Страница 20 из 21
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:
– Если в одном из атомов синичка спрыгнет с верхней ветки на нижнюю, то испустится фотон, а синичка-электрон на другом дереве может его поймать и получить достаточно энергии, чтобы перепорхнуть с нижней ветки на верхнюю.
Никки уточнила:
– Только расстояния между ветками или уровнями энергии в двух атомах должны быть одинаковыми, иначе фотон не поглотится, а пролетит мимо.
Андрей ответил:
– Если оба атома одинаковые, так и будет!
– Верно, для поглощения испущенного фотона его энергия должна очень точно совпадать с разностью уровней энергии в атоме. Как говорят, излучённый фотон должен попасть в резонанс, или должно быть соблюдено условие резонанса между излучающим и принимающим атомом или объектом. С ядерными гамма-квантами дело обстоит точно так же: вылетевший из возбуждённого ядра гамма-квант может поглотиться ядром того же химического элемента, находящегося в спокойном состоянии, и возбудить его.
– То есть ядра передадут свою возбуждённость друг другу? – хихикнула Галатея. – Совсем как у людей. Школьники перед экзаменом здорово волнуются и пугают друг друга.
Никки, с молчаливого согласия Дзинтары, прочно взяла сказочную инициативу в свои руки и продолжила:
– На практике, вероятность того, что гамма-квант, выпущенный одним ядром, возбудит одинаковое по составу другое ядро, очень мала – потому что для такого возбуждения нужно, чтобы ядро поглотило ровно столько же энергии, сколько сбросило другое ядро. Но гамма-квант теряет свою энергию при испускании и поглощении. Ведь, в отличие от обычных фотонов, испускаемых атомом, у гамма-квантов отдача такая, что атомное ядро при их испускании или поглощении шарахается в другую сторону…
– Я не понимаю… – заныла заинтригованная Галатея. – Объясни получше.
– Это очень просто, – сказала Никки. – Если стрелять из пушки, то в момент выстрела пушка дёрнется в другую сторону. Другой пример: если бросить мяч, стоя в лодке, плавающей в пруду, то мяч полетит в одну сторону, а лодка поплывёт в другую. В нашей аналогии лодка – это ядро, а мяч – это гамма-квант. В результате отдачи гамма-кванты вылетают из радиоактивного кристалла с уменьшенной энергией. Если мяч ловит человек, стоящий в другой лодке, то при поимке мяч отдаст часть своей энергии и второй лодке, которая поплывёт вперёд – в направлении полёта мяча.
– Так, давайте разберёмся! – решительно сказала Галатея. – Пусть одни лодки плавают у левого берега пруда – это будет команда излучателей, другие у правого – это будет команда дефекторов…
– Детекторов, – поправил Галатею Андрей.
– Ну да… На каждой лодке стоит игрок или человек с перчатками, в которые встроены измерители силы удара. Люди на левых лодках бросают мячи, а люди на правых лодках их ловят. И вы утверждаете, что мячи будут терять свою энергию при переброске?
– Да. Пусть все лодки покоятся в начальный момент. Когда игроки слева бросят свои мячи, то их лодки под действием реактивной силы поплывут к левому берегу. А когда игроки справа поймают эти мячи, их лодки поплывут к правому берегу. И перчаточные измерители у левых игроков покажут, что из 100 процентов энергии, которые игрок затратил на бросок, мячу досталось только, скажем, 95 процентов, а пять процентов досталось лодке. А измерители у правых игроков покажут, что они поймали мяч с силой удара, равной 90 процентам от первоначального, потому что ещё около пяти процентов начальной энергии уйдёт на движение правых лодок.
– Ну хорошо… – нехотя согласилась Галатея. – И что дальше?
– В данном примере никакого поглощения гамма-кванта ядром не произойдёт – слишком мало у мяча сохранилось энергии. Но исследователи заметили, что если заставить лодки двигаться хаотически в разных направлениях, то вероятность поглощения возрастает.
– И это совершенно понятно! – воскликнул Андрей. – Ведь если левая лодка движется слева направо, то бросок мяча левым игроком её просто остановит. И если правая лодка будет двигаться летящему мячу навстречу, то поимка мяча её не ускорит, а затормозит. Значит, энергия лодок была добавлена в процесс, от чего мяч, то есть гамма-квант, сумеет сохранить свою энергию – и поглотиться другим ядром.
– Кажется, тебе пора читать эти сказки вместо меня, – сказала Дзинтара, – ты обо всём догадываешься раньше всех.
Никки подмигнула покрасневшему Андрею:
– Да, можно двигать друг к другу излучатель или детектор – и тогда поглощение гамма-квантов в детекторе вырастет. Аналогичный процесс происходит, когда кристаллы не двигаются, но температура их растёт – ведь каждый атом начинает колебаться со скоростью, растущей вместе с температурой. В результате у нас появится какое-то количество атомов в излучателе, которые будут двигаться к детектору с нужной для поглощения скоростью.
Научный руководитель дал молодому аспиранту Рудольфу Мёссбауэру задание: измерить, как при изменении температуры кристалла меняется поглощение невозбуждёнными ядрами осмия гамма-квантов, выпущенных возбуждёнными ядрами осмия.
– То есть при увеличении скорости хаотического движения лодок… – пробормотал Андрей. – Действительно ядерный процесс оказался зависящим от температуры…
– Руководитель настоятельно рекомендовал аспиранту нагревать радиоактивный кристалл, чтобы достигнуть больших скоростей хаотического движения атомов. Но молодой аспирант поступил по-своему – и стал охлаждать кристаллы, чтобы измерить кривую поглощения при низких температурах.
– А что, открытия всегда делаются через непослушание? – спросила Галатея с хитрым прищуром.
Дзинтара вмешалась с некоторым беспокойством:
– Практически всегда. Но речь идёт о непослушании в научной дискуссии, а не в споре о том – убирать или не убирать девочкам носки со стола.
– Ах, о научной дискуссии… – протянула Галатея.
Никки ухмыльнулась и продолжила: