Дыхание атомного ядра

Энергией атомного ядра удалось овладеть еще в то время, когда знакомство физиков с этим полновластным хозяином мира было довольно поверхностным. Но крошечная сердцевина атома — ядро — не только источник особого типа энергии. От величины электрического заряда ядра зависит химическая индивидуальность атома. И в то же время свойства атомного ядра задают ритм эволюции гигантских звезд во Вселенной.

И хотя само ядро открыто более ста лет назад, оно и сегодня продолжает оставаться загадочным и полным тайн. Каких же сведений не хватает ученым для создания полной теории атомного ядра?

О том, что ядро состоит из протонов и нейтронов, стало известно довольно давно. Но никак не удавалось подметить многих «бытовых» подробностей, без которых не воссоздать правдивой картины жизни коллектива частиц, спаянного ядерными силами. И в первую очередь необходимо было узнать, как ведут себя в ядре протоны и нейтроны, как общаются они друг с другом, каким подчиняются законам.

Исследователи микромира вправе были ожидать, что познание этих законов, то есть познание природы ядерных сил, даст им возможность управлять атомными ядрами. По желанию создавать необходимые людям вещества, одним словом, «вить из ядра веревки». К слову если у вас есть трудности с пониманием физики атомного ядра, как и в целом с физикой и другими науками, то помочь вам сможет учебный сервис для студентов zaochnik.ru, помогающий студентам во время учебы.

«Солярис» микрокосмоса

Вполне естественно было предположить, что кратчайший путь к этой цели проходит через тщательное, детальное изучение взаимодействий двух отдельных ядерных частиц. Например, протона с протоном. Но действие ядерных сил между частицами проявляется только на расстоянии 10^-13 сантиметра. Его и вообразить-то было невозможно! А сдвинуть частицы так близко, преодолев сопротивление электромагнитных сил,— еще труднее.

Помогли ускорители элементарных частиц. Они сообщали протонам большую энергию, необходимую для преодоления мощного электростатического отталкивания между ними и сближения их на ядерные расстояния.

Казалось, что стоит еще сильнее разогнать протоны, проявить еще немного терпения, и тогда вполне можно будет понять основные принципы поведения нуклонов в ядрах, раскрыть, наконец, тайну ядерных сил. Но здесь возникло совершенно непредвиденное, осложняющее дело обстоятельство. Чем с большей энергией сталкивались нуклоны, тем с большей вероятностью рождались новые частицы, не имеющие никакого отношения к ядру.

Ожидания физиков-ядерщиков не оправдались. Мимолетные встречи нуклонов большой энергии мало походили на «отношения», сложившиеся в существующем длительное время сгустке ядерных частиц. В ядре проявлялись какие-то новые свойства, никак не выводимые из свойств частей, его составляющих. Нельзя было рассматривать ядро только как сообщество отдельных нуклонов, как нельзя и живой организм считать простой суммой большого количества клеток.

История взаимоотношений ученых с атомным ядром несколько напоминает описанную С. Лемом фантастическую историю попыток землян установить контакт с планетой Солярис: и здесь периоды взлета интереса чередовались с периодами его падения, а надежды сменялись разочарованиями.

Однако впечатление того, что ядерная «соляристика» зашла в тупик, возникло только из-за отсутствия подходящих инструментов для зондирования ядер, для более энергичного вторжения в их глубины. Но тем временем физика элементарных частиц все более детально исследовала свойства многочисленных представителей микромира, которые стали превращаться в необходимые ядерщикам орудия. К их услугам уже был большой набор частиц — тяжелых и легких, быстрых и медленных, очень слабо и, наоборот, сильно взаимодействующих с веществом. Снова резко повысился интерес к атомному ядру. И результаты не заставили себя ждать. В ряду наиболее интересных оказались сведения о новых свойствах ядер, полученные при исследовании взаимодействия с ними мю-мезонов.

С помощью этих легких заряженных частиц ученые Объединенного института ядерных исследований в Дубне вскрыли новый пласт сокровенных свойств ядерных сил. Проявляются они в разнообразных коллективных колебаниях ядерных нуклонов в момент приобретения ядром большого излишка энергии.

На что похоже «перегретое» ядро?

Ученые хорошо понимают, что им никогда не докопаться до основных законов, управляющих динамикой и структурой ядерного вещества, если не исследовать поведение ядер в экстремальных условиях. В частности, при очень сильном «перегреве», или, как обычно говорят физики, возбуждении. Можно было заранее сказать, что ядро, получив энергию больше той, что требуется для выделения из него одной или нескольких частиц, обязательно потеряет эти частицы. Но интересно было выяснить вот какое обстоятельство.

Что представляет собой возбужденное ядро в тот небольшой промежуток времени, когда оно уже потеряло права на один или несколько нуклонов, а те еще не успели порвать связи с коллективом ядерных частиц?

Ядро может приобрести большую энергию в столкновении с сильновзаимодействующей частицей. Например, поглощая нейтрон. В этом случае оно становится похожим на кипящую каплю ядерного вещества. Частицы в нем движутся быстро и, главное, хаотически. В этом необычном, квазисвязанном (то есть похожем на связанное) состоянии ядро находится до тех пор, пока вся избыточная энергия не сосредоточится на одном или нескольких нуклонах, которые и унесут ее из ядра.

