Ядерні молекули

Вивчення всіляких ядерних реакцій стало одним з найважливіших напрямків фізики. Саме ці дослідження дозволяють все глибше і глибше проникати в сокровенні таємниці будови речовини. Найпотужнішим засобом сучасного фізичного експерименту служать різні прискорювачі заряджених частинок. На цих атомних машинах створюються пучки літаючих з високою швидкістю протонів, дейтронів і альфа-частинок. Вміють фізики створювати і пучки нейтральних частинок: нейтронів і гамма-квантів. Всі ці частки – снаряди ядерної артилерії – використовуються для вивчення всіляких взаємних перетворень, що відбуваються при зіткненні їх з ядрами. А що вийде, якщо в якості снаряда, що бомбардує яке-небудь ядро, використовувати не протон або нейтрон і навіть не альфа-частинку, а значно більш важке ядро, ну, скажімо, вуглецю або кисню?

До порівняно недавнього часу подібних експериментів не було, і вчені могли лише припускати, яким буде їх результат. Скажімо прямо, нічого сенсаційного тут фізики не очікували. Проте над підготовкою таких дослідів ретельно працювали. Довелося подолати чимало труднощів, перш ніж були створені прискорювачі, в яких виходили б пучки важких ядер, позбавлених (хоча б частково) електронів. Адже прискорювати можна тільки частинки, що володіють електричним зарядом. Але для чого ж все-таки фізикам знадобилося вивчати ядерні реакції з важкими іонами?

Добре відомо, що за допомогою ядерних реакцій вдається перетворювати один елемент в інший. Збулася мрія середньовічних алхіміків. Але сучасна фізика пішла далі. Ядерні реакції розглядали як реальну можливість синтезу абсолютно нових, не відомих природі, надважких елементів. І тут наука здобула чудові перемоги. Особливу роль в отриманні нових елементів зіграли, зокрема, ядерні реакції з важкими іонами.

Однак не тільки заради цього бомбардують ядра різних елементів пучками важких іонів. Вивчення взаємодії важких ядер один з одним має, очевидно, дати цінну інформацію про багато властивостей ядра як цілого, наприклад, про його деформування. Все це надзвичайно важливо для фізики. Вивчення взаємодії важких ядер важливо і для теорії поділу ядер, в якій досі є ще багато неясних місць. Є й інші проблеми, вирішення яких безпосередньо пов’язане з проведенням таких експериментів. Ось чому ядерні реакції з важкими іонами – це один з порівняно нових і вельми плідних методів пізнання сутності процесів, що протікають в надрах атомів.

ПЕРЕДБАЧЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТ

Ядро вуглецю-12, прискорене до величезної швидкості, стикається зі своїм близнюком – таким же ядром вуглецю-12. Що станеться при цьому?

Не знаючи результатів експерименту, фізик відповів би приблизно так: найбільш імовірно, що реакція буде протікати через складене ядро. Це означає, що в результаті зіткнення двох ядер вуглецю-12 утворюється високозбуджений стан ядра магнію-24. Складене ядро буде жити дуже малі частки секунди, а потім розпадеться, випустивши один або кілька протонів або нейтронів; можливо також випускання альфа -частинки. Крім того, практично при будь-якому варіанті розпад супроводжуватиметься гамма-випромінюванням. Що ж до ядер вуглецю-12, то вони вже припинили своє існування, так як, відповідно до сучасної теорії, виліт з складеного ядра такої важкої частинки, як вуглець-12, практично неможливий. Таким є прогноз.

А що показав експеримент? Дійсно, цілий ряд фактів незаперечно свідчить про те, що реакція вуглець-12 + вуглець-12 йде через складене ядро . Але серед продуктів реакції спостерігається значне число ядер вуглецю-12, чого не повинно бути. Пояснити це протиріччя і допомогла гіпотеза про ядерну молекулу – про утворення з двох ядер вуглецю, в якому вони не втрачають своєї індивідуальності, не зливаються в єдине ціле, а як би торкаються один одного. При цьому вони взаємодіють тільки через периферичні нуклони.

Ядерна молекула утворюється в перший момент при зіткненні двох ядер вуглецю. Живуть такі молекули дуже короткий час, порядку 10-20 секунди. Потім утворюючі їх ядра в деяких випадках знову розлітаються, а в ряді випадків, навпаки, «зливаються» в складене ядро магнію-24.

Чим же відрізняється така ядерна молекула від звичайної хімічної молекули? Остання складається, як відомо, з атомів одного або декількох елементів. При цьому зв’язок атомів в молекулі здійснюється в результаті досить складної за своїм характером взаємодії електронів зовнішніх оболонок, а ядра залишаються на відстанях порядку розмірів атомів, тобто на відстанях, в десятки тисяч разів більших, ніж розміри самих ядер.

У ядерній же молекулі ядра зближуються на настільки малі відстані, що взаємодія між ними здійснюється за рахунок ядерних сил. Звичайна молекула, що складається з двох однакових атомів, наприклад водню, в хімічному відношенні виявляє властивості відповідного елемента. А ядерна молекула? Якби нам вдалося за короткий час її життя досліджувати хімічні властивості, то виявилося б, що ядерна молекула вуглецю в хімічному відношенні поводиться не як вуглець. Незважаючи на те, що в такій молекулі ядра вуглецю якось зберігають свою індивідуальність, хімічні властивості ядерної молекули (зрозуміло, «оброслої» електронними оболонками) повністю збігалися б з властивостями магнію.

Природно, виникає питання: чи завжди при взаємодії важких іонів з’являються ядерні молекули? Результати експериментів дають на це питання негативну відповідь. Так, в реакції кисень-16 ядерної молекули не утворюється. Чим же пояснити таку відмінність у двох розглянутих реакціях?

СЛОВО ЗА ТЕОРЕТИКАМИ

Це питання ще не отримало остаточного рішення. Запропоновано поки таке пояснення. Згідно з теоретичними розрахунками, утворення ядерної молекули нерозривно пов’язане з можливістю порушення коливань поверхні ядер, складових молекули. Відомо, що ядро кисню-16 сильніше пов’язане, ніж вуглецю-12. Тому «змусити» поверхню ядер кисню-16 коливатися важче, ніж ядер вуглецю-12. Проте не можна не враховувати, що різниця в енергії зв’язку цих двох ядер не надто велика. Тому й неясно, чи достатня настільки невелика різниця в «міцності» для пояснення можливості і неможливості утворення ядерної молекули. Таким чином, теорія ще не сказала свого останнього слова.

Остаточне судження з приводу існування ядерних молекул можна буде зробити лише після проведення ретельних експериментальних і теоретичних досліджень. Такі роботи інтенсивно ведуться в даний час. Але яким би не був їх результат, абсолютно ясно, що вивчення ядерних реакцій, викликаних важкими іонами, є одним з потужних засобів дослідження атомного ядра.

Автор: Д. Заїкін.