Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Невозможно определить запас прочности той или иной конструкции, не создавая для нее заведомо неблагоприятных условий. Биологи специально завезли шимпанзе в наши псковские леса, чтобы в необычных для них условиях наблюдать, как проявятся их возможности приспособления к новой среде. Однажды на конференции кто-то остроумно заметил, что изучать свойства ядерной материи только по стабильным ядрам — это все равно что изучать географию США по Большому Каньону.

После открытия искусственной радиоактивности ученые рьяно принялись расширять набор изотопов. Им удалось получить довольно много разных модификаций существующих химических элементов с чуть-чуть иным соотношением между протонами и нейтронами. Эти искусственно созданные ядра занимают на графике некоторую площадь вокруг линии стабильности. Назовем ее «материком стабильности».

Конечно, новые приобретения физиков жили недолго, и после радиоактивного распада вновь возвращались на привычные места вблизи линии стабильности. Но сам факт возникновения необычных связанных систем давал обильную пищу для ума. Нечего говорить, сколь интересно было выяснить, в какой степени могут быть перенасыщены протонами и нейтронами пусть даже короткоживущие атомные ядра. Одним словом, надо было найти границы существования ядерного вещества. Посмотреть, что же делается там, на краю ядерной Ойкумены?

Путеводитель для экспериментаторов, составленный теоретиками, несколько напоминает руководства для путешественников, которые существовали, например, у древних египтян. Кто из современных туристов рискнет искать страну, которая лежит там, за восточной пустыней, за лазурными водами, в безмерной дали?

Там — вещает путеводитель для ядерщиков — по обе стороны от линии стабильности, на самом краю материка, где силы притяжения в ядрах с большим избытком протонов или нейтронов уже не в состоянии справиться со своей задачей, расположены резкие обрывы, омываемые волнами моря нестабильности…

Более точно указать координаты границ материка стабильности, то есть те соотношения (разные для разных элементов) между числом протонов и нейтронов, при которых ядро распадается, едва возникнув, современная теория не может. Точное расположение обрывов придется установить самим экспериментаторам.

Теория в пределах своей компетенции обещала волнующие встречи, по крайней мере, с 6 тысячами новых радиоактивных изотопов. С 2 тысячами из них знакомство уже состоялось. Сейчас продолжаются энергичные розыски остальных.

Расширение коллекции изотопов, сильно отличающихся от уже известных, не хобби экспериментаторов. Причудливые разновидности ядер обычных химических элементов снабжают ученых недоступной раньше информацией и помогают им лучше разобраться в устройстве ядер, заполняющих линию стабильности.

Эксперименты с пи-мезонами помогли физикам найти далеко в стороне от линии стабильности удивительное ядро гелия-8 с 6 избыточными нейтронами. С помощью реакции двойной перезарядки пи-мезонов исследователи, как банки консервным ножом, вскрывают ядра с нуклонами и по заранее намеченной программе меняют состав ядерного вещества. Но эта деликатная операция не позволяет добраться до границ области стабильности.

Самое экзотическое нуклонное ассорти можно получить в том случае, если с большой силой ударить одним ядром по другому. Такие опыты ученые ставят на особых установках — ускорителях тяжелых ионов. В этих машинах ускоряются не отдельные протоны с единичным электрическим зарядом, а целые атомные ядра, вплоть до самых тяжелых.

В режиме ускорения тяжелых ионов работает сейчас каждый четвертый ускоритель в мире.

Самый мощный ускоритель тяжелых ионов работает в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Здесь, используя ионы, разогнанные до энергии, позволяющей им преодолеть электростатический барьер вокруг ядер мишени, экспериментаторы пытаются прорваться к границам стабильности ядерного вещества.

При слиянии содержимого двух ядерных «банок» образуется перегретое тяжелое составное ядро. Заранее сказать, каким будет сочетание протонов и нейтронов в ядре после окончания реакции, невозможно: результат зависит от того, каким способом избавится оно от избытка его энергии. Если система нуклонов придет в нормальное состояние, испаряя нейтроны, физики получат новое ядро с избыточными протонами. Но бывает и так, что сталкивающиеся ядра сцепляются и на некоторое время становятся похожими на гантель, которая поворачивается как единое целое. Вращаясь, гантель деформируется и наконец разрывается: кулоновское электростатическое отталкивание и центробежные силы побеждают ядерное притяжение. А экспериментаторы только выигрывают, потому что при разрыве этой сложной системы два-три десятка нуклонов одного ядра передается другому, и возникает необычайный мутант известного химического элемента.

Облучая мишени из тория-232 ядрами кислорода-18 и неона-22, ученые ОИЯИ создали более 10 новых тяжелых изотопов. Например, ядро углерода с 12 дополнительными нейтронами и ядра кислорода, у которых на 14, 15 и 16 нейтронов больше, чем у стабильного ядра того же элемента.

Успехи экспериментаторов, творящих ядерное вещество со столь необычайной структурой, заставляют удивляться поистине неограниченным возможностям ядерных сил. На Международной конференции в Монреале в 1969 году известный ученый профессор X. Гоув из Соединенных Штатов Америки в своем обзорном докладе сказал, что «физика ядерной структуры останется волнующей областью исследований в течение многих лет».

За последнюю четверть века физики-элементарщики открыли огромный мир элементарных частиц. Большинство этих микроскопических объектов, рождаясь на ускорителях высоких энергий, едва успевали дать о себе знать, прочерчивая след в фотоэмульсиях, создавая туманный трек из пузырьков в водородной камере или вызывая срабатывание системы счетчиков. Но эти нестабильные кванты вещества намного расширили наши представления о строении материи. Были открыты новые законы природы, обнаружены нарушения некоторых, казавшихся незыблемыми принципов квантовой механики, мы узнали и о зарядово-сопряженном мире античастиц.

А физики-ядерщики обнаружили обширный мир изотопов-призраков по обе стороны от линии стабильности; мир, который несравненно богаче мира химических элементов. Было установлено, что ядра одного и того же элемента с избытком нейтронов и с избытком протонов так же мало похожи друг на друга, как такса на собаку породы «московская сторожевая». Коллектив ядерных нуклонов чутко реагирует на изменение пропорции между двумя типами своих членов. Меняется при этом структура ядерного вещества, избыток нейтронов приводит даже к увеличению размера ядра, которое разбухает от переполнения внешних нейтронных оболочек.