Беседы об атомном ядре

Но испущенные ядром, возвращающимся в нормальное состояние, уже апробированные, так сказать, гамма-кванты неожиданно оказались совершенно непригодными для возбуждения других ядер того же сорта.

Конечно, в то время экспериментальная техника была очень примитивна, но проста и сама идея эксперимента. Установка выглядела так: в источнике находились изомерные ядра, а в мишени — точно такие же ядра, но в основном состоянии. За мишенью располагали счетчик гамма-квантов. По скорости отсчетов в детекторе можно было понять, поглощают ядра мишени резонансные гамма-кванты или нет. Ни в первой, ни во второй, ни в десятой попытке обнаружить это явление не удалось. Гамма-кванты беспрепятственно проходили через мишень и попадали в счетчик.

Пятнадцать лет бились ученые над решением проблемы этой феноменальной, упорной неконтактабельности одинаковых атомных ядер. Бились до тех пор, пока не была вскрыта — именно вскрыта, а не устранена — причина этого непонятного поведения ядер.

И возбужденное ядро, и возбужденный атом — это, в сущности, одноволновые передатчики. Квант света фиксированной частоты, излучаемый атомом химического элемента, может быть принят только единственным квантовым приемником — атомом того же элемента. Ядерный гамма-квант, которому тоже соответствует длина волны определенной частоты, может возбудить такое же стабильное ядро-приемник.

У атомных и ядерных приемников и передатчиков нет ручек для изменения настройки. Для атомов она и не требовалась: фотонная связь между ними работала отлично. Ядерный же приемник ядерные гамма-кванты не принимал и молчал.

В обычной радиоаппаратуре настройка может испортиться из-за какой-нибудь перегоревшей детали. Но что может перегореть в ядре?

Законы квантовой механики, в частности принцип неопределенности В. Гейзенберга, устанавливают интервал энергий, в пределах которого должен наблюдаться резонанс и в атоме, и в ядре. Этот интервал, называемый шириной резонансной линии, обратно пропорционален времени жизни ядра в возбужденном состоянии. Например, для ядер железа-57, которые удерживают избыток энергии примерно 10^–7 секунды, ширина линии равна 10^–8 электрон-вольта.

У изомерных ядер время жизни и интервал энергии излучаемых фотонов, в котором мог наступить резонанс, были почти такими же, что и у атомов. А установить гамма-связь между ядрами так и не удавалось.

Наконец в 1945 году молодые советские ученые И. Барит и М. Подгорецкий впервые открыли всем глаза на обстоятельство, которое до тех пор упускалось из виду. Закон сохранения энергии мог гарантировать успех ядерной связи на гамма-квантах, но он мог также и жестоко карать физиков за оплошность, допущенную по отношению к нему. А оплошность была достаточно серьезной. В своих подсчетах ученые почему-то не учитывали ту небольшую энергию, которую получало ядро в момент отдачи при вылете из него гамма-кванта.

Эта сложнейшая система из элементарных частиц, связанных воедино уникальными ядерными силами, стреляя гамма-квантом, претендовала на свою долю энергии отдачи, как обычный макрообъект.

Энергия взрыва пороха делится между пулей и винтовкой в точном соответствии с их массами: большую часть получает легкая пуля, но кое-что достается и винтовке. Излишек ядерной энергии точно таким же образом распределяется между ядром и гамма-квантом: почти вся энергия достается фотону, а ядру перепадает ничтожнейшая ее доля.

Про отдачу ядра не то чтобы забыли, просто не придавали ей никакого значения. Всех успокаивал качественный вывод о том, что энергия гамма-кванта сохраняется практически нетронутой. Энергия отдачи никогда не фигурировала и в атомном резонансе, там ее величина, приблизительно равная 10^–10 электрон-вольта, была намного меньше ширины резонансной линии и не могла расстроить фотонную связь.

Но между атомными и ядерными передатчиками была одна колоссальная разница: они работали в разных энергетических диапазонах. Атомы испускали энергию порядка нескольких электрон-вольт, а ядра — миллионы электрон-вольт. Ясно, что и при дележе энергии между каждым из этих микрообъектов и соответствующими квантами электромагнитного излучения ядру доставался неизмеримо больший пай, чем атому.

В ядерном гамма-резонансе одна десятимиллионная доля энергии, которую забирало себе, например, то же ядро железа-57, равна примерно 10^–3 электрон-вольта. Порция сама по себе ничтожно малая, и все-таки она в 10⁵ раз больше всего интервала резонансной энергии.

Отдача ядра, которую физики раньше сбрасывали со счетов, едва заметным образом меняя энергию гамма-квантов, в то же время полностью лишала их способности поддерживать резонансную гамма-связь с другими ядрами. Какая уж тут коммуникабельность! Искать в таких условиях ядерный гамма-резонанс — это все равно что пытаться принять, например, в Москве радиостанцию Сиднея при сильнейшем фединге.