Электрический дракон

Макс Планк (1858–1947) – великий немецкий физик, основоположник квантовой физики. Ввёл понятие «квант». Лауреат Нобелевской премии (1918). Именем Планка названа фундаментальная константа квантовой теории – «постоянная Планка».

Эрнст Резерфорд (1871–1937) – великий физик новозеландского происхождения. Предложил планетарную модель атома в виде положительного маленького ядра, вокруг которого двигаются электроны. Лауреат Нобелевской премии (1908).

Нильс Бор (1885–1962) – великий датский физик, ученик Резерфорда. Создатель первой квантовой модели атома и его электронных оболочек. Лауреат Нобелевской премии (1922).

Сказка о строптивом Мёссбауэре, сумевшем заморозить ядерный процесс

Сегодня рядом с принцессой Дзинтарой на мягком диване удобно расположилась королева Никки – и с удовольствием слушала традиционную вечернюю сказку.

– Мама, в название сказки, которое ты прочитала, закралась какая-то ошибка, – сказал Андрей. – Ядерные процессы не зависят от температуры. Например, распад урановых ядер при любой температуре будет одинаков.

– В подавляющем большинстве случаев ты прав, – кивнула головой Дзинтара. – Но не во всех. Случай, когда температура значительно влияет на ядерный процесс, открыл молодой выпускник Мюнхенского университета, которому его научный руководитель поручил исследовать температурную зависимость поглощения гамма-излучения.

– Ой, а можно попроще? – сказала Галатея, скривив недовольную рожицу.

– Дело в том, что ядра химических элементов встречаются не только в виде различных изотопов, но и в виде различных изомеров.

– Ядра изотопов одного химического элемента совпадают по числу протонов, но различаются по количеству нейтронов. А что такое изомеры? – спросил Андрей.

– Они совпадают по числу, как протонов, так и нейтронов, но всё-таки отличаются друг от друга возбуждённостью и периодом полураспада.

Видели, как летят вниз капли, срываясь с неплотно закрытого водопроводного крана? Они летят и деформируются в полёте, колеблются. Так же колеблются и ядра, которые представляют собой капли ядерной материи. Такие возбуждённые ядра часто образуются при ядерных реакциях.

– Для того чтобы уменьшить своё возбуждение, или повышенную энергию, ядро должно что-то выбросить? – догадался Андрей.

– Верно. Если возбуждение очень велико, то ядро может выбросить нуклон. Если оно выбросит протон, то станет ядром другого, соседнего по таблице Менделеева химического элемента. Если выбросит нейтрон – то сохранит своё место в таблице, но станет другим изотопом данного элемента. Но если возбуждение не очень велико, то ядро испытывает гамма-радиоактивность: оно выпускает гамма-квант, или электромагнитный квант очень высокой частоты, – и переходит в более спокойное состояние.

– Так как ни число протонов, ни число нейтронов у ядра не изменились, то ядро не стало ни соседним элементом, ни другим изотопом, а превратилось в новый изомер? – спросил Андрей.

Галатея пожаловалась:

– Как меняется число протонов или нейтронов при радиоактивности – это ясно. Но эти непонятные возбуждения ядра мне непонятны!

В разговор вступила Никки:

– Помните, синичную модель атома, которую мы придумали в сказке про атом Бора?

– Помним! – закричала Галатея. – Там электроны-синички прыгали с орбиты на орбиту, как с ветки на ветку.

– Верно. Вылет ядерного гамма-кванта из возбуждённого ядра очень похож на излучение атомов при переходе электронов с верхней оболочки на нижнюю.

– В ядрах тоже есть энергетическая лесенка из орбит, как в атомах? – удивился Андрей.

Никки кивнула:

– Почему нет? Ядра скреплены мощными силами притяжения, и вполне можно добавить кинетической энергии движению нуклонов, не развалив ядро на части. А квантовая механика разрешает только определённые возбуждённые состояния, которые можно изобразить в виде ступенек лестницы. Поскольку ядерные силы притяжения чрезвычайно велики, разница между уровнями энергии в ядре может быть тоже очень большой. Фотоны, испускаемые при переходах между такими уровнями, будут иметь энергию до нескольких миллионов электрон-вольт, их называют гамма-квантами. При этом гамма-квант для определённых изомеров конкретных изотопов имеет вполне определённую частоту – как и спектральные линии излучения атомов разных химических элементов.

Сейчас речь пойдёт о замечательном физическом феномене, одном из самых красивых в физике. Это также один из моих самых любимых физических эффектов.

– Любимых физических эффектов? – округлила глаза Галатея. – Я часто слышала, как люди спрашивают друг друга – какой у тебя любимый цвет? Какой любимый фильм или книга? Но я никогда не слышала вопроса: а какой твой любимый физический эффект?

– Может, стоит начать задавать его? – подняла брови Никки. – Ответ на него многое скажет о человеке! Так вот, чтобы понять этот эффект, нам нужно вспомнить, что в синичной модели атома говорилось о поглощении фотонов.

Андрей ответил: