Ядерные молекулы

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Изучение всевозможных ядерных реакций стало одним из важнейших направлений физики. Именно эти исследования позволяют все глубже и глубже проникать в сокровенные тайны строения вещества. Мощнейшим средством современного физического эксперимента служат различные ускорители заряженных частиц. На этих атомных машинах создаются пучки летящих с высокой скоростью протонов, дейтронов и альфа-частиц. Умеют физики создавать и пучки нейтральных частиц: нейтронов и гамма- квантов. Все эти частицы — снаряды ядерной артиллерии — используются для изучения всевозможных взаимных превращений, происходящих при столкновении их с ядрами. А что получится, если в качестве снаряда, бомбардирующего какое-либо ядро, использовать не протон или нейтрон и даже не альфа-частицу, а значительно более тяжелое ядро, ну, скажем, углерода или кислорода?

До сравнительно недавнего времени подобных экспериментов не было, и ученые могли лишь предполагать, каков будет их результат. Скажем прямо, ничего сенсационного здесь физики не ожидали. Тем не менее, над подготовкой таких опытов тщательно работали. Пришлось преодолеть немало трудностей, прежде чем были созданы ускорители, в которых получались бы пучки тяжелых ядер, лишенных (хотя бы частично) электронов. Ведь ускорять можно только частицы, обладающие электрическим зарядом. Но для чего же все-таки физикам понадобилось изучать ядерные реакции с тяжелыми ионами?

Хорошо известно, что с помощью ядерных реакций удается превращать один элемент в другой. Сбылась мечта средневековых алхимиков. Но современная физика пошла дальше. Ядерные реакции рассматривали как реальную возможность синтеза совершенно новых, не встречающихся в природе, сверхтяжелых элементов. И здесь наука одержала замечательные победы. Особую роль в получении новых элементов сыграли, в частности, ядерные реакции с тяжелыми ионами.

Однако не только ради этого бомбардируют ядра различных элементов пучками тяжелых ионов. Изучение взаимодействия тяжелых ядер друг с другом должно, очевидно, дать ценную информацию о многих свойствах ядра как целого, например, о его деформируемости. Все это чрезвычайно важно для физики. Изучение взаимодействия тяжелых ядер важно и для теории деления ядер, в которой до сих пор имеется еще много неясных мест. Есть и другие проблемы, решение которых непосредственно связано с проведением таких экспериментов. Вот почему ядерные реакции с тяжелыми ионами — это один из сравнительно новых и весьма плодотворных методов познания сущности процессов, протекающих в недрах атомов.

ПРЕДСКАЗАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТ

Ядро углерода-12, ускоренное до громадной скорости, сталкивается со своим близнецом — таким же ядром углерода-12. Что произойдет при этом?

Не зная результатов эксперимента, физик ответил бы примерно так: наиболее вероятно, что реакция будет протекать через составное ядро. Это значит, что в результате столкновения двух ядер углерода-12 образуется высоковозбужденное состояние ядра магния-24. Составное ядро будет жить очень малые доли секунды, а затем распадется, испустив один или несколько протонов или нейтронов; возможно также испускание альфа-частицы. Кроме того, практически при любом варианте распад будет сопровождаться гамма-излучением. Что же касается ядер углерода-12, то они уже прекратили свое существование, так как, согласно современной теории, вылет из составного ядра такой тяжелой частицы, как углерод-12, практически невозможен. Таково предсказание.

А что показал эксперимент? Действительно, целый ряд фактов неопровержимо свидетельствует о том, что реакция углерод-12 + углерод-12 идет через составное ядро. Но среди продуктов реакции наблюдается значительное число ядер углерода-12, чего не должно быть. Объяснить это противоречие и помогла гипотеза о ядерной молекуле — об образовании из двух ядер углерода, в котором они не теряют своей индивидуальности, не сливаются в единое целое, а как бы касаются друг друга. При этом они взаимодействуют только через периферические нуклоны.

Ядерная молекула образуется в первый момент при столкновении двух ядер углерода. Живут такие молекулы очень короткое время, порядка 10-20 секунды. Затем образующие их ядра в некоторых случаях снова разлетаются, а в ряде случаев, наоборот, «сливаются» в составное ядро магния-24.

Чем же отличается такая ядерная молекула от обычной химической молекулы? Последняя состоит, как известно, из атомов одного или нескольких элементов. При этом связь атомов в молекуле осуществляется в результате довольно сложного по своему характеру взаимодействия электронов внешних оболочек, а ядра остаются на расстояниях порядка размеров атомов, то есть на расстояниях, в десятки тысяч раз больших, чем размеры самих ядер.

В ядерной же молекуле ядра сближаются на столь малые расстояния, что взаимодействие между ними осуществляется за счет ядерных сил. Обычная молекула, состоящая из двух одинаковых атомов, например водорода, в химическом отношении обнаруживает свойства соответствующего элемента. А ядерная молекула? Если бы нам удалось за короткое время ее жизни исследовать химические свойства, то оказалось бы, что ядерная молекула углерода в химическом отношении ведет себя не как углерод. Несмотря на то, что в такой молекуле ядра углерода как-то сохраняют свою индивидуальность, химические свойства ядерной молекулы (разумеется, «обросшей» электронными оболочками) полностью совпадали бы со свойствами магния.

Естественно, возникает вопрос: всегда ли при взаимодействии тяжелых ионов появляются ядерные молекулы? Результаты экспериментов дают на этот вопрос отрицательный ответ. Так, в реакции кислород-16 ядерной молекулы не образуется. Чем же объяснить такое различие в двух рассмотренных реакциях?

СЛОВО ЗА ТЕОРЕТИКАМИ

Этот вопрос еще не получил окончательного решения. Предложено пока следующее объяснение. Согласно теоретическим расчетам, образование ядерной молекулы неразрывно связано с возможностью возбуждения колебаний поверхности ядер, составляющих молекулы. Известно, что ядро кислорода-16 сильнее связано, чем углерода-12. Поэтому «заставить» поверхность ядер кислорода-16 колебаться труднее, чем ядер углерода-12. Однако нельзя не учитывать, что различие в энергии связи этих двух ядер не очень велико. Поэтому и неясно, достаточна ли столь небольшая разница в «прочности» для объяснения возможности и невозможности образования ядерной молекулы. Таким образом, теория еще не сказала своего последнего слова.

Окончательное суждение по поводу существования ядерных молекул можно будет сделать лишь после проведения тщательных экспериментальных и теоретических исследований. Такие работы интенсивно ведутся в настоящее время. Но каков бы ни был их результат, совершенно ясно, что изучение ядерных реакций, вызванных тяжелыми ионами, является одним из мощных средств исследования атомного ядра.

Автор: Д. Заикин.