Нейтрид – миф или реальность?

Представьте себе вещество, лишенное электрических зарядов, в котором, вопреки привычному, отсутствуют электроны и протоны. Вещество, состоящее из одних лишь плотно упакованных нейтронов. Суперматериал, необычайно плотный, устойчивый против всех и всяческих воздействий, не знающий себе равных по прочности и жаростойкости. Скафандр из такого вещества — его назвали нейтридом — сделает неуязвимым космонавта, находящегося в открытом космосе под шквальным огнем космических лучей. Ракета, покрытая слоем нейтрида, способна спуститься даже на поверхность Солнца. Фантастика? Пока — да.

Таинственный «нейтрид» действительно изобрели писатели-фантасты. Но история науки и техники знает немало примеров, когда опережающая свое время мысль заглядывала за горизонты реальных возможностей науки. Человечество издавна стремилось создавать материалы, которых нет в природе. Полимеры, сплавы, многочисленные представители класса полупроводников, разнообразные химические соединения, тысячи сложнейших лекарственных препаратов… Все это получено в лаборатории.

Стремление расширить рамки, отведенные природой, коснулось и таблицы химических элементов. Так что нейтрид родился не на пустом месте. Но получат ли когда-нибудь люди это вещество?

Как верно было замечено, техника будущего — это физика сегодняшнего дня. Поэтому, прежде чем строить технические прогнозы, стоит попытаться ответить на вопрос: возможно ли в принципе создание вещества, лишенного электрических зарядов,— нейтронной материи?

Плотность атомных ядер около 10¹⁴ г/см³, это максимальная естественная плотность, известная на Земле, Но ядра, как мы знаем, очень невелики, они занимают примерно стотысячную часть всего пространства атома. Значит, в целом вещество почти пустое. При помощи очень больших давлений удается как бы «спрессовать» атомы и получить вещества с плотностью 10^-10 г/см³. Правда, это уже предел для земных условий.

Нейтронная материя гораздо плотнее. Фактически это одно сплошное атомное ядро. В «обычном» атоме электроны призваны компенсировать электрический заряд ядра. Нейтронной же материи, а точнее нейтронным ядрам, электроны не нужны. Если такие ядра жизнеспособны, то они смогут дать начало и сверхплотному веществу.

Но здесь конструкторов нейтрида поджидает одна трудность: в свободном состоянии — вне ядра атома — нейтрон может «прожить» лишь около тысячи секунд, а далее он испытывает хорошо известный процесс радиоактивного распада, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. Однако стабильные ядра, куда обязательно входят «радиоактивные» нейтроны, практически бессмертны. Что это значит? В специально поставленных экспериментах время жизни стабильных ядер оценили величиной, большей 10³⁰ лет. Цифра, которую и астрономической назвать трудно. Во всяком случае, возраст нашей Вселенной куда меньше.

Вывод напрашивается сам собой: в атомном ядре, в поле действия ядерных сил нейтрон каким-то образом стабилизируется, замораживается.

Ядра атомов всех химических элементов — это комбинации протонов и нейтронов. Именно комбинации. Исключение составляет протон — ядро самого легкого химического элемента водорода. Однако «бипротон» — изотоп гелия без нейтронов — живет около 10^-22—10^-23 секунды, то есть оказывается нестабильным, хотя теория в принципе не возражает против существования такой системы. Дело в том, что ядерные силы, как говорят физики, зарядово-независимы. Это означает, что чисто ядерное взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или протоном и нейтроном одинаково. У бипротона же с ядерными силами начинают конкурировать электрические, и ядро такого изотопа гелия, не успев родиться, будет буквально «разодрано» силами кулоновского отталкивания.

По оценкам, в природе может существовать около 6 тысяч комбинаций протонов и нейтронов, 6 тысяч изотопов, большую часть которых еще предстоит открыть! Но лишь 280 из них лежат на узкой, как лезвие бритвы, «дорожке стабильности». И стоит немного отойти от нее, изменив соотношение между числом протонов и нейтронов, как сгустки материи начнут испытывать радиоактивный распад.

