Ядерний ілюзіон

Атомне ядро не схоже ні на один із знайомих нам предметів. Але для опису подій, що відбуваються в мікросвіті, зручно користуватися простими моделями ядер, що ілюструють якісь їх властивості. Давайте і ми вдамося до цього випробуваного способу. Я пропоную моєму читачеві уявити себе на арені цирку. З усіх боків — ряди крісел. А тепер подумки заповніть їх протонами і нейтронами. Перед вами найпростіша, груба, але наочна модель атомного ядра, в якому нуклони (тобто ядерні частинки — протони і нейтрони) розташовані на своїх кругових орбітах.

Однак порівняння це чисто зовнішнє. Глядач, якому не сподобалася вистава, вільний в будь-який момент або, якщо він культурна людина, дочекавшись перерви, встати і піти додому. А ядерні нуклони не можуть так просто покинути свої орбіти. Їх утримують ядерні сили. Не подумайте, що вони жорстко «прив’язують» або «приклеюють» нуклони до своїх місць. Припустимо, що цирк заповнений не простими глядачами, а жонглерами, які, сидячи на своїх місцях, безперервно перекидаються кульками з кількома найближчими сусідами. Скажіть, чи може хоч один з них покинути своє місце, не порушивши злагодженої роботи всього колективу?

Нуклони в ядрах теж безперервно обмінюються «кульками». Їх реквізит найчастіше Пі-мезони, частинки в сім разів легші, ніж вони самі. Колективне «жонглювання» і пов’язує нуклони в єдиний ядерний ансамбль.

Багато різних фокусів можна здійснювати з атомними ядрами, закидаючи їх мезонами. Наприклад, негативний мезон, влітаючи в ядро, може вибити з рук одного учасника позитивно заряджений мезон. Саме таку ядерну реакцію і вивчала група вчених Лабораторії ядерних проблем Об’єднаного інституту ядерних досліджень в Дубні.

Ось на що вони звернули увагу. Якщо розглядати під мікроскопом емульсію, опромінену негативними мезонами, то серед слідів заряджених частинок, іноді блідих і переривчастих, іноді «жирних» і чітких, серед різного типу «зірок» — свідків ядерних катастроф — досить часто трапляться зірки тільки з одним вихідним мезоним променем. Ядро завжди залишає позитивний мезон.

А де ж другий, негативний? Пошуки відповіді на це питання призвели до відкриття нового дивного типу перетворень, що здійснюються мезонами з атомними ядрами.

Але ж цілком можна було і відмахнутися від цієї обставини! Хіба мало причин, через які зірка може “втратити” другий мезонний промінь? Негативний мезон може застрягти в ядрі, перетворитися в нейтральний мезон, що не залишає слідів в емульсії… Але вченим не давала спокою одна думка: а що, якщо з ядра вилітає той же самий, що потрапив в нього мезон, але переодягнений в електронний одяг протилежного знака? Припущення це здавалося малоймовірним, адже мезон повинен спочатку позбутися свого негативного заряду, а тільки потім стати позитивним, тобто двічі перезарядитися. І все-таки вчені вирішили поставити спеціальний дослід.

Стопку емульсійних шарів розміром з невелику книжку помістили в пучок позитивних пі-мезонів, попередньо знизивши їх енергію настільки, щоб вони вже не могли вибивати з атомних ядер нові мезони. Тепер зірки з одним вихіним негативним мезоном могли виникати тільки за рахунок подвійної перезарядки мезонних снарядів в ядрі.

100 000 мезонів зробили свої, позначки на сторінках емульсійної книжки. І ось виявлена перша зірка, потім ще одна і ще… Три десятки позитивних мезонів, пролітаючи через ядра, перетворилися в негативно заряджені античастинки. Незабаром встановили, що перетворення може відбуватися і в зворотний бік: негативно заряджений мезон, побувавши в ядрі, перетворюється в частку з позитивним зарядом.

Пропали протони

Ядерна реакція подвійної перезарядки – це новий тип спілкування Пі-мезонів з атомними ядрами. Спостерігаючи за зустрічами мезонів з ансамблем нуклоних жонглерів і помічаючи характер цих взаємин, вчені вивчають властивості ядерних сил.

Послідуємо і ми за негативним мезоном. Влетівши в ядро, він стикається спочатку з одним протоном, потім з іншим. В результаті обидва протона втрачають свій позитивний заряд і перетворюються в нейтрони. Але, втрачаючи заряд, нуклони набувають додаткову енергію, яку мезон повідомляє їм при поштовху, і майже завжди легко покидають ядро. А що ж мезон?

