Охотники за частицами

Дело в том — и это было уже давно подмечено, — атомные веса химических элементов не совпадают с числом протонов в их ядрах. Ни в старой модели ядра, считавшей его состоящим из протонов и электронов, ни в новой, строящей ядра из протонов и нейтронов.

Что же, в этом могут быть повинны изотопы — так первое время думают физики. Скажем, более тяжелого изотопа в той их смеси, с которой имели дело химики, определявшие атомные веса, — этого изотопа побольше, а более легких поменьше. Вот получается дробное число, заметно отличающееся от ближайшего к нему целого. В этом же может заключаться разгадка и того факта, что у каждого элемента отличие дроби от целого разное.

Достаточно посмотреть хотя бы на ядро гелия. Атомный вес его — 4,003 — очень близок к целому числу 4. Значит, гелиевое ядро построено из четырех частиц. Нам оно уже встречалось не раз — это не что иное, как сама альфа-частица. Заряд ее тоже известен — два положительных заряда, каждый из которых по абсолютной величине равен заряду электрона. Значит, в ядре гелия живут два протона, а остальные места занимают два нейтрона.

Атомный вес протона — 1,008, нейтрона — 1,009. Что ж, сложим эти веса и умножим на два — 4,034. «Хвостик» при четверке в добрый десяток раз больше, чем в действительности! В чем же дело?

У гелия есть легкий изотоп, состоящий из двух протонов и одного нейтрона. Но, во-первых, в любой природной смеси этих изотопов более легкий всегда содержится в ничтожной доле, а во-вторых, он не спасает положения: его атомный вес тоже оказывается больше действительного.

Да, ядерные здания построены иначе, чем созданные руками человека. Вес нормального здания равен весу кирпичей да еще весу цемента. Вес же ядерных зданий меньше веса всех его кирпичей! Лет за тридцать до описываемых времен физики могли бы лишь недоуменно развести руками.

Теперь же решение приходит быстро. Еще Эйнштейн показал, что часть массы всех тел может переходить в форму энергии их движения. Затрачивая на что-нибудь свою энергию, тело «худеет». На что же могли затратить часть своей массы протоны и нейтроны в ядрах?

Да на взаимную связь! Удержать протоны друг возле друга, усмирить их бешеную ненависть — на это требуется энергия, и, видимо, немалая.

Впрочем, ее уже можно без особого труда подсчитать: она равна разности мыслимого и реального «хвостиков» при четверке, переведенной из шкалы масс в шкалу энергий. Это составляет ни много ни мало около трех миллионов электрон-вольт. А в ядрах, состоящих из десятков протонов и нейтронов, эта энергия доходит даже до семи-восьми миллионов электрон-вольт в расчете на одну ядерную частицу.

Ого! Энергия связи протона с электроном в атоме, например, водорода — всего лишь около 14 электрон-вольт. Теперь понятно, почему ядра — столь крепкие орешки, почему их не берут даже самые сильные внешние воздействия. Просто эти воздействия слишком слабы. Их энергия в тысячи раз меньше той, что сплачивает ядерные частицы в поразительно прочные коллективы.

Да, нейтрон по праву сменил своего предшественника — электрона — в ядре. Он действительно замечательный страж спокойствия в ядрах. Но как это ему удается? Вот тот вопрос, который мучает физиков первые три года после открытия нейтрона.

Видимо, между нейтроном и протоном существует обменное взаимодействие, — такое предположение высказывают Вернер Гейзенберг и Игорь Тамм.

Атомный волейбол

Электрон «кружится» вокруг протона в атоме водорода. Земля кружится вокруг Солнца. Это простейшие примеры сил притяжения, действующих на расстоянии. Но, оказывается, есть еще один род сил, действующих на расстоянии, и открыла его квантовая механика.

Две команды играют в волейбол. Они не уйдут с поля, пока мяч в игре. Какая сила связывает их? Вы скажете — правила игры. Вот эти-то «правила игры» и подметила квантовая механика, но в атомном мире.

Все началось с обыкновенной молекулы водорода. А вопрос, в сущности, не очень обыкновенный: что заставляет два в целом электрически нейтральных атома притянуться друг к другу и создать довольно прочную молекулу? Раз атомы нейтральны, то, понятно, обычные электрические силы притяжения между ними не действуют.

Теоретики произвели расчеты и выяснили, как меняется вид электронных облаков в каждом из атомов водорода при их сближении. Выявилась удивительная картина. По мере сближения атомов электронное облако каждого из них все сильнее вытягивалось в направлении к ядру «чужого» атома, пока, наконец, не охватило полностью «чужое» ядро. Правда, облака электронов были возле «чужих» ядер более прозрачными, чем возле «своих». Но это уже не меняло сущности дела: «свой» электрон какое-то время должен был пребывать около «чужого» ядра.

Так возник атомный волейбол: ядро, подержав у себя в руках «свой» электрон, бросало его партнеру. Похоже на игру двух спортсменов двумя мячами. И уже нельзя сказать, где «свой» и где «чужой» электрон: электроны ведь схожи друг с другом, как близнецы!