С увеличением массы стабильность ядер также падает. Последнее, неподвластное разрушительному действию времени ядро в Периодической таблице принадлежит висмуту. Более массивные элементы, как бы не выдерживая собственной тяжести, стремятся превратиться в легкие. Чтобы дополнить Периодическую систему элементов, потребовалась, по словам академика Г. Н. Флёрова, ювелирная работа, сконцентрировавшая усилия физиков, химиков, инженеров.

Но таблицу Менделеева можно продолжить не только в направлении синтеза и поиска сверхтяжелых элементов. Ее можно и расширить, дополнив изотопами, которые не отвергаются природой, но в силу своей неустойчивости не сохраняются. Ведь за те несколько миллиардов лет, что существует наша планета, многие нестабильные и особенно короткоживущие изотопы были попросту «стерты» с лица Земли. Например, у замыкающего естественную Периодическую таблицу урана может существовать 107 изотопов. Мы же знаем пока лишь о пятнадцати из них.

Такая расширенная, вернее, «углубленная» таблица подобна библиотечному каталогу. У нее, помимо групп и рядов, есть третье, «изотопное» измерение. Знакомые нам клетки с символами химических элементов — не что иное, как ячейки каталожных ящиков. А в них, словно карточки с названиями книг, рассортированы потенциальные изотопы.

Увы, во всем этом многообразии мы не найдем нейтронной материи. Ее, по-видимому, на нашей планете в естественном состоянии все-таки нет. Но это не означает, что и во всей Вселенной нет условий, где нейтрону, находящемуся вне атомного ядра, не угрожал бы процесс радиоактивного распада. Ведь не оставили же ученые надежду встретить сверхтяжелые ядра в составе космических лучей. Правда, нейтронных ядер в космических лучах никто не обнаружил. Но во Вселенной есть так называемые нейтронные звезды.

На определенной стадии эволюции, по мере выгорания звездного горючего, под действием сил тяготения звезда сжимается. Ее плотность может стать такой же, как в ядерном веществе и даже выше. А радиус звезды составит тогда примерно 10 километров. Очень горячий, очень плотный быстро вращающийся волчок — так можно было бы представить себе нейтронную звезду.

Физические условия в недрах нейтронных звезд необычны. Мощное гравитационное поле буквально «вдавливает» электроны в протоны, превращая их в нейтронную материю, подчеркнем — стабильную. Причём в роли стабилизатора выступают силы тяготения. Вещество таких звезд состоит из плотно упакованных нейтронов, а недра, как предполагают, даже из гиперонов, тяжелых нестабильных частиц, время жизни которых в тысячи миллиардов раз короче, чем у нейтронов. Для астрономов — это миниатюрная звезда, продукт эволюции звездной материи, для физиков — гигантское атомное ядро, макроскопическая нейтронная капля. Во всяком случае, нейтронные звезды — это единственные известные нам (пока!) объекты во Вселенной, где сплошное ядерное вещество существует в макроскопических количествах.

Можно ли промоделировать на Земле отдельные этапы эволюции звездной материи? Речь идет, конечно, не о том, чтобы создать миниатюрную нейтронную звезду в лаборатории. Но, может быть, удастся получить микроскопический сгусток нейтронной материи или просто отдельные ядра, состоящие из одних нейтронов? Тем более, что в отличие от ядер, полностью лишенных нейтронов, ядра без протонов, по мнению теоретиков, могут существовать и на Земле. К примеру, ядра, состоящие из 6, 8 и даже 22 нейтронов, теоретиками уже рассчитаны. А некоторые модели допускают даже сверхтяжелые нейтронные ядра с массовым числом 300.

Судьбу нейтронных ядер должен решить эксперимент. И вот первые результаты. Опыты, поставленные французскими физиками на одном из крупнейших ускорителей мира, указали на присутствие чисто нейтронных ядер среди продуктов ядерных расщеплений. Конечно, эти экзотические ядра никто не зафиксировал — следов в детекторах они не оставляют.

