Вселенная в электроне

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!

Вокруг таблицы Менделеева

Задержимся еще немного на ступени атомных ядер. Здесь много интересного.

Как известно, число протонов в ядре оказалось равным номеру химического элемента в периодической таблице, составленной более ста лет назад Д. И. Менделеевым. Ядра с одинаковым числом протонов могут быть «нагружены» различным числом нейтронов. Такие ядра и соответствующие им химические элементы принято называть изотопами, то есть «равнорасположенными» (находящимися в одной и той же клетке таблицы), от сочетания слов «изо» — равный и «топ» — положение. Изотопы почти не различаются по своим химическим свойствам, но, как правило, сильно отличаются по ядерным. Например, один изотоп может быть равнодушным к блуждающим вокруг него нейтронам, а другой, наоборот, жадно их поглощает, увеличивая свою массу.

Чем больше в ядре протонов, тем сильнее они его распирают — ведь все они имеют одинаковый положительный заряд. Когда их становится слишком много, мезонные «ремни» не выдерживают, рвутся, и ядро распадается. Поэтому таблица Менделеева обрывается где-то недалеко за сотым элементом. Самый устойчивый изотоп ядра с номером 94 (это плутоний, из которого делают атомные бомбы) живет в среднем около двадцати пяти тысяч лет. 101-й элемент, менделевий, распадается, прожив пятьдесят — шестьдесят дней. А последний, самый тяжелый, известный сегодня элемент с номером 109 существует всего лишь доли секунды.

Охотиться на новые элементы очень непросто. В дебрях ядерных реакций они рождаются считанными единицами. Рождаются и тут же исчезают. Единственное, что успевают сделать физики, — засечь время их жизни от рождения до распада да еще попытаться заметить какие-нибудь следы цепочки радиоактивных превращений, в конце которой образуется новый элемент. Это все равно, как если бы охотник старался определить, какого зверя он встретил в лесу, по редким царапинам на коре дерева да скорости, с какой неведомый зверь перебежал поляну.

Здесь часто бывают ошибки и много споров. Появляется сообщение об открытии нового элемента, а физики из другой лаборатории утверждают, что это всего лишь новый изотоп давно известного ядра. Споры длятся долгие годы, иногда десятилетия.

Скептики шутят, что поиск новых элементов напоминает ловлю черной кошки в темной комнате, когда неизвестно, сидит она там или давно уже сбежала. И тем не менее найдено уже 109 достоверно подтвержденных элементов!

Могут спросить: а зачем это нужно? Ну будет изготовлен (синтезирован, как говорят физики) еще один элемент, живущий сотую долю секунды? Дорогостоящий научный спорт, погоня за рекордами?

Расчеты говорят, что в окрестностях 112-й клетки таблицы Менделеева, по-видимому, существует «остров стабильности». Внутриядерные частицы собираются там в особо устойчивые группы. Такое иногда бывает — добавляется в нужных местах несколько подпорок, и разваливающаяся конструкция становится вдруг устойчивой. Но больше добавить нельзя — упадет.

Как долго живут сверхтяжелые ядра на «острове стабильности», точно неизвестно. Возможно, годы или десятки тысяч лет, как плутоний, а может, найдутся такие, которые вообще не будут распадаться. Такие ядра были бы прекрасным ядерным горючим. Они на пределе устойчивости, поэтому стоит задеть их слегка нейтрону в атомном реакторе, как они распадутся с выделением большой энергии. Концентрированное топливо для звездолетов, компактные атомные батареи для судов и самолетов да мало ли что еще! Исследования продолжаются.

Однако не только остров стабильности манит ученых. В природе нет ядер, которые состояли бы только из одних нейтронов. Если известные нам стабильные ядра нагружать нейтронами, они становятся неустойчивыми. Но это — когда нейтронов мало. Если собрать вместе сразу много десятков нейтронов, то такие нейтронные капли, возможно, станут устойчивыми и не будут распадаться. У теоретиков есть некоторые основания так думать.

Интересно, какими свойствами будет обладать нейтронное вещество? Может, на этом пути удастся создать аккумуляторы нейтронов и сверхпрочную нейтронную броню — непробиваемую защиту от любых излучений?

Вокруг таблицы Менделеева уйма интересных дел и заманчивых возможностей.

Брызги материи

Полвека назад, перед второй мировой войной, физики знали шесть частиц. Четыре основных частицы-кирпичика: протон, нейтрон, электрон, позитрон, и две вспомогательных частицы-воланчика: фотон и мезон.

Кстати, с мезоном произошла занятная путаница. Когда его обнаружили в космических лучах, физиков удивило, насколько легко он проходил сквозь толстые железные и свинцовые болванки. Оставалось загадкой, каким образом столь слабо взаимодействующая частица может связывать протоны и нейтроны в ядрах. Ответ был найден уже после войны. Оказалось, что существуют два вида мезонов: один — слабовзаимодействующая, похожая на электрон частица, ее-то и открыли в предвоенные годы, а другой — предсказанный Юкава несколько более тяжелый, сильновзаимодействующий мезон. Физиков сбила с толку близость масс этих частиц. Чтобы их различать, им в качестве ярлыка-этикетки присвоили греческие буквы μ (мю) и π (пи) и стали называть мю- и пи- мезонами.

Была еще седьмая частица — нейтрино. Точнее, гипотеза о частице-невидимке, которая взаимодействует с веществом так слабо, что успевает пройти не только сквозь весь земной шар, но и сквозь всю толщу Солнца и не поглотиться. Она не оставляет никаких следов в окружающем веществе. Эту частицу никто не наблюдал, но в ее пользу говорили многие косвенные данные.

В том, что физики довольно быстро поверили в нейтрино, важную роль сыграл авторитет ее изобретателя Вольфганга Паули. Знаменитый физик-теоретик еще при жизни стал легендой. Человек весьма трудный в общении, он был очень требователен к своим ученикам и сотрудникам и не всегда считался с мнением коллег, тем более что в его собственных работах ошибки были крайне редки. Среди физиков ходит много смешных историй и анекдотов, связанных с именем Паули. Его знакомые шутили, что присутствие Паули действует не только на физиков, но и на их приборы — как и физики, они начинают волноваться и сбиваться. Однажды был подготовлен розыгрыш. Большие настенные часы в зале, где предполагалось выступление Паули, с помощью электрического реле соединили с дверью. Ожидалось, что когда Паули ее откроет (а он был человеком пунктуальным), часы «испугаются» и встанут. Но этого не случилось — неожиданно отказало реле.