Беседы об атомном ядре

Самое экзотическое нуклонное ассорти можно получить в том случае, если с большой силой ударить одним ядром по другому. Такие опыты ученые ставят на особых установках — ускорителях тяжелых ионов. В этих машинах ускоряются не отдельные протоны с единичным электрическим зарядом, а целые атомные ядра, вплоть до самых тяжелых.

В режиме ускорения тяжелых ионов работает сейчас каждый четвертый ускоритель в мире.

Самый мощный ускоритель тяжелых ионов работает в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Здесь, используя ионы, разогнанные до энергии, позволяющей им преодолеть электростатический барьер вокруг ядер мишени, экспериментаторы пытаются прорваться к границам стабильности ядерного вещества.

При слиянии содержимого двух ядерных «банок» образуется перегретое тяжелое составное ядро. Заранее сказать, каким будет сочетание протонов и нейтронов в ядре после окончания реакции, невозможно: результат зависит от того, каким способом избавится оно от избытка его энергии. Если система нуклонов придет в нормальное состояние, испаряя нейтроны, физики получат новое ядро с избыточными протонами. Но бывает и так, что сталкивающиеся ядра сцепляются и на некоторое время становятся похожими на гантель, которая поворачивается как единое целое. Вращаясь, гантель деформируется и наконец разрывается: кулоновское электростатическое отталкивание и центробежные силы побеждают ядерное притяжение. А экспериментаторы только выигрывают, потому что при разрыве этой сложной системы два-три десятка нуклонов одного ядра передается другому, и возникает необычайный мутант известного химического элемента.

Облучая мишени из тория-232 ядрами кислорода-18 и неона-22, ученые ОИЯИ создали более 10 новых тяжелых изотопов. Например, ядро углерода с 12 дополнительными нейтронами и ядра кислорода, у которых на 14, 15 и 16 нейтронов больше, чем у стабильного ядра того же элемента.

Успехи экспериментаторов, творящих ядерное вещество со столь необычайной структурой, заставляют удивляться поистине неограниченным возможностям ядерных сил. На Международной конференции в Монреале в 1969 году известный ученый профессор X. Гоув из Соединенных Штатов Америки в своем обзорном докладе сказал, что «физика ядерной структуры останется волнующей областью исследований в течение многих лет».

За последнюю четверть века физики-элементарщики открыли огромный мир элементарных частиц. Большинство этих микроскопических объектов, рождаясь на ускорителях высоких энергий, едва успевали дать о себе знать, прочерчивая след в фотоэмульсиях, создавая туманный трек из пузырьков в водородной камере или вызывая срабатывание системы счетчиков. Но эти нестабильные кванты вещества намного расширили наши представления о строении материи. Были открыты новые законы природы, обнаружены нарушения некоторых, казавшихся незыблемыми принципов квантовой механики, мы узнали и о зарядово-сопряженном мире античастиц.

А физики-ядерщики обнаружили обширный мир изотопов-призраков по обе стороны от линии стабильности; мир, который несравненно богаче мира химических элементов. Было установлено, что ядра одного и того же элемента с избытком нейтронов и с избытком протонов так же мало похожи друг на друга, как такса на собаку породы «московская сторожевая». Коллектив ядерных нуклонов чутко реагирует на изменение пропорции между двумя типами своих членов. Меняется при этом структура ядерного вещества, избыток нейтронов приводит даже к увеличению размера ядра, которое разбухает от переполнения внешних нейтронных оболочек.

Экспериментальные результаты по получению и исследованию свойств нового ядерного мира заставляют по-иному посмотреть и на свойства ядерных сил. Здесь, на краях материка стабильности, ядерные силы, как оказалось, не слабеют, а проявляют себя еще очень активно. В области, близкой к пределу устойчивости ядерного вещества, физики обнаружили новые дважды магические ядра, новые области деформированных ядер, новые типы радиоактивного распада.

Короткоживущая связанная система нуклонов, обедненная нейтронами, проявляет себя совершенно необычно для ядерного вещества. Она превращается в излучатель запаздывающих протонов. А ядерная «капля» с большим избытком нейтронов, как говорят теоретики, может повести себя еще более неслыханным доселе образом — испускать пары нейтронов.

— А чем, по путеводителю, кончается линия стабильности в области самых тяжелых ядер?

— Путеводитель предрекал такой же резкий обрыв, знаменующий окончательную и безоговорочную победу сил отталкивания над силами притяжения.

Сорок лет назад периодическая таблица Менделеева заканчивалась 92-м химическим элементом — ураном. Более тяжелых элементов в природе не находили. На ядре урана круто обрывалась и линия стабильности.