Наука и удивительное

Размер и устойчивость

В предыдущей главе мы показали, что все нас окружающее есть комбинация 92 атомных ядер и их электронов. Все вещества и формы всего существующего суть результаты взаимодействия различных электронных волновых конфигураций и их комбинаций. Электроны принимают свои характерные конфигурации, когда они. собираются вокруг ядра; таким путем образуются атомы, которые соединяются в молекулы. Эти конфигурации обусловливают специфические свойства веществ и придают каждому веществу особый характер.

Конфигурации могут деформироваться и разрушаться в результате столкновений частиц с большими энергиями или вследствие других сильных воздействий, но они обладают известной типичной устойчивостью. Мы видели, например, что при температурах, которые наблюдаются на поверхности Земли, энергия теплового движения недостаточна для разрушения атомных и большинства молекулярных волновых картин. Вот почему вещества, находящиеся в окружающей нас среде, обладают специфическими свойствами. Предел устойчивости атома или молекулы различен для разных видов атомов и молекул. Он зависит от ряда факторов, но главным образом от размера атомов и молекул. Крупные единицы менее устойчивы, чем мелкие. Большие молекулы легче расщепить, чем маленькие. Чрезвычайно крупные молекулы, входящие в состав органических веществ, например мяса и овощей, разрушаются в процессе пищеварения, происходящем при относительно низкой температуре нашего желудка. Однако, как мы видели в гл. VI, расщепление значительно меньших молекул кислорода требует температуры пламени. Удаление электрона из атома водорода, самого маленького атома, требует еще больших энергий. Оно не происходит в пламени, но наступает в сильном электрическом разряде.

Связь между размером и устойчивостью есть прямое следствие волновой природы частиц. Вспомним, что длинная струна рояля дает более низкую ноту и более низкие обертоны, чем короткая. Аналогичным образом длинноволновая конфигурация также должна соответствовать более низким частотам. Согласно фундаментальному соотношению между частотой и энергией, более низкая частота отвечает и меньшей энергии. Мы ожидаем, что волновая картина больших размеров обладает меньшей энергией и чувствительна к более слабым возмущениям. Вот почему соотношение между размером и устойчивостью носит столь универсальный характер. Чем меньше система, тем больше ее устойчивость, тем больше энергии требуется для нарушения ее характерной структуры.

Строение ядер

Как мы видели, вещество состоит из электронов и атомных ядер. Каждый элемент имеет свое собственное атомное ядро, несущее определенное число единиц заряда. Этот заряд ответствен за свойства атома, так как он определяет число электронов в атоме и принимаемую ими конфигурацию. Здесь мы считаем ядро атома неделимым целым, заряд и масса которого характерны для данного типа атомов. Атомы каждого элемента имеют свое, типичное для них ядро. Вещество состоит из множества разных «элементарных частиц»; электронов и различных характерных для каждого элемента ядер.

Но такое положение дел неудовлетворительно. Удобнее было бы допустить, что различные типы атомных ядер построены из нескольких простых компонент. Тогда все атомные ядра являлись бы структурами, состоящими из таких компонент, и именно эти последние, а не ядра естественно было бы считать элементарными частицами.

До сих пор мы рассматривали атомные ядра как массивные частицы, наделенные только положительным зарядом, но, по-видимому, лишенные какой бы то ни было структуры. Может ли быть, что их бесструктурность только кажущаяся, так же как и у атомов, находящихся ниже порога возбуждения? Из нашего соотношения между размером и устойчивостью вытекает, что малый размер ядра должен означать очень высокий порог возбуждения, значительно превышающий порог возбуждения атома. Вероятно, следует ожидать, что внутренняя структура ядра несущественна для динамики атома, и ее удается наблюдать только при более высоких энергиях, чем те, с которыми мы имели дело в атомных и молекулярных проблемах.

Одним из важнейших успехов современной физики было экспериментальное открытие квантового мира внутри маленького ядра, мира, подобного тому, который существует в значительно большем атоме. Оказалось, что атомные ядра действительно обладают структурами и что они построены из частиц двух сортов — протонов и нейтронов. Протон идентичен наиболее легкому ядру, ядру водородного атома: он несет единичный положительный заряд, и его масса в 1840 раз больше массы электрона. Нейтрон имеет почти такую же массу, как протон, но не несет никакого заряда.

Таким образом, заряд ядра равен числу содержащихся в нем протонов, так как каждый протон несет единицу заряда. Поэтому число протонов в каждом ядре совпадает с атомным номером элемента Z. Маленькая таблица значений Z на стр. 81 дает число протонов, содержащихся в ядрах элементов. Нейтроны не имеют заряда, они дают вклад только в массу ядра. В общем случае в ядре несколько больше нейтронов, чем протонов.

Должна существовать сила, которая удерживает нейтроны и протоны в столь малом объеме, как атомное ядро. Ядерная сила, действующая между нейтронами и протонами, соединяет их внутри ядра. Это очень большая сила притяжения, она не только должна превосходить электрическое отталкивание между положительно заряженными протонами, но и ограничивать движение частиц исключительно малой областью пространства.

Человеку не приходилось прямо сталкиваться с этой силой, как с другими двумя. Каждый из нас видел действие силы тяжести на тела, наблюдал результаты действия электрических или магнитных сил. Тяготение и электрические силы действуют на любом бесконечно большом расстоянии. Гравитационное и электрическое притяжение уменьшается с расстоянием в соответствии с хорошо известным законом обратных квадратов, но эти силы заметны на любом расстоянии. Обнаружить ядерные силы гораздо труднее, главным образом из-за очень короткого радиуса их действия. Они полностью исчезают на очень малом расстоянии. Найдено, что они действуют только на отрезках длиною около 10^-13 см, что в 100 000 раз меньше размера атома. Поэтому, конечно, в обычном мире, мире человека, нельзя непосредственно заметить действие ядерных сил.