Позитивним зарядом, відібраним у першого протона, він нейтралізує свій негативний заряд, а потім загортається в позитивно заряджене покривало, забране з другого. Як правило, у мезона ще вистачає сил вибратися з натовпу нуклонів і перевалитися через верхній край циркової чаші. (Адже заряджена частка може покинути ядро, тільки подолавши електричний бар’єр). Тоді то в емульсії і з’являється зірка з одним вихідним мезонним променем, прокресленим вже позитивною часткою.

Значить, в реакції подвійної перезарядки «страждають» лише два нуклона. Який же інтерес представляє цей невеликий епізод? Невже втрата всього двох учасників може істотно вплинути на роботу інших?

Так. Якщо мезон позбавляє ядро двох одиниць заряду, то перед нами ядро вже іншого хімічного елемента, розташованого на дві клітини ліворуч у Періодичній таблиці Менделєєва. А може бути, це навіть новий, невідомий його ізотоп?

Але ще сильніше змінити ядро може негативний пі-мезон з енергією в сотні мегаелектронвольт. Увірвавшись в нього, порушник спокою може вступити в ядерну реакцію народження нового мезона з першим же протонним жонглером, що потрапив йому на шляху. Тобто вибити з його рук позитивно заряджений мезон. Ось ядро і втратило один позитивний заряд, тому що протон при цій екзекуції перетворився на нейтрон.

Однак наш мезон ще сповнений сил, і, перш ніж покинути ядро, він в змозі зробити вдалі удари по двох протонах. Вдалі, в тому сенсі, що він зможе двічі перезарядитися. Значить, ядерний колектив недорахується ще двох протонів, і заряд ядра в сумі зміниться вже на три одиниці! З однієї точки в емульсії тепер повинні розбігатися два промені-сліди двох позитивних мезонів: народженого в ядрі і того, який викликав весь цей переполох. Поки таке ядерне перетворення не виявлено, але в принципі воно можливе, і вчені продовжують свої пошуки.

Незвичайний фокус

Коли в ядро потрапляє пі-мезон з позитивним зарядом, його жертвами стають два нейтрона. Вони перетворюються в протони і завдяки досить сильним стусанам мезона успішно долають електростатичний бар’єр. Ядро стало легше на два нуклона, але заряд його не змінився. Вийшло ядро більш легкого ізотопу того ж самого хімічного елемента.

Зірка, створена Пі-плюс-мезоном, набагато ошатніше, ніж від Пі-мінус-мезона. У неї ще два додаткових променя — протонних. Але так буває не завжди. Приблизно кожна двадцята зірка не має протонних слідів. А це означає тільки одне: протонам вдалося влаштуватися в старому ансамблі. Що ж вийшло?

Мезон влетів в ядро і вилетів з нього. А саме воно, не втративши жодного нуклону, перетворилося на ізотоп нового елемента з зарядом на дві одиниці більше! Ось це фокус! Ймовірність таких подій можна збільшити, якщо використовувати дуже повільні мезони. Тихо вкочуючись в ядро, мезон не виштовхне з нього жодної частинки. Скромні за зовнішнім виглядом зірки, намальовані в емульсії позитивними і негативними мезонами, — відгомін сильних змін атомних ядер в реакції подвійної перезарядки.

Чарівний ключик

Не відомий жодний інший процес, в результаті якого ядро могло б, майже непомітно для себе, так сильно змінитися. Подвійна перезарядка — делікатна ядерна реакція, що дозволяє переробляти ядра, майже не порушуючи роботи ядерних жонглерів. Вони тільки міняються місцями.

Яке ж це має значення? — знову запитаєте ви. І ми знову відповімо: дуже велике. Жонглювання мезонами об’єднує протони і нейтрони в стабільний колектив. Але так відбувається не завжди, а тільки при певному співвідношенні між кількістю тих і інших. Наприклад, ядерні сили нескінченно довго стримують сотні нуклонів у важкому ядрі урану, але насилу і тільки на короткий час можуть утримати всього вісім частинок в легкому ядрі гелію.

З нескінченного числа можливих поєднань протонів і нейтронів лише незначна частина утворює стабільні ядра. І неможливо заздалегідь передбачити, виникне чи ні злагоджений колектив з такої-то кількості нуклонів. Немає суворої теорії ядерних сил. Ми ще не в змозі надати точну математичну форму цьому надзвичайно сильному потягу нуклонів один до одного. Всемогутня математика поки безсила. Підказати їй це може тільки експеримент. Завдяки йому ми знаємо, що нейтрони і протони розташовуються в ядрах в строгому порядку. Знаємо, що ядра з певними заповненими оболонками набагато стабільніше інших. Реакція подвійної перезарядки в руках експериментаторів – чарівний ключик, яким вони можуть акуратно розкрити таємничу ядерну скриньку і заглянути всередину.

Механізм дії ядерних сил значно складніше, ніж в намальованій вище картині, і якимось чином залежить від «упаковки» атомних ядер. Як раз цю залежність і можна досліджувати з допомогою подвійної перезарядки, змінюючи упаковку ядер — отримуючи «екзотичні» ядра, які відкривають для нас ще не досліджені можливості ядерних сил.

