядро бора. Под микроскопом был хорошо виден характерный след этого ядра. А остальные шесть (и все шесть нейтроны!) устремились навстречу новым ядерным приключениям. Не образуют ли они хоть ненадолго шестинейтронное ядро?

Как только в распоряжении ученых будут сильноточные ускорители, — мезонные фабрики — возможно, будет решена и проблема нейтронных капель.

— Но если нейтронам так нужны протоны, то, наверное, физикам досконально известно, сколько именно их требуется ядрам разных элементов?

— Нет. Теория ядерной материи и на это пока не может ответить однозначно.

— А что говорит эксперимент?

— Экспериментаторы упорно пробиваются к границам стабильности ядерного вещества и уже ставят первые пограничные столбы.

Пока физики не вмешивались в дела природы, в ней существовали в основном стабильные ядра и небольшое число долгоживущих радиоактивных изотопов.

Если начертить на листе бумаги прямоугольные координаты и по оси X отложить число нейтронов, а по оси Y — протонов, то все стабильные ядра, из которых создан наш мир, послушно лягут почти на одну линию, которую физики называют линией стабильности: она идет сначала под углом 45 градусов к нейтронной оси, а потом все сильнее наклоняется в ее сторону.

В легких ядрах содержится одинаковое количество нейтронов и протонов. Но чем больше заряд ядра, тем труднее ядерным силам притяжения бороться с возрастающим электростатическим отталкиванием протонов.

Природа справилась с этим затруднением, отпустив на тяжелые ядра вещество, почти вдвое разбавленное нейтронами. После столь могущественной поддержки силы притяжения добились стабильности ядерного вещества и для очень тяжелых химических элементов.

Следовательно, линия стабильности — это область наиболее устойчивых нуклонных коллективов, в которых ядерные силы притяжения обеспечили себе полную победу над силами отталкивания протонов.