Нейтронные ядра наблюдаются косвенно, с помощью специального анализа мишени, где они должны были остановиться. Открытием это наблюдение пока не стало — нужны новые, более убедительные эксперименты.

Но если нейтронные ядра или капли нейтронной материи на Земле только допускаются теорией, то ядра, сильно обогащенные нейтронами,— уже реальность. Рекордсменом среди нейтронно-избыточных ядер оказался изотоп Не-8. Для этого изотопа характерно самое высокое соотношение числа нейтронов и протонов, какое известно в природе. А теоретически, предсказан изотоп гелия, где два протона как бы склеивают двадцать и даже двадцать восемь нейтронов.

В последние годы усилиями многих лабораторий мира таблица изотопов обогатилась шестьюдесятью новыми легкими ядрами, лежащими вблизи границы ядерной стабильности. В «каталоге» появились литий с восемью, кислород с шестнадцатью, калий с тридцатью двумя нейтронами. Почти нейтронная материя. Почти — потому, что немногочисленные, как бы вкрапленные в вещество этих ядер протоны по-прежнему играют роль своеобразного клея. Теоретики утверждают, что в некоторых случаях от него можно отказаться. Экспериментаторы же нашли процесс, в котором могут образоваться практически все изотопы легких ядер, какие только возможны в природе. Среди них — сильно обогащенные нейтронами и чисто нейтронные ядра, если они существуют не только на кончике пера теоретиков и в воображении фантастов.

Этот процесс уже давно известен и называется он фрагментацией ядер. Его суть такова. Если атомные ядра бомбардировать частицами очень высоких энергий, то при развале ядер мишени возникают не только нуклоны, из которых собственно ядро и состоит, не только мезоны и гипероны, неизбежно рождающиеся при достаточно высоких энергиях, но также и обломки атомных ядер. В таких реакциях можно получить,— конечно, с различной вероятностью — практически любые комбинации протонов и нейтронов: дейтоны, ядра Н-3, Не-3, Не-4, Не-6, Не-8 и т. д. Эти ядерные осколки и называют фрагментами.

Изучение процесса фрагментации, впервые начатое в Радиевом институте имени В. Г. Хлопина, позволило не только обогатить таблицу изотопов, но и промоделировать отдельные этапы эволюции Вселенной. Исследуя процессы, сопровождающиеся вылетом фрагментов, можно наблюдать за поведением ядерного вещества при очень высоких температурах — сотни миллиардов градусов. Возможно, что таких температур в наше время в природе нет. Во всяком случае, недра звезд значительно «холоднее». Но вполне вероятно, что подобные условия были характерны для вещества на ранних стадиях расширения Вселенной.

В ее эволюции фрагментация ядер играет далеко не последнюю роль. Именно этим процессом объясняется изменение состава космических лучей при их длительном путешествии через межзвездную среду. В частности, фрагментация ответственна за то, что содержание легких элементов — лития, бериллия, бора — в составе космических лучей в сотни тысяч раз превышает их концентрацию в земном веществе. Осколки ядер — фрагменты — вносят свою поправку и в изотопный состав метеоритов.

Именно с фрагментацией связываются надежды физиков на получение нейтронных ядер, пока только ядер.

Но, к огорчению любителей научной фантастики, полученное в земных условиях вещество, сильно обогащенное нейтронами, оказывается не таким уж плотным, как хотелось бы. И еще меньше напоминает «внутренности» нейтронных звезд, где господствуют чудовищные силы гравитации. Как правило, ядра, в которых нейтроны существенно преобладают над протонами, оказываются чрезвычайно «рыхлыми» по сравнению с обычными. И главное — совершенно неустойчивыми. Доли секунды, всплеск радиоактивных превращений, и «почти нейтронная материя» перестает существовать, не оставляя практически никакой надежды на получение фантастического суперматериала. Надо сказать, отношение к нейтриду у большинства физиков скептическое. Однако конкретные прогнозы — вещь коварная: наука уже не раз опровергала их. И кто знает, не придется ли когда-нибудь выделить в каталоге — таблице элементов новую ячейку. Для нейтрида.

Автор: А. Асовская, кандидат физико-математических наук.