Владимир Лешковцев - 50 лет советской физики

Атомные ядра существуют только потому, что между всеми входящими в них частицами действуют могучие ядерные силы.

Исследование этих сил позволило выяснить их главные особенности. Эти силы, естественно, являются силами притяжения. Они обладают зарядовой независимостью, т. е. одинаково сильно притягивают любую пару частиц друг к другу — нейтрон к протону, протон к протону или нейтрон к нейтрону. Уже отсюда видно, что они не могут быть электромагнитными силами. Кроме того, ядерные силы — короткодействующие, они проявляются на расстояниях порядка диаметра одной ядерной частицы (~10 −13 см ). Наконец, они обладают свойством насыщения, т. е. наиболее эффективно удерживают не любые, а строго определенные группы ядерных частиц, например, два протона и два нейтрона.

Современные представления о природе ядерных сил, объясняющие все их основные особенности, были созданы академиком Игорем Евгеньевичем Таммом в 1934 г. Он первый понял, что эти силы могут быть только обменными. В это время уже были созданы основные представления о квантовой природе электромагнитного поля, согласно которым взаимодействие двух заряженных частиц осуществляется посредством квантов, испускаемых и поглощаемых заряженными частицами. Таким образом, взаимодействие есть результат обмена промежуточными частицами, создающими электромагнитное поле.

Физическая сущность обменных сил хорошо видна из следующей грубой механической аналогии. Представьте себе груз, достаточно тяжелый, чтобы его не мог долго нести один человек, и такой, что вдвоем его нести очень неудобно. Для того чтобы перенести такой груз на большое расстояние, необходимы по крайней мере два человека. Они будут нести его, поочередно передавая друг другу. Передача груза делает возможным его перенос, но она же связывает обоих грузчиков, объединяет их.

Академик И. Е. Тамм предположил, что не только электромагнитные, но и ядерные силы носят квантовый характер и осуществляются путем переноса каких-то промежуточных частиц, квантов ядерного поля. Предположив, что нуклоны обмениваются электронами и при этом как бы меняются местами (нейтрон, испустив отрицательный электрон, становится протоном; протон, поглотив отрицательный электрон, становится нейтроном), И. Е. Тамм построил строгую математическую теорию ядерных сил. Однако оказалось, что величина этих сил на много порядков меньше их действительного значения.

Вскоре после этого японский физик Юкава доказал, что если масса обменной частицы будет примерно в 300 раз тяжелее электрона, то теория Тамма хорошо описывает все основные особенности ядерных сил. В дальнейшем физики обнаружили частицы, отвечающие за действие ядерных сил. Ими оказались π-мезоны. Масса π-мезонов и все их свойства находятся в точном соответствии с теорией Тамма-Юкавы.

И. Е. Тамм первым пришел к парадоксальному выводу о том, что у нейтронов должен быть собственный магнитный момент. В 1934 г, он совместно с С. А. Альтшулером не только теоретически предсказал существование магнитного момента у нейтрона, но и правильно оценил знак этого момента.

В 1934 г. итальянский физик Энрико Ферми впервые облучил уран только что открытыми нейтронами в надежде увеличить массу исходных ядер и получить элементы с бо́льшим атомным весом, чем уран. Результаты этих опытов оказались столь неожиданными и запутанными, что их удалась понять только в 1939 г., когда было выяснено, что ядра урана раскалываются нейтронами на 2–3 тяжелых осколка.

Вскоре после этого известный советский физик-теоретик Яков Ильич Френкель построил первую теорию деления атомных ядер, рассматривая ядра как капли электрически заряженной жидкости. Эта теория получила название электрокапиллярной. Она вполне удовлетворительно объясняла все основные особенности механизма деления.

Вслед за этим ученики академика Н. Н. Семенова — основателя советской школы исследователей цепных химических реакций, академики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон рассчитали условия, необходимые для осуществления цепного процесса деления ядер урана. Они показали, что при небольшом увеличении доли легкого изотопа уран-235 и использовании обыкновенной воды в качестве замедлителя быстрых нейтронов деления до тепловых скоростей можно в определенном количестве урана, большем «критического», получить устойчивый цепной процесс, приводящий к высвобождению громадного количества ядерной энергии.

В 1940 г. молодые ученики академика И. В. Курчатова — Г. Н. Флеров и К. А. Петржак произвели серию очень тонких исследований, показавших наличие самопроизвольного деления ядер урана. Дело в том, что эти ядра настолько сложны, в них так много одноименно заряженных протонов, что они находятся где-то на грани устойчивости. Оказалось, что под влиянием этой неустойчивости то одно, то другое ядро урана само собою делится на осколки. При этом возникают свободные нейтроны, способные вызвать цепной процесс в надлежащих условиях. Правда, самопроизвольное деление протекает крайне медленно, с периодом полураспада порядка 10 16лет. Но и при этом в куске урана весом в 1 кг ежесекундно самопроизвольно делятся несколько ядер и возникают нейтроны, способные вызвать цепной процесс. Вот почему в конструкции атомной бомбы не предусматривают никакого постороннего источника нейтронов, возбуждающих атомный взрыв.

В настоящее время между крупнейшими государствами происходит своеобразное соревнование, целью которого является создание все более мощных ускорителей заряженных частиц. Еще недавно самым могучим ускорителем был синхрофазотрон Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Он разгоняет протоны до энергии в 10 миллиардов электрон-вольт ( Бэв ). Вслед за ним в Женеве в Европейское атомном центре (ЦЕРН) вступил в строй ускоритель на 28 Бэв . Затем американцы в Калифорнии построили ускоритель на 33 Бэв . Сейчас мы завершаем строительство гигантского протонного ускорителя на 70 Бэв вблизи Серпухова. Имеются проекты ускорителей на 250 Бэв (США, Калифорния), 350 Бэв (Женева, ЦЕРН) и на 1000 Бэв (СССР).

Чем же вызвано такое соревнование? Дело в том, что ускоритель — это своеобразный ядерный микроскоп. Чем выше энергия ускоренных им частиц, тем короче длина сопряженной с ними волны и тем мельче детали, доступные исследователям. Современная физика не удовлетворяется возможностью детально исследовать атомные ядра. Исследователи намерены проникнуть внутрь элементарных частиц и изучить строение протона, нейтрона и даже электрона. А для этого нужны частицы с длиной волны порядка 10 −14–10 −15 см . Так как по формуле Де-Бройля