Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Но ядерная реакция «сгорания» — соединение ядер углерода, совсем непохожа на сгорание угля в топках электростанций. На углеродном топливе при ядерных реакциях выпекались уже такие «пироги и пышки», как ядра магния, кремния и всех других элементов, вплоть до железа.

Дальнейшее присоединение альфа-частиц или протонов только портило «железное» ядерное тесто, и оно разваливалось прямо в момент выпечки. Таблица химических элементов могла бы так и остаться заполненной лишь наполовину, если бы, к счастью, в недрах раскаленной звезды не накопилось достаточное количество нейтронов. Сложные ядра оказались как бы погруженными в ванну из этих частиц.

Захватывая нейтроны, атомные ядра, как по винтовой лестнице, начали медленно карабкаться вверх по дуге стабильных изотопов.

Дополнительный нейтрон сталкивает ядро в сторону избытка нейтронов от линии стабильности. А после бета-радиоактивного распада, при котором в связанном коллективе нуклонов возникает добавочный протон, ядро возвращается на линию стабильности с более высоким порядковым номером.

Конечно, так должно было бы происходить в идеальном случае. Множество же ядер, поглотив слишком много нейтронов или, наоборот, проявив к ним антипатию, наверняка заполняли весь материк стабильности до самых границ.

Самые тяжелые ядра, как предполагают ученые, возникают, например, при вспышке сверхновой звезды. В сверхновую превращается очень старая звезда, когда после выгорания топлива внутри ее падает давление. Резкое гравитационное сжатие приводит к взрыву оболочки. Извержение даже самого мощного земного вулкана — не более чем вспышка спички рядом с этим космическим катаклизмом. Взрыв захватывает даже самые глубокие области звезды. И долгие миллиарды лет копившиеся там сложные ядра — драгоценный продукт эволюции звезды, проносясь сквозь бушующие вокруг нейтронные смерчи, попадают вдруг в безмятежный покой межзвездного пространства.

В последние годы ученые пытаются установить, насколько процесс рождения самых тяжелых ядер зависит от вспышек сверхновых. Считается, что нейтроны во время вспышки сверхновой, подобно песку во время самума, забивающему любую трещину, быстро в большом количестве забивают сложные ядра, переводя их в разряд самых тяжелых.

А может быть, в течение длительного пребывания в звездной нейтронной ванне тяжелые элементы, как кристаллы в пересыщенном растворе, «растут» постепенно?

Оба эти варианта возникновения тяжелых элементов несколько различаются по конечному результату. Если справедлив первый, то большую вероятность образования имеют ядра платины. По второму варианту предпочтение отдается элементам вблизи свинца.

Эти особенности должны были обязательно проявиться в распространенности тяжелых элементов в составе космического излучения. Но результаты просмотра и анализа следов ядер в эмульсиях, которые экспонировались и в стратосфере, и на орбитальной станции «Скайлэб», пока не дают возможности сделать однозначный вывод. В распределении следов тяжелых ядер, зарегистрированных в стратосфере, налицо максимум в области платины, а серия измерений в космическом пространстве выявила преобладание ядер в области свинца.

Сейчас в разных странах готовится большая серия экспериментов для окончательного решения вопроса о содержании ядер тяжелых элементов в космических лучах, а следовательно, и о двух моделях нуклеосинтеза.

Некоторые теоретики допускают, что нейтронная звезда — остаток сверхновой — это космическая фабрика, специализирующаяся на производстве тяжелых элементов. По идее американского теоретика Ф. Дайсона, «вулканическая» деятельность на быстро вращающемся пульсаре в сочетании с сильным магнитным полем приводит к выбрасыванию в межзвездное пространство быстрых ядер тяжелых элементов.

Таким же путем космические лучи могут обогащаться и каплями нейтронного вещества, которые после бета-распада части нейтронов приобретают протоны и превращаются в ядра сверхтяжелых элементов.

По-видимому, вся солнечная планетная система и образовалась несколько миллиардов лет назад из такого «вторсырья». То есть вещества, уже прошедшего через горнило ядерного звездного синтеза. Иначе невозможно объяснить присутствие тяжелых элементов в такой относительно молодой звезде, как наше Солнце.

— Если процессы, в результате которых возникли все химические элементы, закончились многие миллиарды лет назад, то может ли наука доказать, как это происходило и когда возникло именно вещество Земли?

— Ученые все более точно устанавливают этот момент в космологической шкале времени, опираясь на результаты экспериментов с ускоренными частицами, на исследования естественной радиоактивности и космических лучей.

Ближайшая к нам звезда — Солнце — находится на относительно ранней стадии развития. И все, что мы о ней знаем, подтверждает предположение об исправно работающей в ее недрах термоядерной печи. «Иначе и быть не может», — говорят ученые уже на протяжении почти полувека.

Но и на сегодняшний день нет прямых доказательств протекания внутри Солнца этой первой реакции в цепи ядерного синтеза, то есть синтеза ядер гелия из ядер водорода. Английский астрофизик А. Эддингтон говорил: «Нет ничего проще звезды». Современные ученые думают несколько иначе.

Физика элементарных частиц подсказала, как можно добыть вернейшее доказательство истинной работы нашего светила. Для этого надо зарегистрировать нейтрино, которые рождаются на Солнце в некоторых реакциях термоядерного цикла.

Американский ученый Р. Дэвис из Брукхейвенской лаборатории США попытался добыть эти доказательства в очень сложном и дорогостоящем эксперименте с помощью аппаратуры, спрятанной глубоко под землей. Опыт не удался. Солнечные нейтрино словно сквозь землю провалились. После первых неудачных измерений рабочие, собиравшие установку, желая ободрить ученого, говорили: «Не огорчайтесь, доктор Дэвис, ведь лето было такое облачное». Они не знали, что практически не существует такой преграды, которая могла бы помешать потоку солнечных нейтрино достигнуть установки Дэвиса.

Отрицательный результат поисков солнечных нейтрино не поколебал уверенности астрофизиков в медленном, но неуклонном превращении запаса солнечного водорода в ядра гелия-4. Отсутствие нейтрино вполне можно было объяснить, не отказываясь от идеи термоядерных реакций, другими, менее радикальными способами, иногда весьма оригинальными.

Желание подкрепить прямыми экспериментальными результатами гипотезу об эволюции звезд и о ядерном нуклеосинтезе, то есть образовании ядер, не оставляло ученых разных специальностей.