Беседы об атомном ядре

Когда ядро получает порцию энергии меньше энергии связи одного нуклона, то, естественно, ядерный коллектив нуклонов не теряет ни одного из своих членов. В положенный момент времени ядро возвращается в нормальное состояние, испуская гамма-квант с той же энергией, что досталась ядру по распределению в ядерной реакции или перешла от родительского ядра при бета-распаде.

Но что происходило в ядре в течение тех немногих мгновений, когда избыточная энергия находилась в его полном распоряжении?

Ядерная система нуклонов, получившая добавочную порцию энергии не более одного миллиона электрон-вольт, чаще всего, как выяснили экспериментаторы, использует ее только на коллективные движения ядерной материи. Они могут быть самыми разнообразными: это и вращение ядра-капли, и колебание его поверхности. В эти моменты капля ядерного вещества, по-видимому, может принимать самые причудливые очертания и походить то на дыню, то на грушу и даже на сферу с буграми.

Сложное ядро, состоящее из десятков или сотен нуклонов, имеет гораздо больше степеней свободы, чем например, воображаемая конструкция из многочисленных легких шариков, соединенных между собой тончайшими упругими пружинками. Даже легкий толчок заставит шарики описывать самые замысловатые траектории. Очень трудно найти порядок, которому подчиняется движение всех шариков вместе и каждого в отдельности. Столь же нелегко разобраться и в закономерностях возникновения той или иной формы общего движения нуклонов.

Тем не менее физики четко установили, в каких именно ядерных реакциях образуются ядра с тем или иным типом возбуждения.

Вращающиеся возбужденные ядра, например, всегда возникают в тех случаях, когда ускоренная заряженная частица, задевая за край ядра-мишени, заставляет ее вращаться, как юлу. В последнее время в реакциях с тяжелыми ионами, которые своим мощным электрическим полем чиркали по поверхности ядер, удавалось получать возбужденные ядра с очень высоким угловым моментом вращения.

Целая армия специалистов по ядерной спектроскопии (так называется область исследований возбужденных ядер) занимается сейчас выяснением природы и сортировкой обнаруженных в опытах многочисленных ядерных уровней. Теория помогает из огромной массы возбужденных состояний выделять группы, связанные с вращением ядра или с колебаниями его поверхности.

До самого последнего времени эксперимент и теория мирно шли рука об руку, и казалось, ничто не угрожало их взаимному согласию. Но совсем недавно новую загадку предложила реакция взаимодействия пи-мезонов с ядрами.

На Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра, которая проходила в 1975 году в американском городе Санта-Фе, одним из наиболее интересных было сообщение о неожиданном результате, впервые полученном большим интернациональным коллективом сотрудников Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, а чуть позже в Швейцарском институте ядерных исследований. При торможении пи-мезонов в веществе-мишени экспериментаторы обнаружили возбужденные ядра в совершенно невероятном для данной ситуации состоянии.

По мнению физиков, исследование ядер с помощью пи-мезонов всегда напоминает схватку с многоголовым мифическим существом — Гидрой, у которой вместо одной отрубленной головы вырастают две новые, ибо каждый новый эксперимент по поглощению пи-мезонов ядрами больше ставит проблем, чем решает.

Так было и на этот раз. Атомные ядра мишени, находящейся в пучке отрицательно заряженных пи-мезонов с малой энергией, как обычно, захватывали эти частицы с соблюдением пи-мезоатомного церемониала, то есть с очень малыми угловыми моментами. А потом с парами происходило что-то непонятное: мгновенно освободившись от нескольких нейтронов, ядерная капля приходила в быстрое вращение. Каким же образом удается пи-мезону закрутить так сильно ядро, не обладая необходимыми для совершения этой операции качествами?

Не имея пока поддержки от теоретиков, экспериментаторы строят разные предположения относительно того, что могло бы означать их неожиданное открытие. Возможно, большую угловую скорость всему ядру передают самые периферийные нуклоны, вращающиеся быстрее тех, которые, как мы уже знаем, и поглощают мезоны в пи-мезоатомах.

Возбужденное атомное ядро не всегда тратит полученную энергию, так сказать, на проведение внутренних мероприятий, требующих непременного участия всех нуклонов. Иногда вся порция энергии целиком передается лишь одному протону или нейтрону, которые могут перейти на другую, незанятую оболочку. В этом случае говорят об одночастичном возбуждении ядра.

И колебательные, и вращательные, и одночастичные уровни атомных ядер часто расположены вперемешку по шкале энергии. И ядро в необходимый момент выбирает то или другое из запасных состояний в зависимости от условий, при которых ему достается дополнительная энергия.