Однако косвенно роль ядерных сил огромна. Если бы их не было, нуклоны (ядерные частицы) разлетелись бы во все стороны. Без ядерных сил не могли бы существовать никакие атомные ядра, кроме ядра водорода (протон), следовательно, водород был бы единственным элементом. Кроме того, как мы увидим далее, солнечная энергия, дающая нам тепло, в конечном итоге возникает в результате действия ядерных сил; наконец, недавно человеку удалось воспользоваться (и даже злоупотребить) делением ядер, которое тоже происходит от действия ядерных сил.

Ядерная физика развивалась в тех же направлениях, что и атомная. В тридцатых годах, всего через 10 лет после открытия волновой природы атомных электронов, были найдены характерные квантовые состояния и у ядер.

Это легко понять на основе наших знаний о кванте. Ядерные силы заставляют протоны и нейтроны двигаться в малой области, в пределах объема ядра. Такое ограничение движения подобно ограничению движения электронов в пределах объема атома за счет притяжения атомного ядра. Ограничивающее действие ядерных сил должно создавать конфигурации протонных и нейтронных волн, подобные конфигурациям электронных волн в атоме. Известно, что волновые свойства зависят от массы движущейся частицы; чем она тяжелее, тем короче волна и тем труднее заметить волновые эффекты. Однако волновые эффекты приводят к характерным волновым картинам, как только движение частицы ограничивается.

Мы видим повторение в ядре волновых эффектов, наблюдавшихся в атоме. Квантовые состояния, пороги устойчивости, характерные конфигурации, тождество ядер одного сорта — все это наблюдается в мире значительно меньших размеров, или, учитывая соотношение между размером и энергией, в мире гораздо больших энергий.

Для того чтобы изучать строение ядер, необходимо преодолеть пороговые энергии для квантовых состояний ядра. Оказалось, что эти энергии лежат в области сотен тысяч и миллионов электроновольт. Такие энергии получить очень трудно. Первые опыты по расщеплению ядра были выполнены с альфа-частицами, которые испускаются с большими энергиями некоторыми радиоактивными веществами. Эти частицы тождественны ядрам гелия: они состоят из двух протонов и двух нейтронов, прочно связанных между собой в единое целое. Это те же частицы, при помощи которых Резерфорд в 1911 г. открыл атомные ядра. Несколькими годами позднее, в 1919 г., Резерфорд, снова применив альфа-частицы, сделал другое фундаментальное открытие. Направляя пучок альфа-частицы в газообразный азот, Резерфорд нашел, что они могут разбить ядро азота на части. Ему удалось показать, что от ядра азота отщепляется протон; тем самым он установил, что в состав ядра входят протоны.

После этой памятной даты был накоплен огромный запас данных о строении атомных ядер. После 1930 г. были изобретены и построены машины для ускорения протонов и альфа-частиц до весьма больших энергий, и больше не надо было применять радиоактивные вещества для исследования атомных ядер. Эти машины называют по-разному: циклотроны, синхротроны, электростатические ускорители и т. д.; их популярное название (в США) — «атомодробители», хотя их следовало бы назвать «дробителями ядер». Атом легко разрушается нагреванием или электрическим разрядом. При зажигании спички многие атомы вещества, покрывающего спичечную головку, теряют во время этого миниатюрного взрыва по одному из своих электронов. Именно ядро, а не атом противостоит разрушению структуры, пока не достигаются энергии порядка миллионов электроновольт.

Однако в некотором смысле название «атомодробитель» правильно. Атомное ядро — это не только центр атома, но и его основная часть. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Масса окружающих его электронов меньше 1/2000 всей массы атома. Больше того, электроны можно удалить и заменить. Именно заряд ядра определяет электронную волновую картину вокруг него и тем самым свойства атома. Ядро наделяет атом его специфическими свойствами. Когда Резерфорд и его сотрудники впервые превратили одно атомное ядро в другое (они бомбардировали азот альфа-частицами), альфа-частицы проникали в ядра азота и отрывали от них протоны; полный заряд ядра увеличивался на единицу, в результате чего ядро азота превращалось в ядро кислорода. Так они осуществили великую мечту алхимиков — преобразование одного элемента в другой (рис. 43).

Рис. 43. Старинный рисунок, изображающий алхимиков за работой.

Открытие ядерной силы было важным шагом в познании природы. Ранее мы узнали только о двух силах природы — силе тяжести и электромагнитной силе. Сила тяжести управляет движением очень больших единиц вещества, движением небесных тел и падением тел на Земле. По атомной шкале эта сила чрезвычайно мала и поэтому не играет никакой роли внутри атомов и молекул. Большое достижение квантовой механики заключалось в доказательстве того, что свойства вещества, строение атомов и молекул можно целиком объяснить электрическими силами между электронами и ядрами и электронными конфигурациями, обусловленными этими силами.

Теперь, изучая атомные ядра, мы натолкнулись на новую силу природы — ядерную силу, силу, которая действует между составляющими ядра и соединяет их между собой.

