Загадки микромира

Обычными химическими методами просто невозможно выделить определенный канал химической реакции. Практически всегда реакция протекает неоднозначно, обрастая в разных установках различной «паутиной» из петель побочных реакций. Поэтому значения абсолютных скоростей реакций, полученные разными исследователями, сильно различаются. Расхождения так велики, что, как говорят химики, разница между скоростями реакций в сто раз считается хоть и плохой, но терпимой, в десять раз — удовлетворительной, а в два-три раза — вполне удовлетворительной.

Совсем в иных условиях работают физики, изучающие элементарные частицы. Их методы настолько точны, что получаемые результаты практически не зависят от условий эксперимента. Таким же качеством обладает и новый мезонный метод. С помощью мю-мезонов можно с точностью до 10 процентов определить абсолютные скорости очень быстрых химических реакций водорода и более тяжелых атомов с различными веществами и при разной температуре.

Много беспокойств доставляет химикам и другое, не менее популярное, чем водород, вещество — азот. Азотная кислота — хлеб химической промышленности. Большая химия немыслима без аммиака так же, как полет космической ракеты без гидразина.

Химические свойства атомарного азота, давно известного людям элемента, до сих пор очень плохо изучены. А связано это в первую очередь с его высокой химической активностью. Она мешает выделить механизмы его реакций, определить их количественные характеристики, столь важные для практических применений.

Теперь на помощь приходят мезоатомы. Изучая мезоатомы азота, ученые получили первые сведения о характере химического взаимодействия атомов азота с атомами водорода и молекулами перекиси водорода. С помощью электронной аппаратуры удалось установить, что в воде и водных растворах при комнатной температуре мезоазот вступает в химические реакции за ничтожно малое время, порядка 10^–11 секунды. Удалось также измерить абсолютные скорости некоторых из этих реакций.

Разумеется, водородом и азотом дело не ограничивается. Подбирая вещество для остановки отрицательно заряженных мю-мезонов, можно создать «действующие» модели многих других атомов и изучать их поведение. Либо же — с помощью мезоатомов — исследовать различные процессы в окружающей среде.

Дубна — «мекка» мезохимии

На сцене природы в пьесах «Химия» и «Физика» играют, в сущности, одни и те же исполнители. Только в традиционных химических действиях атомы и молекулы прикрыты такими пышными одеждами из устрашающих названий разных соединений и так скованы химическими канонами, что за всем этим так же трудно разглядеть физическую основу их поведения, как в театре масок рассмотреть настоящее лицо актера.

Д. Менделеев уже после создания периодической системы элементов часто говорил, как ему хочется узнать о причине периодичности химических свойств веществ. Физика, разгадав строение атома, помогла химии познать самое себя — увидеть зависимость, существующую в природе между строением электронных оболочек и химическими свойствами вещества.

Но, как это ни печально, традиционные методы экспериментальной химии не позволяют вскрывать эту зависимость в каждом конкретном случае. Получается так, что экспериментаторы не могут опираться на теорию, а теоретики не имеют необходимого экспериментального материала для проверки своих расчетов. Не помогают и мощные вычислительные машины. Возможности теоретической химии пока что ограничены.

И вот сейчас на переднем крае современной науки «разводит пары» «скорая помощь» с пи- и мю-мезонами на борту, направляющаяся по маршруту «физика элементарных частиц — химия».

Сотрудники лаборатории ядерных проблем впервые обнаружили, что характеристики рентгеновского излучения из мезоатомов отражают особенности химического строения вещества мишени. Исследуя окислы разных элементов, физики нашли четкую периодичность свойств мезорентгеновского излучения. Не будь периодическая система элементов открыта 100 лет назад, ее можно было предсказать на основании опытов с мюонами.

Мю-минус-мезон, попадая в какой-нибудь атом, успевает до захвата его ядром послать серию сигналов — рентгеновское излучение, — по которым нетрудно догадаться, в «плену» у какого атома он находится.

А могут ли ученые определить, какое вещество находится в наглухо запертой коробке? Сколько ни верти ее в руках, узнать, что у нее внутри, невозможно. На помощь приходит физик-экспериментатор, работающий на мю-мезонном пучке. Облучив коробку отрицательными мезонами, он тут же по идущему от нее рентгеновскому излучению узнает, какие химические элементы в ней находятся.

Тонкий, как карандаш, пучок элементарных частиц, создаваемый на Лос-Аламосской «мезонной фабрике» в США, без труда проникнет в любой внутренний орган человека и даст возможность сравнить излучение здоровой ткани с излучением, испускаемым тканью заболевшей. Ранняя медицинская диагностика — необходимейшее условие для быстрого выздоровления человека — вот что может дать фундаментальное исследование свойств мезоатомов.