Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Понять, почему атомные ядра облагаются налогом за право существования, самим физикам удалось только после того, как они разобрались в структуре ядра.

Первые же сведения о зарядах и массах «точечных» ядер атомов наводили на мысль, что эти точки, в свою очередь, слеплены из других частиц. Но из чего могло состоять ядро?

Идея У. Праута о типовом строении атомов всех элементов из атомов самого легкого элемента — водорода, в переводе на ядерный язык звучала так: все ядра состоят из ядер атомов водорода.

И в самом деле, из ядер водорода (их назвали протонами) легко можно было получить массу любого изотопа, а их единичные положительные электрические заряды определяли заряд ядра.

Беспокоило только одно обстоятельство, которое никак не удавалось обойти. Если сложить положительные заряды всех протонов, участвующих в построении ядра с определенной массой, то сумма получалась больше, чем был заряд, который на самом деле имело ядро.

Деваться было некуда. Физики пошли на компромисс и признали, что ядра не могли состоять из одних протонов. Что-то должно было нейтрализовать какое-то число зарядов протонов.

Тут бы и разгуляться воображению, тут бы… Но суровая реальность подрезала крылья фантазии. Ассортимент подходящего строительного материала для ядер был очень беден. Приходилось брать не то, что надо, а то, что есть. А кроме протона, на учете у ученых была только одна-единственная частица — электрон с единичным отрицательным электрическим зарядом. Масса у электронов небольшая, поэтому практически, не меняя веса ядра, они могли нейтрализовать какое-то число положительных зарядов протонов.

Однако вскоре обнаружилась «несовместимость» протонов с электронами в ядрах, доставившая физикам массу забот и хлопот в объяснении многих ядерных свойств.

Только через двадцать лет ученик Э. Резерфорда Дж. Чедвик обнаружил настоящего компаньона протона по ядру — нейтрон. Новая элементарная частица имела почти такую же массу, как и протон, но была нейтральной, без электрического заряда. Это было как раз то, что нужно.

Теперь старинный лейтмотив о единстве строения материи уверенно и мощно зазвучал в переложении на ядерный, нейтронно-протонный лад.

В новом переложении была та долгожданная гармония, которая до конца прояснила самую суть явления радиоактивности, как превращения ядерных протонов или нейтронов.

Например, радиоактивный бета-распад есть не что иное, как превращение одного из нейтронов ядра в протон и электрон. Протон остается в ядре, а электрон его покидает. От этого в исходном сообществе нуклонов (такое общее название имеют протоны и нейтроны) появляется лишний протон; заряд ядра увеличивается на единицу, и атом с таким ядром представляет собой атом элемента, у которого порядковый номер на единицу больше.

Осталось уяснить последнее. Почему общая масса протонов и нейтронов, находящихся в ядре, всегда меньше суммы масс такого же числа свободных нуклонов?

Можно было бы сказать коротко: потому что нейтроны и протоны в ядре связаны. Но легко догадаться, что подобный ответ повлек бы за собой следующую реплику: «А что значит связаны?»

К сожалению, в макромире невозможно найти точной аналогии тому, что происходит в ядре с нуклонами. Не годятся и поверхностные сравнения с клеем или цементом. Возможно, поможет такой образ. Связывает нуклоны тот налог, который в момент образования ядра взимается с него самым строгим фининспектором — природой.

Отдав часть своей энергии, свободные прежде нейтроны и протоны поступают в полное распоряжение мощных сил притяжения, действующих на расстоянии, сравнимом с размером ядра. А по формуле А. Эйнштейна: теряющий энергию теряет и в массе. Так возникает недостача в массе атомного ядра.

Энергия, выплачиваемая ядром за право быть самим собой и равная той, которую следует затратить при желании расчленить его на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Чем она больше, тем труднее разрушить ядерную систему нуклонов.

Так уж случилось, что природа с каждого нуклона самых легких и самых тяжелых ядер взимает налог меньший, чем с нуклона средних ядер.

Избыток энергии, обладателями которого легкие и тяжелые ядра становились с момента рождения где-то в глубинах гигантских звезд, стал для человека драгоценным подарком природы.

В устойчивых ядрах этот подарок хранился так же надежно, как деньги в недоступных и несгораемых сейфах банка.

Заманчивый излишек энергии содержался и в куске урана, и в колбе с тяжелой водой, в молекулах которой находится тяжелый изотоп водорода — дейтерий. А воспользоваться им было невозможно: настоящий «неразменный рубль» из сказки. Только самопроизвольное радиоактивное превращение тяжелых ядер распахивало двери сейфа, и под носом у физиков альфа-частицы, электроны и гамма-кванты разносили часть хранившейся там энергии на все четыре стороны.

Перед людьми встала задача огромной важности — научиться вскрывать хранилища ядерной энергии.

Ученые долго не знали, как это сделать; у них не было подходящих для этой цели инструментов.

В химических реакциях вещества отдают энергию лишь в момент перестроения электронных оболочек атомов и молекул.

Знакомство с явлением радиоактивности еще раз убеждало, что некоторую долю внутренней энергии атомы тяжелых нестабильных элементов излучают только во время перестройки своих ядер. Как же вызвать ядерную реакцию?

У химиков никогда не было подобных затруднений. С помощью обычной спиртовки они легко сообщали молекулам реагирующих веществ те доли электрон-вольта, что требовались для начала химической реакции. На реорганизацию же крепко связанного коллектива нуклонов требовалось гораздо больше усилий. Ведь энергия связи ядер достигала десятков и сотен миллионов электрон-вольт.

И когда окончательно прояснилось, что плетью обуха не перешибешь и что с энергией меньше миллиона электрон-вольт в руках ядро не переделать, физики попытались обстрелять легкие атомные ядра такими снарядами, как альфа-частицы радиоактивного излучения. И вдруг удача. Альфа-частицы с энергией в несколько миллионов электрон-вольт так разворошили ядра азота, что они стали распадаться на ядра кислорода и протоны. Это была ядерная реакция, осуществленная по желанию человека.

«Резерфорд был первым человеческим существом, — писал один из создателей квантовой механики, Луи де Бройль, — которому посчастливилось осуществить вековую мечту алхимиков — искусственно превратить один химический элемент в другой». Но если алхимики искали способ получения из дешевых веществ лишь золота, то в результате успеха «ядерной алхимии» человечество получало гораздо более ценное сокровище — новый источник энергии.