Зазвичай нові ізотопи отримують при бомбардуванні ядер частинками з дуже великою енергією. Ядро руйнується, і важко заздалегідь сказати, який буде результат. Фізики і хіміки перебирають отримані ядерні осколки в надії виявити незвичайне поєднання нуклонів.

Як потрапити в скриньку

Пам’ятаєте традиційний номер циркового ілюзіону? Фокусник стріляє в підвішену під куполом цирку скриньку і перетворює її в букет квітів або ще в що-небудь. Подвійна перезарядка мезонів дозволяє проробляти дивовижні фокуси з атомними ядрами, треба тільки зуміти потрапити мезоном в ядро певного хімічного елемента.

Тонкі пластинки з металевого берилію переклали шарами фотоемульсії. Та таку, схожу на листкове тістечко, емульсійну камеру помістили в потік негативних пі-мезонів. При точному попаданні в ядро берилію емульсія фіксує сліди учасників цієї події. Не страшно, що не буде видно тієї точки, де вона сталася. У напрямку слідів неважко визначити, де вона знаходиться, як легко здогадатися по тріщинкам на склі, в яке місце вдарив камінь.

У що ж може перетворитися берилієва скринька з нуклонами? Реакція подвійної перезарядки змінить її заряд на дві одиниці. Подивимося на Періодичну таблицю елементів. Два протона покладені… ядру елемента гелію. Значить, ядро берилію перетворилося на ядро гелію. Але в який його ізотоп? А ось це вже не залежить від фокусника, тобто від експериментатора. Якщо, наприклад, станеться так, що всі нейтрони зуміють утриматися на своїх місцях, то буде відкрито новий важкий ізотоп гелію з дев’ятьма нуклонами. Ось як при вдалій упаковці можна «нафарширувати» нейтронами ядро гелію, яке зазвичай, в стійкому стані, містить тільки два нейтрона і два протона.

Відомі зараз важкі ізотопи водню — дейтерій і тритій — містять два і три нуклона. Виявляється, процес подвійної перезарядки на берилії може призвести до утворення нових, ще більш важких ізотопів водню.

Прошиваючи ядро, мезон розвалює його на дві майже однакові половинки. Не перериваючи роботи, ансамбль нуклоних жонглерів перебудовується таким чином, що в одній групі три нейтрона перекидаються кульками з одним протоном, а в іншій — чотири нейтрона з двома останніми протонами.

При вдалому збігу обставин цей ядерний фокус закінчиться перетворенням ядра берилію в два незвичайних ядра водню — з трьома і чотирма нейтронами! Можливо, в майбутньому ці надважкі ізотопи водню і гелію будуть отримані в лабораторії.

Вперше в ядерному ілюзіоні

За допомогою подвійної перезарядки негативного Пі-мезона вдалося на мить перетворити ядро гелію-3 в “шматочок” нейтронної матерії. Досі ніяким чином не вдавалося виявити постійно існуючої пов’язаної системи ні з двох, ні з чотирьох нейтронів. І взагалі невідомо, чи існує нейтронна речовина. Її шукають в космосі, шукають і на Землі. Астрофізики припускають, що еволюція великих гарячих зірок найчастіше закінчується перетворенням їх у нейтронні зірки: електрони, під великим тиском втиснуті в атомні ядра, перетворюють всі протони в нейтрони. В таких зірках нейтрони утримуються разом величезними гравітаційними силами.

А чи можуть ядерні сили створити стабільний нейтронний колектив? Чи можуть спрацюватися однакові нуклоні жонглери? Протонам це явно не під силу: електричні заряди однакового знака розштовхують їх. Нейтронам електричне відштовхування не загрожує. Але для нейтронних ядер є свої заборони (занадто складні, щоб тут про них говорити), і передбачити що-небудь певне поки неможливо. Однак досвід з гелієм-3 показав, що ядерні сили, можливо, на якусь мить можуть об’єднати три нейтрона в єдиний ансамбль.

Реакція подвійної перезарядки мезонів відкрила нову можливість для пошуків багатонейтроних систем — наприклад, з шести або навіть восьми нейтронів.

Переглядаючи емульсійні шари, вчені простежили за долею двох ядер азоту, які зазнали подвійну перезарядку негативних мезонів. З чотирнадцяти нуклонів ядра тільки вісім, перегрупувавшись в ядро бору, продовжували своє жонглювання. (Під мікроскопом добре видно характерний слід цього ядра.)

Решта шість кинулися назустріч новим ядерним пригодам. Але чи завжди буде траплятися так? Може бути, іноді вони все-таки утворюють нейтронне ядро? Тільки подальші дослідження дадуть відповідь на це питання.

Автор: В. Черногорова.