После этого ядерная физика приняла вид, во многом напоминающий атомную физику. Было показано, что и ядра имеют свои волновые картины, в ядрах были найдены характеристические квантовые состояния. Было установлено, что излучение, испускаемое и поглощаемое ядрами, имеет характеристические частоты, точно отвечающие разностям энергий между двумя квантовыми состояниями ядер (рис. 44).

Рис. 44. Квантовые состояния натрия (а) и ядра натрия (б). Состояния а те же, как и на рис. 23 гл. V. Отметим, что на рис. б цена деления в 100 000 раз больше.

Переходя из более высокого энергетического состояния в более низкое, ядро, так же как и атом, освобождает разность энергий в форме кванта излучения, частота которого ω отвечает разности энергий Е согласно формуле Планка E = hω. Различие с атомом — в величине освобождаемой энергии. Переходя из одного квантового состояния в другое, атом обычно испускает видимый свет; атомные ядра испускают «свет» гораздо более высокой частоты, потому что разность ядерных энергий в сотни тысяч раз больше атомных. Эти лучи подобны очень сильно проникающим рентгеновским лучам и называются «гамма-лучами».

Есть еще одно различие между квантовой механикой атома и квантовой механикой атомного ядра. В случае атома мы точно знаем природу силы, привязывающей электрон к ядру, это. сила электростатического притяжения. Можно точно рассчитать волновые картины и предсказать энергию и конфигурацию квантовых состояний. В случае атомного ядра притягивающая сила нова по природе и нам неизвестна. Мы не можем достаточно хорошо рассчитать волновые картины. Все, что мы можем в настоящее время, — это определять свойства этой новой силы, изучая наблюдаемые волновые картины. Трудность подобной задачи становится понятной, если учесть, что атомные ядра в 10 тысяч раз меньше атомов. Однако удалось накопить достаточно важные сведения о новой силе. В настоящее время мы знаем радиус ее действия, величину, а также некоторые ее более тонкие особенности; кроме того, нам известен следующий замечательный факт: почти всюду (в пределах радиуса ее действия) эта сила является притягивающей, но при слишком сильном сближении нуклонов она становится отталкивающей.

Ядерная физика преподала нам урок исключительной важности. Вся материя состоит из элементарных частиц трех типов: протонов, нейтронов и электронов. Все в природе есть комбинация этих трех единиц. Протоны и нейтроны соединяются, образуя атомные ядра, электроны в соответствии со своими волновыми картинами движутся вокруг ядер, и получаются атомы; атомы соединяются в молекулы, а молекулы — в вещества, которые мы видим вокруг себя. Это было большое достижение — свести все многообразие веществ к трем элементарным единицам, которые образуют различные комбинации под влиянием ядерных и электромагнитных сил и создают все вещества во Вселенной.

Изотопы и радиоактивность

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами. Протон заряжен, а нейтрон электрически нейтрален, поэтому заряд ядра определяется числом протонов. Величина этого заряда играет очень важную роль, так как она определяет род атома, построенного вокруг ядра, и поэтому характеризует элемент, которому принадлежит данное ядро. Нейтроны служат только «клеем», они помогают удержать протоны в ядре.

Ядерные силы действуют наиболее эффективно в тех случаях, когда число нейтронов приблизительно равно или несколько больше числа протонов. Так устроено большинство ядер. Например, ядро гелия (его заряд — две единицы) состоит из 2 протонов и 2 нейтронов; ядро углерода содержит 6 протонов и 6 нейтронов, ядро азота — 7 протонов и 7 нейтронов.

Иногда определенное число протонов образует ядра с различным числом нейтронов. Эти различные ядра принадлежат одному и тому же элементу (элемент определяется числом протонов), но с различным весом. Два вида одного и того же элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов в их ядрах и, следовательно, атомным весом; они называются изотопами. Например, существуют изотоп обычного углерода — его ядро содержит 6 протонов и 7 нейтронов — и изотоп обычного азота — его ядро содержит 7 протонов и 8 нейтронов. Изотопы углерода обозначаются символами С¹² и С¹³, а изотопы азота — N¹⁴ и N¹⁵. Верхний индекс показывает общее число частиц (нейтронов и протонов), составляющих ядро. Изотопы С¹³ и N¹⁵ встречаются гораздо реже обычных С¹² и N¹⁴.

Почему в ядро углерода нельзя поместить больше (например, 8) или, наоборот, меньше (например, 5) нейтронов? Тогда мы получили бы изотоп углерода с общим числом частиц, равным 14 или 11, т. е. С¹⁴ или С¹¹. Это и на самом деле возможно, С¹¹ и С¹⁴ можно получить в ускорителях. Однако в таких ядрах с их аномальным избытком или недостатком частиц одного рода происходит странное явление.

Это явление, наблюдаемое во всех случаях, когда между числом нейтронов и числом протонов нарушается баланс, называется радиоактивностью. Медленно, но верно протон сам собой превращается в нейтрон, если протонов слишком много, как в С¹¹, или нейтрон превращается в протон, если есть аномальный избыток нейтронов, как в С¹⁴. Тогда из С¹¹ получается ядро с 6 нейтронами и 5 протонами, т. е. ядро бора В¹¹; С¹⁴ превращается в ядро с 7 протонами и 7 нейтронами, т. е. в ядро азота N¹⁴ (рис. 45).

Рис. 45. Радиоактивное превращение С¹⁴ в N¹⁴. Один нейтрон превращается в протон, испуская отрицательный электрон (е^-) и нейтрино (ν). Светлые кружки — нейтроны, темные — протоны.

Этот процесс превращения имеет особый интерес. Он происходит медленно и непрерывно с определенным временем полураспада, которое составляет 20 мин для С¹¹ и 4700 лет для С¹⁴. Мы применяем термин «полураспад», потому что после 20 мин половина ядер С¹¹ станет ядрами В¹¹; за следующие 20 мин превратится еще половина оставшихся ядер и т. д. Тот же закономерный процесс происходит и с С¹⁴, но для него соответствующие промежутки времени равны 4700 лет.

Каждое превращение сопровождается испусканием частиц. Прежде всего, электрический заряд не может внезапно уменьшиться с 6 до 5 единиц или возрасти с 6 до 7 без того, чтобы не изменилось что-нибудь еще. Ядро должно как-то приспособиться к изменению заряда. Испускаются две частицы, одна из них — электрон, положительный[40] или отрицательный, другая — «нейтрино». Нейтрино, незаряженный партнер электрона, очень легок, вернее, его масса просто равна нулю[41]. Так как нейтрино не несет заряда и, следовательно, на него не действуют силы электрического притяжения или отталкивания, он очень легко проникает в вещество. Испущенный электрон положителен, если протон превратился в нейтрон, как в С¹¹, и отрицателен, если нейтрон превратился в протон, как в С¹⁴. Это компенсирует изменение заряда ядра.

Обе испущенные частицы обладают большой энергией. В превращении С¹¹ → В¹⁴ пара электрон — нейтрино получает около миллиона электроновольт; в случае превращения C¹⁴ →N¹⁴ эта энергия равна 15 000 эв. Освобождение таких количеств энергии объясняется тем, что ядра конечных продуктов (В¹¹ или N¹⁴) имеют меньшую энергию, чем исходные ядра. Как мы видели в предыдущей главе, переход от менее прочно связанной системы к более прочно связанной всегда дает выигрыш в энергии. У В¹¹ и N¹⁴ отношение числа протонов к числу нейтронов сбалансировано лучше, чем у исходных ядер, и поэтому они связаны крепче.

Радиоактивные ядра имеют большое значение в медицине, потому что электроны с большой энергией действуют на живые ткани. Существует много практических приложений радиоактивности и помимо медицинских. При помощи современных ускорителей сравнительно легко получать ядра радиоактивных элементов. Для создания ядер с аномальным избытком нейтронов или протонов достаточно бомбардировать обычные ядра протонами или нейтронами. У некоторых из этих радиоактивных изотопов период полураспада составляет лишь несколько секунд, у других он равен часам или годам; у немногих изотопов он достигает миллиардов лет. Такие долгоживущие изотопы не надо производить искусственно: их находят в земной коре; в качестве хорошо известного долгоживущего изотопа назовем радий. Эти изотопы[42] образовались в то время, когда вещество Земли подвергалось естественной бомбардировке протонами и нейтронами, в далеком прошлом при взрыве каких-то звезд. Благодаря большому периоду полураспада этих веществ мы по-прежнему встречаем их на Земле.

Радиоактивность[43] — это превращение несбалансированного, неустойчивого ядра в более устойчивое, сопровождающееся испусканием электрона и нейтрино. Подобный процесс весьма загадочен. Мы не знаем ни его значения, ни его связи с другими ядерными явлениями. Идет он очень медленно. Годы, часы, даже секунды — это очень длинные промежутки времени для ядерной системы, где движение происходит исключительно быстро. Резерфорд однажды сказал, что радиоактивные превращения идут так медленно, что практически вообще не происходят! Однако они есть. Даже отдельный свободный нейтрон живет всего лишь 10 мин, если он не «встроен» в ядро. Он самопроизвольно превращается в более устойчивый протон, испуская при этом электрон и нейтрино. Но как часть нерадиоактивного ядра нейтрон столь же устойчив, как и протон.

Ядерная энергия, ядерное горение

Тепло от горения угля происходит из соединения атомов кислорода и углерода, образующих молекулу, в которой они прочно связаны друг с другом. Энергия освобождается во всех случаях соединения атомов в прочно связанную единицу. Можно ли применить тот же принцип к связям в ядре? Энергия производится при соединении нейтронов и протонов в ядра. Ядерное пламя должно существовать и быть значительно сильнее обычного пламени, так как энергии, участвующие в ядерных явлениях, в сотни тысяч раз больше энергии электронов на атомных орбитах.

Рассмотрим простой пример ядерного горения. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтрон нов, связанных ядерными силами. Ядро углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов, которые прочно связаны друг с другом; поэтому можно представить себе, что ядро углерода — это три тесно связанных ядра гелия. Если бы можно было втиснуть три ядра гелия в такой малый объем, чтобы между ними начали действовать ядерные силы, то ядра гелия слились бы воедино, образуя ядро углерода и выделяя большую энергию. Итак, в ядерном пламени гелий сгорал бы в углерод.

Почему же гелий на Земле не горит в ядерных пламенах? В обычных условиях очень трудно заставить три ядра гелия сблизиться столь тесно. Во-первых, они окружены электронами; во-вторых, будучи заряжены положительно, они отталкивают друг друга. Только при чрезвычайно высоких температурах, порядка миллиардов градусов, электроны отрываются, а ядра получают достаточно энергии для преодоления электрического отталкивания и сталкиваются друг с другом. Такие температуры нужны, чтобы зажечь гелиевый огонь, который, однажды загоревшись, будет выделять огромные количества энергии, а его температура будет в миллионы раз выше, чем у обычного пламени. Мы полагаем в настоящее время, что в центре некоторых звезд горит такой гелиевый огонь, снабжающий звезду энергией, которую она затем излучает. Такова звезда в верхнем левом углу созвездия Ориона.

Есть и другие виды ядерного огня. Очень важно горение тяжелого водорода. Тяжелый водород — это изотоп обычного водорода. Ядро тяжелого водорода, называемое дейтроном, состоит из одного протона и одного нейтрона, связанных ядерными силами. Приведенные в тесный контакт, два дейтрона сольются, образуя плотно связанное ядро гелия[44] из двух протонов и двух нейтронов. Итак, тяжелый водород горит, а его зола — это гелий. Для того чтобы зажечь этот ядерный огонь, тоже необходима очень высокая температура, но она не столь высока, как для гелиевого огня (два дейтрона отталкиваются друг от друга слабее, чем два ядра гелия). И действительно, человеку удалось зажечь тяжелый водород, но пока только для целей разрушения в водородной бомбе[45].

Наиболее важно для нас горение обычного водорода (рис. 46).

Рис. 46. Восемь стадий сгорания водорода в гелий. а — четыре протона (ядра водорода) и четыре электрона (их движение символизируют прямые линии); б — два протона сблизились, образуя на мгновение дипротон; в — один ив протонов превращается в нейтрон (светлый кружок), испуская положительный электрон и нейтрино (положительный электрон встречает отрицательный и аннигилирует в световой вспышке, см. ниже, стр. 158); г — получается дейтрон и два протона; д — вторая пара протонов образует дипротон; е — дипротон радиоактивно превращается во второй дейтрон, как и в стадии в; ж — оба дейтрона сталкиваются; з — они образуют ядро гелия; выделившаяся энергия частично излучается (ореол), частично передается другим протонам (в последнем случае электроны не показаны).

Мы полагаем, что огонь такого рода горит в недрах Солнца и поддерживает Солнце горячим, давая ему необходимую энергию. Сразу не очевидно, каким образом может гореть водород, так как его ядра — это протоны, а для образования других ядер нужны и нейтроны.

Здесь вступает в игру таинственное явление — радиоактивность. В больших массах горячего водорода иногда случается, что два ядра — два протона— сближаются и временно образуют ядро, состоящее из двух протонов, — дипротон. Это соединение не очень устойчиво, но простые вычисления показывают, что один из двух протонов изредка испытывает радиоактивное превращение в нейтрон, и тогда в качестве конечного продукта получается дейтрон (протон плюс нейтрон), который в дальнейшем сгорает в гелий, как уже описывалось.

Итак, обычный водород в больших количествах и при высоких температурах тоже сгорает, превращаясь в гелий. Этот процесс идет очень медленно, потому что дейтроны должны образоваться до того, как начнется настоящее горение. Топливо медленно поступает по каплям. Таким образом, и этот результат мы можем считать лишь благодетельным: водородный огонь в Солнце выделяет и будет выделять тепло еще в течение миллиардов лет без опасности внезапного взрыва.

Основной процесс ядерного горения, т. е. образование больших ядер из меньших — углерода из гелия, гелия из дейтронов, называется ядерным синтезом, или слиянием. Существует еще один процесс, в котором можно получать ядерную энергию, — это деление тяжелых ядер. Он не очень важен для понимания процессов, происходящих во Вселенной, так как в природе он встречается очень редко. Однако недавно человеку удалось использовать его как для получения энергии в ядерных реакторах, так и для собственного истребления в атомных бомбах.

Ядерные силы, как мы видели, удерживают протоны и нейтроны в ядре. Но есть и разрушающая ядро сила, а именно сила электрического отталкивания между протонами. Во всех существующих ядрах эффект связывания ядерными силами больше действия разрушающей силы электрического отталкивания. В противном случае ядра не существовали бы. Но радиус действия ядерных сил очень мал; они проявляются только при очень малых расстояниях между частицами ядра, тогда как силы электрического отталкивания действуют на больших расстояниях. Если разделить ядро таким образом, чтобы две его части были разделены промежутком, хотя и малым, но превосходящим радиус действия ядерных сил, то эти части уже не будут притягиваться, а разлетятся под действием сил электрического отталкивания.

Обычно ядро «расщепить» очень трудно, но некоторые из очень тяжелых ядер, например ядро одного из изотопов урана или ядро искусственно приготовленного элемента плутония, почти готовы распасться сами по себе. Удара одного нейтрона достаточно, чтобы разбить ядро на две половинки, не соединенные друг с другом. Они разлетаются с большой энергией, нагревая всю окружающую их среду до высокой температуры. Это и есть процесс деления. Он идет так энергично, что при делении из ядра выбиваются один или два нейтрона, которые играют очень важную роль. В большом блоке материала, способного делиться, для возникновения реакции достаточно одного нейтрона.

Один нейтрон расщепляет первое ядро, выбитые нейтроны вызывают расщепление следующих ядер и т. д. до тех пор, пока не расщепится большая часть делящегося материала. Этот процесс мы называем цепной реакцией. Он может происходить только в блоке столь большого размера, чтобы выбитые вторичные нейтроны не вылетали из него, не успев расщепить другое ядро. Минимальный размер блока называется критическим; обычно это несколько килограммов материала. При ударе одного нейтрона в любом объеме делящегося материала, превышающем критический, развивается цепная реакция и возникает огромное количество энергии. Атомные реакторы — это устройства, в которых количество делящегося материала точно равно критическому (рис. 47).