Такое представление о поведении частиц в возбужденном ядре, подтверждаемое экспериментами, было твердо усвоено физиками. Казалось, что оно дает прочную основу для дальнейших исследований. Но наблюдения за поглощением ядрами гамма-квантов больших энергий потрясли ученых, успевших уже на многое наглядеться, изучая микромир. Обнаружилось поразительное свойство ядра! На ту же порцию энергии, но поданную, так сказать, под другим соусом, ядро и реагировало по-другому.

Гамма-кванты оказывают на ядро электромагнитное воздействие. И что же? Дополнительная энергия от 10 до 25 МэВ, введенная в ядро под электромагнитным «соусом», не приводила к хаотическому движению нуклонов. На очень короткое время она аккумулировалась в согласованном коллективном движении частиц. Возбужденный сгусток ядерных нуклонов переходил в такое квазисвязанное состояние, при котором все протоны дружно колебались относительно нейтронов.

Гамма-кванты значительно осторожней повышают тонус ядра, чем сильновзаимодействующие частицы. И долгое время они считались единственным инструментом, с помощью которого можно было выявить удивительную способность ядерных сил вовлекать нуклоны в общее коллективное движение.

Но вот в последнее время этот миф развеяли новые представления о взаимодействии элементарных частиц с ядром.

«Дышите глубже, вы взволнованы»

Атомное ядро поглощало остановившийся в веществе мю-мезон по правилам слабого взаимодействия, которое нигде больше, кроме как в микромире, не встречается.

По сути дела, один из ядерных протонов участвовал в хорошо известной реакции: протон + мю-мезон —> нейтрон + нейтрино. Этот процесс экспериментаторы детально исследовали на ядрах водорода, то есть на отдельных протонах. И считалось, что точно так же мезоны захватываются протоном, связанным в ядре. В общем, ядру отводилась лишь пассивная роль поставщика протонов для этой реакции, принимающего на себя, подобно прикладу ружья в момент выстрела, отдачу при вылете нейтрона и нейтрино. Ядро казалось просто новой декорацией, на фоне которой разыгрывался давно известный спектакль.

Однако на этот раз «здоровый консерватизм» физиков оказал им медвежью услугу. Число теоретических и экспериментальных работ, посвященных ядерному мю-захвату, перевалило за сотню, когда появились первые сомнения в правильности старого подхода. Повысив точность расчетов, ученые обнаружили, что полученное из опытов значение вероятности поглощения мю-мезона ядром почти в два раза меньше величины, предсказываемой теорией. Это противоречие требовало радикального изменения взгляда на самую суть процесса.

Возникало подозрение, что малая вероятность взаимодействия мю-мезона с ядром — результат некоторых, еще неизвестных свойств самих элементарных частиц, участвующих в реакции. Или здесь действовали какие-то новые принципы запрета. А может быть, ядро играло гораздо более важную роль, чем та, которая отводилась ему ранее?

Физики оказались на перепутье! Им предстояло выбрать то единственно правильное направление рассуждений, которое позволило бы понять это важное явление.

И вот группа ученых впервые представила свою резонансную модель — принципиально новую версию тех событий, которые происходят при захвате ядром мю-мезона. Ученые предположили, что с мю-мезоном взаимодействует не просто один из протонов ядра, а участвует в «спектакле» вся нуклонная труппа.

Утверждалось, что именно способность ядра аккумулировать дополнительную энергию около 20 миллионов электрон-вольт в сложных коллективных движениях частиц и определяет «лицо» реакции захвата мю-мезона.

По резонансной модели процесс поглощения мю-мезона можно разбить на два этапа. Сначала исчезновение мезона в недрах ядра приводит к рождению нейтрино и возбуждению, раскачке системы ядерных нуклонов. А вбирает в себя ядро охотнее те порции энергии, которые соответствуют определенным квазисвязанным состояниям этого сгустка из протонов и нейтронов. (Именно поэтому новая модель ядерных реакций получила название резонансной).

Каким же образом могла осуществиться внезапная раскачка всех протонов и нейтронов, если реакция начиналась с поглощения мезона одним-единственным протоном? Тот протон, который «один на один» встречается с мезоном, приобретает избыток энергии и превращается в другую частицу — нейтрон, занимающий в семье нуклонов новое состояние. Так в ядре появляется еще один нейтрон, а то место в состоянии с меньшей энергией, которое раньше было занято протоном, освобождается. Появляется, по терминологии физиков, «дырка». Эта пара частица—дырка много раз исчезает и вновь появляется в ядерном веществе. В результате непрерывного дуэта разных дырок и частиц все протоны и нейтроны вовлекаются в очень сложные согласованные передвижения.

Протоны начинают колебаться относительно нейтронов. Частицы с одним направлением момента количества движения перемещаются относительно частиц с моментом, имеющим противоположное направление. Теоретики предполагают, что возникают даже радиальные колебания всего ядерного вещества. Ядро как бы дышит, то увеличивая, то уменьшая свой размер. Физики так и называют этот новый тип колебаний возбужденного ядра «дыханием».

