Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Только с помощью модели оболочек физикам удалось разобраться в особенностях изомерного состояния. В столь неопределенном положении ядро оказывается всякий раз, когда нуклон, захвативший всю добавочную энергию, попадает на оболочку, близкую к поверхности. Он начинает с такой скоростью двигаться по орбите, что сильная инерция мешает ему перейти к более медленному движению, какое он имел на исходной нижней оболочке. С наибольшей вероятностью это происходит с ядрами, у которых число нуклонов приближается к магическим — 50, 82 и 126. Вблизи заполненных оболочек образуются своего рода островки изомерных ядер.

Явление изомерии атомных ядер — прямое доказательство оболочечной структуры ядерной материи.

В 1962 году группа физиков Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ обнаружила совершенно новый тип изомерных ядер у некоторых тяжелых химических элементов. Вокруг этого открытия до сих пор не затихают споры между теоретиками.

Ядерные капли с большим количеством нуклонов подвержены случайным изменениям формы — деформации. Даже небольшая деформация может так нарушить равновесие между ядерными силами притяжения и электростатическим (кулоновским) отталкиванием между протонами, что капля-ядро самопроизвольно разделится на две части. Скажем, ядрам каждого трансуранового элемента свойственна определенная степень деформации и соответствующая ей вероятность деления. Но вот экспериментаторы с удивлением заметили, что среди искусственно полученных изотопов делящихся элементов встречаются ядра, у которых это событие происходит с вероятностью в 10 26раз большей. Эти новые «подвиды» атомов известных элементов имели одинаковую массу и разное время жизни. Несомненно, это были изомеры какой-то необычной природы.

Возбужденное ядро делящегося элемента не может быстро вернуться в нормальное состояние, испуская гамма-квант. И если бы ему были несвойственны другие способы распада, оно ничем не отличалось бы от ядер обычного изомера. Но тяжелые изомерные ядра чрезвычайно успешно использовали для разрядки реакцию деления. Поэтому время жизни этих возбужденных ядер намного меньше, чем в основном состоянии.

Столь большая способность к делению изомерных ядер требовала четкой теоретической интерпретации. Наиболее естественное объяснение заключалось в том, что форма делящихся ядер гораздо сильнее отличается от сферической в изомерном состоянии, чем в основном.

Изомерия формы — так назвали это явление — предоставляет ученым интересные возможности исследовать состояние ядерного вещества вблизи границы устойчивости по отношению к деформации.

— Можно лишь удивляться тому, как точно физики объясняют, на что именно похоже атомное ядро. А знают ли они, на что похожи «перегретые» ядра, о которых говорилось раньше? Неужели и в нагретом виде ядра — эти объекты «не от мира сего» — похожи на пресловутую каплю?

— Да. Ядро, насыщенное дополнительной энергией, напоминает каплю нагретой жидкости. Можно даже говорить об испарении нуклонов из кипящего ядра.

Герои произведений Ф. Достоевского часто рассуждают и действуют в состоянии крайнего возбуждения, в моменты предельного нравственного напряжения раскрываются самые глубокие причины совершаемых ими поступков.

Ученые хорошо понимают, что им никогда не докопаться до общих законов, управляющих динамикой и структурой ядерного вещества, если они не будут исследовать поведение ядра в предельных условиях, и в частности при очень сильных возбуждениях или «перегреве».

Априори можно сказать, что ядро, получившее энергию, большую энергии связи нуклона, обязательно потеряет одну или несколько частиц.

Но что представляет собой возбужденное ядро в тот небольшой промежуток времени, когда оно уже не имеет прав на владение одним или несколькими нуклонами, а те еще не порвали связи с коллективом ядерных частиц. О таком необычном квазисвязанном, то есть похожем на связанное, состоянии ядерной системы можно судить, зная, как она образовалась, сколько времени просуществовала и каким образом перешла в нормальное состояние.

Во многих ядерных реакциях, в которых ядрам-участникам перепадала энергия в десятки и сотни миллионов электрон-вольт, экспериментаторы обнаруживали бурлящие перегретые ядра. Опознать их было несложно прежде всего по неимоверно большому, в ядерном масштабе, времени жизни. До 10 –14секунды продолжалось кипение ядра-капли, пока испарение нуклонов с поверхности не приводило его в спокойное состояние.

Физики твердо усвоили, что большая порция энергии, полученная ядром, превращает его в систему быстро и хаотически движущихся частиц. Между нуклонами будто полностью обрывались те тончайшие связи, благодаря которым при малых энергиях возбуждения возникали коллективные движения в ядерном веществе, и ядро уже ничем не напоминало конструкцию из легких, соединенных между собой пружинками шариков, способных к сложным согласованным колебаниям.

Но стоило появиться синхротронам — ускорителям электронов, как представления ученых о сверхвозбужденных нуклонных системах резко изменились. Ядра-мишени с большой вероятностью поглощали электромагнитное излучение из синхротрона. Гамма-кванты с энергией 10–25 миллионов электрон-вольт впитывались ядрами особенно охотно. Система нуклонов переходила в квазисвязанное состояние, но совсем непохожее на кипение ядерной капли.

Это была потрясающая новость даже для физиков, которые на многое уже нагляделись, изучая микромир. На одну и ту же порцию энергии, но поданную, так сказать, под другим «соусом», ядро и реагировало по-другому. При электромагнитном взаимодействии с гамма-квантами или электронами ядро на время, равное 10 –20секунды, попадало в особое возбужденное состояние, при котором все протоны колебались относительно нейтронов.

Гамма-кванты и электроны, неизмеримо более осторожно повышающие тонус ядра, чем сильно взаимодействующие частицы, долгое время считались единственными инструментами, пригодными для столь тонкой операции. Но существует и еще более деликатный способ введения энергии в ядро — через слабое взаимодействие. Поглощая мю-мезон с мезоатомной орбиты, ядро, оказывается, почти незаметно для себя приобретает около 20 миллионов электрон-вольт.

Долгое время ученые отводили ядру только пассивную роль поставщика протонов для хорошо известной реакции этих частиц с мю-мезонами, происходящей по законам слабого взаимодействия. Число теоретических и экспериментальных работ, посвященных реакции ядерного мю-захвата, перевалило за сотню, когда появились первые сомнения в правильности такого подхода. Повысив точность расчетов, физики обнаружили, что полученное из опытов значение вероятности реакции мю-захвата почти вдвое отличается от величины, предсказанной теоретиками. Это противоречие требовало радикального изменения взгляда на саму суть процесса.