Рис. 47. Схема брукхэвенского ядерного реактора.

Рис. 48. «Гриб», образующийся при взрыве атомной бомбы.

Две половинки ядра, полученные при делении, сами являются меньшими ядрами с аномальным отношением числа протонов к числу нейтронов. В большинстве случаев они содержат избыток нейтронов и поэтому радиоактивны. Вот почему ядерный реактор производит так много радиоактивных веществ.

«Квантовая лестница»

Рассмотрим теперь с более общей точки зрения то, что мы узнали о строении вещества. Поучительно взять специальный пример, в качестве которого мы выберем газ, состоящий из атомов. Большинство газов состоит из молекул, но некоторые элементы, например неон, натрий и литий, лишь с трудом образуют молекулы в газовой фазе. Эти атомарные газы известны нам по их применению в источниках света. Так называемые неоновые трубки, которые украшают наши улицы, наполнены атомами в газовой фазе: неоном, парами натрия или лития; каждая из них светится своим цветом, когда в трубке происходит электрический разряд. Все эти газы состоят из свободных атомов.

Допустим, что в трубке находятся пары натрия. При выключении тока температура газа совпадает с температурой окружающей среды. При этой температуре энергия теплового движения атомов составляет около 1/30 эв, что значительно меньше порога устойчивости атомов натрия. Поэтому, когда атомы сталкиваются друг с другом или со стенками, они отскакивают, как твердые бильярдные шары, не меняя своего квантового состояния. При этих температурах атомы ведут себя, как элементарные частицы: они не проявляют никакой внутренней структуры. Их электронные конфигурации остаются неизменными; все атомы совершенно одинаковы.

Повысим теперь температуру газа, возбудив в трубке электрический разряд. Когда энергия, переданная атомам разрядом, начинает превосходить предел устойчивости, возбуждаются другие квантовые состояния, кроме основного. Возвращаясь в наиболее низкое квантовое состояние, атомы испускают характеристическое излучение; так, атомы натрия дают желтый свет, атомы лития — красный. На этом различии характерных цветов основано разнообразие городских огней. Возбуждением атомов в высшие квантовые состояния начинается нарушение тождественности атомов. Уже не все атомы оказываются одинаковыми, одни из них находятся в основном состоянии, другие — в различных возбужденных состояниях.

Теперь повысим температуру так, чтобы энергия столкновения атомов начала значительно превышать предел их устойчивости и чтобы электроны совсем оторвались от атомов. Тогда все квантовые состояния разрушатся и электроны будут двигаться, как частицы, без характерных волновых картин. Газ переходит в состояние плазмы, где электроны и ядра движутся весьма стремительно и беспорядочно. Нельзя найти даже две одинаково движущиеся частицы; свет, испускаемый плазмой, не имеет характеристических частот — это обычное тепловое излучение. Однако атомные ядра и электроны все еще сохраняют свою индивидуальность и тождественность. Они представляют собой элементарные частицы плазмы.

Перейдем к еще более высоким температурам, значительно превышающим температуры, достигаемые в лаборатории, таким, при которых начинают разрушаться стеклянные или металлические стенки обычных сосудов. Пусть температура столь высока, что энергии частиц превосходят предел устойчивости ядер. Такие температуры существуют только в центрах звезд. При этом ядра теряют свою тождественность, некоторые из них перейдут в более высокие квантовые состояния и начнут испускать своё характеристическое излучение — гамма-лучи большой энергии. Если температура станет еще выше, то энергия частиц станет столь большой, что ядра начнут разваливаться на составные части. При этом полностью утрачивается индивидуальность ядер и вещество превращается в газ, состоящий из хаотически движущихся протонов и нейтронов, смешанных с электронами, оторванными от атомов при значительно меньших температурах. В таких условиях вещество станет смесью элементарных частиц трех сортов[46]: протонов, нейтронов и электронов, движущихся совершенно беспорядочным образом.

Последовательность состояний, о которой мы здесь говорим, мы называем «квантовой шкалой», или «квантовой лестницей». Она устанавливается путем постепенного увеличения передаваемой энергии. На первой ступеньке этой лестницы вещество состоит из атомов, представляющих собой индивидуальные единицы; их внутренняя структура неизменна и жестка, а сами атомы Движутся, как бильярдные шары. На следующей ступеньке атомы распадаются на электроны и ядра, и теперь уже эти частицы оказываются индивидуальными единицами, неизменными и жесткими. На третьей ступеньке ядра распадаются на протоны и нейтроны; здесь единицами вещества являются протоны, нейтроны и электроны.

Существование квантовой лестницы позволило постепенно раскрыть строение неорганической материи. Исследуя явления при энергиях атомных порядков, мы не должны заботиться о внутреннем строении ядер, а изучая механику газов при обычных температурах, мы можем не интересоваться внутренним строением атомов. В первом случае мы можем считать ядра одинаковыми и неизменными единицами, т. е. элементарными частицами, во втором случае теми же свойствами обладают атомы. При этом наблюдаемые явления как бы упрощаются, и мы можем понять их, не зная внутренней структуры компонент, которые ведут себя как инертные единицы.

