Дао физики

Вероятности существования; частицы, которые в ответ на их ограничение в пространстве увеличивают скорость; внезапные переходы атомов из одного квантового состояния в другое и глубокая взаимосвязь всех явлений — вот некоторые черты необычного для нас мира атомов. Но основная сила, действующая в этом мире, известна и в привычной нам реальности. Это сила притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Ее взаимодействие с электронными волнами порождает множество разнообразных структур и явлений, которые окружают нас. Оно регулирует все химические реакции и образование молекул, т. е. соединений, которые состоят из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром составляет основу существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с жизнедеятельностью последних.

В этом исключительно богатом атомном мире ядра играют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу множества молекулярных структур. Для понимания этих структур и в целом явлений природы нам достаточно знать величину заряда ядер и их массу. Но тот, кто хочет понять природу материи и знать, из чего она состоит, должен исследовать ядро атома, заключающее в себе почти всю массу последнего. Поэтому в 1930-е, после того как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения между ними.

Первым важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента (первый — протон) — нейтрона: частицы с массой, примерно равной массе протона, в 2000 раз превышающей массу электрона, но без заряда. Это не только продемонстрировало, что ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, но и показало, что сила, связывающая частицы внутри ядра, — совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитную природу, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними новая сила, не проявляющаяся нигде, кроме ядра.

Ядро атома в 100 тыс. раз меньше самого атома и всё же содержит в себе почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. Если бы человеческое тело обладало плотностью ядра, оно было бы куда меньше булавочной головки. Но такая высокая плотность — не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, «нуклоны» (так часто называют и протоны, и нейтроны) реагируют на ограниченность пространства, приобретая очень высокую скорость движения. А поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, их скорость достигает 60 тыс. км/с. Ядерное вещество — разновидность материи, которая не похожа ни на одну из других ее форм, существующих в нашем макроскопическом мире. Его можно сравнить с микроскопическими каплями чрезвычайно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают.

Новый аспект ядерной материи, определяющий его необычные свойства, — мощность ядерной силы, действующей только на очень близком расстоянии, когда нуклоны сближаются на дистанцию, равную примерно двум-трем их диаметрам. На таком расстоянии ядерная сила работает на притяжение. Но при его увеличении она становится отталкивающей и препятствует дальнейшему сближению нуклонов. Ядерные силы сохраняют ядро в исключительно стабильном, но динамическом равновесии.

Согласно результатам исследований, большая часть вещества ядра сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями. В пространстве между тяжелыми, бурлящими каплями ядер движутся электроны, которые составляют незначительную долю общей массы, но придают материи твердость и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. Но ядерные реакции в этой массе вещества не происходят, потому что имеющейся энергии недостаточно для нарушения равновесия внутри ядра.