Беседы об атомном ядре

К сожалению, понятий, адекватно отражающих то, что происходит в мире ядер, нет в нашем языке. Словосочетания «сильно взаимодействуют» и «не взаимодействуют», которыми за неимением более подходящих пользуются физики, выражают только отдельные моменты, выхваченные из свойственной представителям микромира особой, квантовой манеры поведения.

Конечно, протоны и нейтроны взаимодействуют друг с другом сильно, иначе, как легко догадаться, им никогда не создать крепко связанной системы — ядра. И капельная модель, не обращающая внимание на состояние отдельных нуклонов, всячески подчеркивала эту особенность ядерного вещества.

По оболочечной же модели ядерный коллектив нуклонов существует в раз и навсегда заданном мирке определенных квантовых отношений. И строгие законы этого мира, в частности принцип Паули, запрещают даже двум одинаковым частицам находиться в одном и том же состоянии.

Получается заколдованный круг. С одной стороны, нуклоны должны взаимодействовать друг с другом (и сильно!), чтобы создавать крепко связанные, прочные ядра. С другой — ядерные протоны и нейтроны не могут общаться между собой, потому что в результате любого контакта «кто-то теряет, а кто-то находит» энергию, и обе взаимодействующие частицы обязательно должны перейти в другие квантовые состояния. Но какие? Свободные места в ядре есть только на верхних оболочках, а более глубоко лежащие орбиты с меньшими энергиями никогда не пустуют. Куда же деваться той частице, которая при столкновении теряет энергию, оказывается в положении потерпевшей?

Вот и приходится считать протоны и нейтроны независимыми. Обреченные благодаря удачной маскировке ядерных сил на одиночество в плотной ядерной толпе себе подобных, нуклоны в то же время приобретают право на длительное перемещение по своим индивидуальным орбитам.

Два столь разных представления о ядре, по сути дела, непротиворечивы. И ядро-капля ядерного вещества, и идея об оболочечной структуре отражают вполне реальные, но противоположные черты в поведении этой уникальной системы из элементарных частиц.

— Не ядро, а прямо двуликий Янус!

— Увы, — крошечная сердцевина атома скорее напоминает «человека с тысячью лиц».

— Как же физики разбираются во всех этих «лицах»?

— Теоретики, как заправские модельеры, подбирают, а если не окажется подходящей, то создают новые модели для атомных ядер.

Атомные ядра в каждой конкретной ядерной реакции как будто проявляют себя с какой-то одной стороны. Тяжелые своим поведением напоминают каплю вязкой, несжимаемой жидкости, а более легкие демонстрируют независимость своих нуклонов друг от друга. Но детальное, глубокое исследование ядерных реакций опровергает это поверхностное впечатление. В ядре-капле часто проступают черты, определяемые оболочечной структурой. И наоборот, независимые нуклоны участвуют в коллективных движениях.

Теоретическое представление о ядре должно было отразить обнаруженное экспериментаторами единство двух противоположных черт.

Кажется, это так же трудно, как увидеть человека одновременно в фас и в профиль. Но портреты итальянского художника А. Модильяни убеждают нас в обратном. И для объяснения отклонения формы тяжелых ядер от сферической физикам удалось создать новую, обобщенную, модель атомного ядра, удачный синтез капельной и оболочечной моделей.

Уже говорилось, что деформация заметно меняет условия поединка сил внутри атомного ядра. Выявить, а тем более правильно вычислить величину искажения формы, на которую ядро расходует всего лишь несколько тысячных долей от своей полной энергии, так же сложно, как подметить элементы былой стройности в фигуре располневшего человека. Тем не менее с помощью оболочечной модели можно рассчитать, в какой степени искажают форму нуклоны, перемещающиеся на внешней незаполненной оболочке и оказывающие несимметричное давление на поверхность ядра. А по капельной модели — объемные и поверхностные колебания ядерной жидкости, производимые коллективными действиями всех крепко сцепленных друг с другом нуклонов.

Ядра с заполненными оболочками имеют идеально сферическую «фигуру» и не знают, что такое деформация. Однако форма большинства не очень легких ядер далека от идеальной. Как же связать деформацию ядра, возникающую от воздействия внешних нуклонов с коллективными колебаниями всех остальных протонов и нейтронов?

Можно представить, что любое тяжелое ядро состоит как бы из двух неразрывно связанных частей. Одна часть — это капля сферической формы с заполненными оболочками, а другая — это несколько нуклонов на внешней незаполненной оболочке.