Квантовую лестницу можно продолжить и в сторону более низких энергий. Если охладить газообразный натрий до очень низких температур, то атомы натрия выстроятся правильными рядами, кристаллизуясь в металл натрий. В других веществах ступенька, находящаяся ниже атомной, еще интереснее. В большинстве веществ отдельные атомы существуют только при очень высоких температурах, характерных для пламени. При обычных температурах большинство атомов (но не атомы натрия, лития или неона) соединяется в группы и образует молекулы, которые находятся на следующей, более низкой ступеньке нашей квантовой лестницы. Они представляют характерные индивидуальные единицы; порог их устойчивости ниже, чем у атомов, вследствие большего размера молекул. Молекулу легче разложить на атомы, чем расщепить атом на ядро и электроны.

Интересно проследить за аналогичными явлениями на различных ступеньках квантовой лестницы. Мы наблюдаем, например, выделение энергии при соединении атомов в молекулы — химическое горение — и выделение энергии при слиянии маленьких ядер в большие — ядерное горение. Это два вида горения, очень несходные по количеству выделяемой энергии, но подобные в принципе; одно из них происходит на молекулярном уровне, другое — на ядерном.

Еще ниже на квантовой лестнице находятся макромолекулы; они представляют собой комбинации ряда особым образом расположенных обычных молекул. При известных условиях макромолекулы собираются в виде больших единиц, которые обладают удивительнейшими свойствами, — о них мы будем говорить более подробно в следующей главе. Это та ступень квантовой лестницы, на которой находится жизнь.

Последняя и низшая ступень занята веществом, находящимся при очень низкой температуре. Почти все вещества кристаллизуются при достаточном охлаждении; при этом их молекулы или атомы располагаются в правильном порядке. Тепловое движение исчезает, и устанавливается полный порядок, порядок совершенной неподвижности.

Когда мы достигаем самых низших ступенек квантовой лестницы — макромолекул и кристаллов, соотношение между размером и устойчивостью следует применять с некоторыми предосторожностями. Так как макромолекулы и кристаллы очень велики, можно подумать, что они крайне неустойчивы. Однако здесь неустойчивость, которая следует из соотношения размер — устойчивость, относится только к несущественным свойствам этих объектов. Например, макромолекулы не обладают жесткостью, их можно изгибать и складывать с очень небольшой затратой энергии; в кристаллах можно возбуждать внутренние колебания, затрачивая весьма малые энергии, — такие колебания возникают при действии обычных звуковых волн. Однако важные структурные свойства подобных объектов, например атомная структура макромолекул или правильное расположение атомов в кристаллической решетке, вполне устойчивы. Такие свойства определяются электронными конфигурациями атомов, и, следовательно, их устойчивость равносильна устойчивости электронных конфигураций в атомах.

Каждая ступенька на квантовой лестнице отвечает состоянию материи при определенных условиях (рис. 49).

Рис. 49. «Квантовая лестница».

Чем ниже ступенька, тем выше организация и дифференциация материи. Каждый шаг вниз по лестнице позволяет материи приобретать специфические формы, которые становятся тем разнообразнее, чем ниже мы спускаемся. На самой высшей ступеньке, о которой мы только что говорили, протоны, нейтроны и электроны движутся совершенно беспорядочно. На ближайшей более низкой ступеньке, в плазме, протоны и нейтроны находятся в упорядоченном виде в ядрах, но электроны по-прежнему находятся в беспорядочном движении. Еще ниже электроны присоединяются к ядрам и образуют атомы; они принимают свои типичные волновые конфигурации, характерные для атомов.

На следующей, более низкой ступеньке атомы соединяются в молекулы. Появляется широкая дифференциация, существует бесчисленное множество способов соединения атомов в молекулы, каждый соответствует появлению определенного вещества. На уровне макромолекул разнообразие еще больше: на этой ступеньке появляется живая материя в ее самых различных формах и с ее широчайшими возможностями. Обмен энергией достаточно мал для существования крупных комплексов молекул, клеток и организмов, но в то же время достаточно велик для стимуляции роста и развития этих объектов. На самой низшей ступеньке все разнообразие, любая дифференциация застывает, образуя неизменные картины закристаллизовавшегося вещества.

Элементарные частицы

Есть ли на квантовой лестнице ступенька, находящаяся выше состояния с отдельными протонами и нейтронами? Ответ на этот вопрос приводит нас к границе современной физики элементарных частиц.

Вспомним, что для разложения атомного ядра нужны энергии порядка многих миллионов электроновольт. Современные исследования в области высоких энергий не остановились на этом пределе. За последние 10 лет были построены ускорители, на которых достигались энергии во много сотен миллионов электроновольт. На некоторых устройствах удалось преодолеть даже миллиардный рубеж. В Женеве усилиями четырнадцати европейских наций был построен ускоритель, дающий 28 миллиардов электроновольт. Аналогичное несколько большее устройство работает в Брукхэвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде.

Основное назначение этих устройств уже не состоит в изучении структуры ядра. Скорее на них изучается строение нейтронов и протонов. Здесь сделан шаг на следующую, более высокую ступеньку квантовой лестницы. Ставится вопрос: существует ли предел устойчивости нуклонов, есть ли такая энергия, выше которой становится заметным внутреннее строение протонов и нейтронов? Мы исследуем природу самих элементарных частиц. Вследствие очень малых размеров этих единиц мы ожидаем весьма высокого предела устойчивости, значительно более высокого, чем для атомных ядер. Действительно, достаточно было применить энергии в несколько сот миллионов электроновольт, чтобы были найдены указания на внутреннюю структуру.

При воздействии на вещество столь больших энергий наблюдаются явления, которые до сих пор еще не совсем понятны. Они показывают, что нуклоны обладают структурой, но мы не знаем как следует, что это за структура. В нашей книге мы ограничимся кратким описанием таких явлений, не особенно вдаваясь в их детали.