На втором этапе, через 10-20 секунды, разбушевавшаяся ядерная капля успокаивается и возвращается в нормальное состояние, испуская нейтрон со строго определенной энергией. То есть спектр нейтронов по энергии должен быть линейчатым — состоять из отдельных четких линий, соответствующих определенным возбужденным состояниям ядер.

Вычисленное на основе такой модели значение вероятности захвата мю-мезона впервые совпало с его экспериментальным значением. Однако новая теория была многими учеными принята настороженно. Умами еще владела привычная точка зрения на процесс поглощения мезонов в ядре. И теоретическая идея, опирающаяся на аналогию между этим явлением и взаимодействием гамма-квантов с ядрами, которое, как это было известно, также приводило к сложным коллективным колебаниям нуклонов, казалась беспочвенной фантазией.

Проверить справедливость гипотезы можно было только одним путем: обнаружить группы нейтронов, появление которых в этой реакции она предсказывала.

Доброкачественный пузырь

За поиски нейтронов, вылетающих из мишени при облучении ее мю-мезонами, взялись физики-экспериментаторы. Интернациональная группа ученых подготовила для работы на синхроциклотроне специальную установку, чтобы обнаружить нейтроны в реакции захвата мезонов ядрами.

Основная трудность при создании экспериментальной аппаратуры состояла в необходимости удовлетворить одновременно многим, зачастую противоречивым требованиям. Например, чтобы повысить эффективность установки, лучше использовать детектор нейтронов больших размеров. Но увеличение размера сразу привело бы к ухудшению способности прибора выделять узкие линии в спектре. Этого ни в коем случае нельзя допускать. Кроме того, опыты можно проводить лишь при условии высокой стабильности работы установки в течение десятков и сотен часов.

Эксперименты с нейтронами всегда требуют особой тщательности и детальной продуманности в выборе детектора. А здесь необходимо было еще и четко, безошибочно распознать нейтроны в присутствии интенсивного фона от гамма-квантов, излучает которые и работающий ускоритель, и сама мишень, где останавливаются мезоны.

Сами нейтроны непосредственно зарегистрировать невозможно: любой из известных физических приборов реагирует только на частицы, имеющие электрический заряд. Поэтому нейтроны обычно обнаруживают по поведению протонов — положительно заряженных ядер водорода, с которыми случайно сталкиваются пролетающие нейтроны. В прозрачном кристалле стильбена, вещества, насыщенного водородом, нейтроны, испущенные ядрами при захвате мезона, толкают протоны. А на движущийся протон прибор реагирует мгновенно. В стильбене возникает световая вспышка, которая, усиливаясь в особой лампе-фотоумножителе, превращается в электрический импульс.

Но вот беда. Световая вспышка может возникнуть в кристалле и при попадании в него любой посторонней заряженной частицы. Как же удостовериться в том, что причиной зарегистрированной вспышки света был именно нейтрон?

Уникальные электронные схемы, созданные специально для этого эксперимента, подвергали строжайшему контролю каждый импульс, возникающий в приборе. По форме электрического импульса схемы надежно сортировали протоны от фоновых частиц. Затем электронный анализатор импульсов определял энергию протонов. Однако и этого было недостаточно. Ведь ученых интересовала энергия вылетающих из ядра нейтронов, а не энергия протонов, которых они толкали в веществе счетчика. И тут выручал компьютер. По особой программе, отработанной на радиоактивных источниках и в различных ядерных реакциях, дающих нейтроны с известной энергией, компьютер реконструировал спектр нейтронов по измеренному энергетическому спектру протонов.

Надо сказать, что между созданием экспериментальной установки и началом чистовых измерений всегда лежит самый сложный, самый ответственный период контрольных измерений. Период отладки и постижения всех возможностей созданного детища. Каждое экспериментальное устройство, как любое произведение искусства, уникально. Вот почему, прежде чем пустить установку в ход по прямому назначению, физики сначала в течение целого года придирчиво проверяли, отвечает ли она замыслам и не вносит ли каких-нибудь искажений.

Наконец долгожданный день настал. На экране анализатора начали вырисовываться первые спектры протонов. Трудно было ученым дождаться конца первого сеанса работы на ускорителе. Глаза непроизвольно пытались различить какие-то необычные детали спектра, и требовалось большое самообладание, чтобы статистические неравномерности в наборе импульсов по разным каналам не принять за долгожданную растущую линию. Поддавшись искушению, экспериментаторы провели предварительную обработку результатов после нескольких часов работы и обнаружили… «пузырь», вспученность в определенном месте спектра.

Что это — недолговечный «мыльный» пузырь, которому суждено лопнуть при наборе большего числа импульсов, или будущая формирующаяся линия? К счастью, в следующие часы работы подтвердилось второе предположение. И в последующих сеансах работы на ускорителе весьма надежно были зафиксированы группы нейтронов от захвата мю-мезонов ядрами различных химических элементов.

Эксперимент полностью подтвердил расчеты теоретиков.

Автор: В. Черногорова.