Внутри ядра
После того как Резерфорд «разглядел» в недрах атома его крошечное ядрышко, многим казалось, что наконец-таки наука достигла самого дна природы — глубже этого уже ничего нет. Но прошло всего каких-то двадцать лет и был открыт нейтрон — частица по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода — протон, но только без электрического заряда. Нейтральный протон. Физикам открылась еще одна, теперь уже четвертая по счету, ступенька в глубинах микромира.
Назвать протоном ядро самого легкого и маленького по величине атома предложил все тот же Резерфорд. Этот термин он образовал от греческого слова «протос» — первый. Одновременно это напоминает протеин — простейший белок, основу, из которой построены клетки всех живых организмов. Резерфорд был уверен, что ядра тяжелых атомов тоже каким-то образом должны быть связаны с протоном. В имени его нейтрального собрата, нейтрона, отражено основное отличительное свойство этой частицы — отсутствие заряда. Она не отталкивается электрическим полем ядра и, как нож в теплое масло, проникает внутрь атомных ядер, разваливая их на части или образуя новые ядра. Нейтрон оказался чрезвычайно удобным «щупом» для зондирования внутренности ядер. После его открытия ядерная физика двинулась вперед семимильными шагами.
В известной сказке А. Толстого длинноносый Буратино и его друзья открыли волшебную дверь в каморке папы Карло маленьким золотым ключиком, который мудрая черепаха Тортила нашла в глубоком илистом пруду. Для физиков таким сказочным золотым ключиком стал нейтрон, с его помощью им удалось отомкнуть кладовую атомной энергии. Но это уже совсем другая история…
Вернемся, однако, к атомному ядру. Вскоре после открытия нейтрона два теоретика, немец Вернер Гейзенберг — тот самый, кто позднее руководил работами по созданию атомной бомбы в фашистской Германии, — и советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко — ныне он профессор Московского университета — выдвинули гипотезу о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Согласно их теории, оно по внешнему виду напоминает плод граната с тесно прижавшимися друг к другу ягодками-частицами. В ядре водорода таких частиц всего одна — один-единственный протон, в ядрах тяжелых элементов — например, в свинце или уране — их уже более двух сотен. Опыты блестяще подтвердили эту теорию. Но оставалось загадкой, какие силы так крепко связывают в ядерные капли заряженные и нейтральные частицы.
Чтобы понять, в чем тут дело, нам придется вернуться назад, к началу нашего века.
Мезонный бадминтон
Шел 1905 год. В России бушевал шторм революции. В студенческих аудиториях бурлили сходки. Профессора университетов уходили в отставку, протестуя против жестоких расправ царя с рабочими и студентами. А в далекой спокойной Швейцарии Альберт Эйнштейн, молодой и мало кому известный сотрудник патентного бюро, напечатал в журнале статью, в которой доказывал, что свет — это поток частиц. Незадолго до этого он закончил учебу, но, не найдя лучшей работы, ему пришлось временно стать чиновником.
Его статью мало кто принял всерьез. Идею о том, что свет состоит из отдельных частичек-корпускул, высказывал еще великий Ньютон, но опыты не подтвердили его гипотезы и в течение двух последующих столетий ученые не сомневались в волновой природе света. О том, что свет, радиоизлучение, тепловое излучение нагретых тел — все это разновидности электромагнитных волн, можно было прочитать в любом учебнике физики. А из статьи Эйнштейна вытекало, что световые частицы одновременно имеют свойства волны и корпускулы. Это частицы, которые движутся по волновым законам. Когда энергия невелика, на первый план выступают их волновые свойства. Образно говоря, они в этом случае чувствуют себя нетвердо, их движение неровно и запутанно, как у пьяного. Наоборот, набрав энергии, они приобретают уверенность, и их поведение тогда мало чем отличается от потока быстрых электронов.
Частицы света похожи на двуликого Януса: с одной стороны — частица, с другой — волна! Это нелегко себе представить, недаром даже самые лучшие физики отказывались признать теорию Эйнштейна. Однако опыты приносили ей все новые и новые подтверждения, и постепенно она завоевала всеобщее признание. Частицы электромагнитного поля назвали фотонами от греческого слова «фотос» — свет.
Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они обмениваются фотонами — как будто играют в бадминтон. Одна частица испускает воланчик-фотон, вторая его ловит и отбрасывает обратно. Чем частицы ближе одна к другой, тем живее идет игра и тем сильнее их взаимодействие. Воланчик — фотон — мелькает так быстро, что между партнерами протягивается что-то вроде связывающего их ремня. Правда, он не сплошной, но это неважно — ведь и обычный ремень при большом увеличении, как мы видели выше, состоит в основном из пустоты!
Но вот нейтрон в такой бадминтон не играет. У него нет заряда, и фотоны он просто не замечает. Ему нужны какие-то другие воланчики.
Во что играют внутри ядра нейтроны, первыми начали изучать советские физики Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм (Игорь Евгеньевич Тамм впоследствии стал академиком, одним из ведущих физиков нашей страны). Но прежде чем говорить об их идее, следует познакомиться еще с двумя важными событиями, которые произошли в физике почти одновременно с открытием нейтрона.
