Беседы об атомном ядре

— Но если нейтронам так нужны протоны, то, наверное, физикам досконально известно, сколько именно их требуется ядрам разных элементов?

— Нет. Теория ядерной материи и на это пока не может ответить однозначно.

— А что говорит эксперимент?

— Экспериментаторы упорно пробиваются к границам стабильности ядерного вещества и уже ставят первые пограничные столбы.

Пока физики не вмешивались в дела природы, в ней существовали в основном стабильные ядра и небольшое число долгоживущих радиоактивных изотопов.

Если начертить на листе бумаги прямоугольные координаты и по оси X отложить число нейтронов, а по оси Y — протонов, то все стабильные ядра, из которых создан наш мир, послушно лягут почти на одну линию, которую физики называют линией стабильности: она идет сначала под углом 45 градусов к нейтронной оси, а потом все сильнее наклоняется в ее сторону.

В легких ядрах содержится одинаковое количество нейтронов и протонов. Но чем больше заряд ядра, тем труднее ядерным силам притяжения бороться с возрастающим электростатическим отталкиванием протонов.

Природа справилась с этим затруднением, отпустив на тяжелые ядра вещество, почти вдвое разбавленное нейтронами. После столь могущественной поддержки силы притяжения добились стабильности ядерного вещества и для очень тяжелых химических элементов.

Следовательно, линия стабильности — это область наиболее устойчивых нуклонных коллективов, в которых ядерные силы притяжения обеспечили себе полную победу над силами отталкивания протонов.

Невозможно определить запас прочности той или иной конструкции, не создавая для нее заведомо неблагоприятных условий. Биологи специально завезли шимпанзе в наши псковские леса, чтобы в необычных для них условиях наблюдать, как проявятся их возможности приспособления к новой среде. Однажды на конференции кто-то остроумно заметил, что изучать свойства ядерной материи только по стабильным ядрам — это все равно что изучать географию США по Большому Каньону.

После открытия искусственной радиоактивности ученые рьяно принялись расширять набор изотопов. Им удалось получить довольно много разных модификаций существующих химических элементов с чуть-чуть иным соотношением между протонами и нейтронами. Эти искусственно созданные ядра занимают на графике некоторую площадь вокруг линии стабильности. Назовем ее «материком стабильности».

Конечно, новые приобретения физиков жили недолго, и после радиоактивного распада вновь возвращались на привычные места вблизи линии стабильности. Но сам факт возникновения необычных связанных систем давал обильную пищу для ума. Нечего говорить, сколь интересно было выяснить, в какой степени могут быть перенасыщены протонами и нейтронами пусть даже короткоживущие атомные ядра. Одним словом, надо было найти границы существования ядерного вещества. Посмотреть, что же делается там, на краю ядерной Ойкумены?

Путеводитель для экспериментаторов, составленный теоретиками, несколько напоминает руководства для путешественников, которые существовали, например, у древних египтян. Кто из современных туристов рискнет искать страну, которая лежит там, за восточной пустыней, за лазурными водами, в безмерной дали?

Там — вещает путеводитель для ядерщиков — по обе стороны от линии стабильности, на самом краю материка, где силы притяжения в ядрах с большим избытком протонов или нейтронов уже не в состоянии справиться со своей задачей, расположены резкие обрывы, омываемые волнами моря нестабильности…

Более точно указать координаты границ материка стабильности, то есть те соотношения (разные для разных элементов) между числом протонов и нейтронов, при которых ядро распадается, едва возникнув, современная теория не может. Точное расположение обрывов придется установить самим экспериментаторам.

Теория в пределах своей компетенции обещала волнующие встречи, по крайней мере, с 6 тысячами новых радиоактивных изотопов. С 2 тысячами из них знакомство уже состоялось. Сейчас продолжаются энергичные розыски остальных.

Расширение коллекции изотопов, сильно отличающихся от уже известных, не хобби экспериментаторов. Причудливые разновидности ядер обычных химических элементов снабжают ученых недоступной раньше информацией и помогают им лучше разобраться в устройстве ядер, заполняющих линию стабильности.

Эксперименты с пи-мезонами помогли физикам найти далеко в стороне от линии стабильности удивительное ядро гелия-8 с 6 избыточными нейтронами. С помощью реакции двойной перезарядки пи-мезонов исследователи, как банки консервным ножом, вскрывают ядра с нуклонами и по заранее намеченной программе меняют состав ядерного вещества. Но эта деликатная операция не позволяет добраться до границ области стабильности.