В реакции испускания ядром электрона была обнаружена таинственная пропажа. Суммарная энергия ядра и электрона после реакции всякий раз оказывалась меньше энергии исходного нераспавшегося ядра. Чуть-чуть меньше, но и это недопустимо, так как закон сохранения энергии должен выполняться точно. Энергия не может исчезать без следа или возникать из ничего — иначе можно было бы построить вечный двигатель. Вот и пришлось физикам из двух зол выбирать меньшее: или признать, что не верен закон сохранения энергии, или допустить, что энергию уносит какая-то неведомая неуловимая частица, не имеющая электрического заряда. С такой гипотезой выступил швейцарский теоретик Вольфганг Паули. Частицу назвали нейтрино — нейтрончик.
На другой стороне Атлантического океана американский физик Курт Андерсон изучал космические лучи с помощью прибора, который называется камерой Вильсона. Это плотно закрытый сосуд, заполненный насыщенными парами спирта. Такой пар находится в крайне неустойчивом состоянии. Стоит только внутри занимаемого им объема образоваться какой-либо неоднородности, как вокруг нее сразу же начинают конденсироваться капельки тумана. Проходя сквозь камеру, заряженная частица своим электрическим полем повреждает электронные оболочки атомов, однородность среды нарушается, и там, где прошла частица, остается след — сконденсировавшаяся струйка тумана, толщина и плотность которой зависит от массы частицы. Похожее явление можно наблюдать, когда высоко в безоблачном небе пролетает реактивный самолет. За ним тянется ровный белый след. Это те же капельки тумана, которые сконденсировались на молекулах газов и частичках топлива, выбрасываемых моторами самолета. Наверное, каждый не раз видел такой след в небе. Тонкие белые полосы, они особенно хорошо смотрятся ранним утром или вечером, когда их освещают косые лучи солнца.
Если камеру Вильсона поместить еще и в магнитное поле — например, между полюсами сильного электромагнита, — то траектории частиц изогнутся, положительных — в одну сторону, отрицательных — в другую. (Вспомним правило буравчика для направления электрического тока в магнитном поле!) Это позволяет установить знак заряда частицы. Одна из стенок камеры стеклянная, и сквозь нее хорошо видно, что происходит внутри. Такой метод исследования космических лучей разработан советским ученым Д. В. Скобельциным. Им и воспользовался американский физик.
Неожиданно для себя Андерсон обнаружил тонкие, выходящие из одной точки следы, похожие на букву Л с загнутыми ножками. Одну половину буквы «рисовал» электрон, вторую — точно такая же частица, но с зарядом противоположного знака. Положительный электрон. Андерсон назвал его позитроном — от греческого слова «позитро», то есть положительный.
Далее мы еще много раз будем говорить об удивительных близнецах-братьях электроне и позитроне. Многие их тайны не разгаданы до сих пор. Но сейчас нам важно только одно: сам факт существования в природе положительно заряженных частиц — позитронов.
Основываясь на этом факте и на гипотезе Паули о нейтрино, Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм предположили, что частицы внутри ядра обмениваются не только фотонами, но еще и парами частиц, то есть могут испускать и поглощать сразу по два воланчика — электрон и нейтрино или позитрон и нейтрино. Испустив позитрон и нейтрино, или, наоборот, поглотив электрон и нейтрино, протон становится нейтроном. Соответствующим образом ведет себя и нейтрон, он становится протоном.
Может возникнуть вопрос: а зачем нужна пара частиц, разве протон и нейтрон не могут обмениваться одним электроном или позитроном? Нет, не могут. Это им строго-настрого запрещено. Дело в том, что частицы, подобно маленьким волчкам, безостановочно вращаются вокруг своей оси. И вращение их одинаковое, различие лишь в направлении — слева направо или справа налево. Отрываясь от протона или нейтрона, рождающаяся частица может унести с собой их вращение, а это невозможно — невращающихся протонов и нейтронов не существует. Когда же испускается пара частиц, они могут вращаться в противоположных направлениях и тогда в сумме пара никакого вращения не уносит.
Теория внутриядерных сил, разработанная Иваненко и Таммом, на некоторое время стала главным событием физики. Однако более детальные расчеты вскоре показали, что испускание двух воланов происходит слишком редко и образуемых ими «ремней» (точнее было бы сказать — тоненьких ниточек!) недостаточно, чтобы скрепить ядро.
Тем не менее идея объяснить внутриядерные силы бадминтоном каких-то новых частиц выглядела очень привлекательной. Это одна из тех идей, которые играют роль теоретического трамплина. Молодой японский теоретик Хидеки Юкава пошел дальше по этому пути. Он решил атаковать задачу с тыла — предположил, что протоны и нейтроны обмениваются какой-то еще неизвестной нам частицей, и путем сравнения расчетов с опытом попытался установить ее свойства. У него получилось, что эта частица должна быть в двести — триста раз тяжелее электрона, а частота ее испускания и поглощения в процессе бадминтона раз в тысячу больше, чем для фотона. Бадминтон, когда вместо размеренной игры с легким электромагнитным воланчиком партнеры с огромной быстротой перебрасываются тяжелым валуном!
Частица, с массой в двести раз большей массы электрона, вскоре действительно была обнаружена в космических лучах. Ее назвали мезоном, опять воспользовавшись греческим корнем. «Мезо» по-гречески означает «средний». Средний между электроном и протоном.
Используя греческие корни для своих терминов, физики отдают дань уважения первым ученым-атомистам.
Итак, молекулы и атомы скреплены электромагнитными силами. Именно эти силы играют здесь роль «строительного цемента». Внутри ядер действуют в тысячу раз более мощные мезонные силы. Поэтому ядра намного плотнее атомов. Грубо говоря, в триллион раз. Для сравнения напомним, что плотность воздуха и железа различается всего лишь десять тысяч раз, а здесь — триллион!