При этих энергиях наблюдаются явления и факты, которые можно отнести к четырем группам. Перечислим их:

1. Образование квантов ядерного поля — мезонов.

2. Существование антивещества.

3. Появление «странных» частиц.

4. Короткое время жизни частиц.

Первое явление мы можем объяснить довольно хорошо. В качестве свидетельства творческой изобретательности человеческого разума укажем, что японский физик Юкава еще в 1935 г. предсказал существование этих мезонов до того, как они были открыты на опыте. Его теоретические рассуждения до сих пор остаются верными. Протон и нейтрон, рассуждал он, служат источниками ядерных сил, которые удерживают нуклоны в ядре. Поле ядерных сил окружает протон и нейтрон таким же образом, как электрическое поле окружает электрон. Электрон излучает свет, если он испытывает внезапный толчок и приводится в движение. Часть электрического поля как бы отторгается и распространяется в виде световых лучей, или, как мы теперь установили, в форме световых квантов. Аналогичным образом мы полагаем, что часть ядерного поля тоже отторгается при ударе нуклона с высокой энергией. Мы ожидаем найти ядерное излучение, кванты которого аналогичны световым.

Юкава предсказал существование этих квантов поля; исходя из свойств ядерных сил, он даже рассчитал минимальную энергию, необходимую для испускания такого кванта. Иными словами, он предсказал предел устойчивости протонов и нейтронов. Если протон или нейтрон испытывают столкновение с энергией, превышающей несколько сот миллионов электроновольт, то во всех направлениях испускаются мезоны — рождаются кванты поля ядерных сил. Такие кванты называют π-мезонами, чтобы отличать их от других частиц, которые тоже носят название мезонов. Испускание π-мезонов — это один из самых поразительных эффектов, наблюдаемых при очень высоких энергиях[47].

Вторая группа фактов особенно удивительна. В 1930 г. английский физик-теоретик П. А. М. Дирак предсказал существование антиэлектрона, позитрона, и его предсказание было вскоре подтверждено Карлом Д. Андерсоном, нашедшим позитрон в космических лучах. Мы уже говорили об этой частице, рассматривая радиоактивность; позитрон испускается вместе с нейтрино, когда протон превращается в нейтрон. Антиэлектрон почти тождествен обычному электрону, но имеет противоположный заряд (положительный) и противоположные магнитные свойства. Но интереснее всего следующее: если антиэлектрон (позитрон) сталкивается с обычным электроном, то происходит нечто вроде взрыва, и обе частицы исчезают. Они взаимно аннигилируют, и энергия, заключенная в их массе, превращается в свет. Наоборот, при достаточной энергии свет также может при известных обстоятельствах преобразоваться в пару электрон — позитрон; таким образом, электроны и позитроны могут создаваться за счет чистой энергии. Масса одного электрона отвечает энергии в полмиллиона электроновольт. Следовательно, создание одной пары электрон — антиэлектрон требует энергии, не меньшей 1 Мэв.

Атомы содержат не только электроны, но и ядра, которые в свою очередь состоят из протонов и нейтронов. Возникает вопрос: существуют ли антипротоны и антинейтроны? Поскольку массы нейтронов и протонов очень велики, для создания такой пары, частица — античастица, потребуется значительно большая энергия, чем для создания пары электрон— позитрон; она должна достигать нескольких миллиардов электроновольт. Когда в Беркли была построена установка на 6 Бэв (рис. 50), физики всего мира с беспокойством ожидали результата решающего опыта — существует ли антипротон?

Рис. 50. Бэватрон в Беркли.

Ответ был утвердительным. То, что протон и нейтрон имеют античастицы, было показано Сегре, Чемберленом, Вигандом и Ипсилантисом. Тем самым было установлено, что все частицы, из которых состоит вещество, имеют своих антидвойников. Это открытие доказало, что существует антивещество, состоящее из антипротонов, антиэлектронов и антинейтронов. Если антивещество придет в соприкосновение с обычным веществом, начнется взрывная аннигиляция. Антипротоны и протоны взаимно аннигилируют, и большое количество энергии, заключенной в массе, перейдет к разлетающимся квантам ядерных сил, мезонам. Вот почему антивещество никогда не встречается на Земле, если только оно не произведено на наших установках. Оно может существовать только до момента соприкосновения с обыкновенным веществом.

Перейдем теперь к третьей группе высокоэнергетических явлений, к появлению странных частиц. Когда протоны или нейтроны бомбардируют частицами очень высоких энергий, они иногда превращаются в частицы нового типа, называемые гиперонами. Гиперон обладает большей энергией, чем протон, и может рассматриваться как более высокое квантовое состояние протона. Атом тоже можно перевести в более высокое квантовое состояние, сообщая ему необходимый добавок энергии. Однако положение здесь не так уж просто: образование гиперонов всегда сопровождается одновременным рождением κ-мезонов, которые, по-видимому, тоже являются квантами ядерного поля, но обладают большей энергией, чем π-мезоны. Физики все еще только стремятся понять смысл этого явления.

Четвертая группа наблюдений характерна для физики высоких энергий. Все недавно открытые частицы: π-мезон, κ-мезон, гипероны — неустойчивы. Они имеют очень короткое время жизни, существуя около одной миллиардной доли секунды или даже меньше, а потом превращаются в другие частицы. Например, квант ядерного поля, π-мезон, живет только 10^-8 сек. После этого он превращается в пару электрон — нейтрино. Положение здесь осложняется тем, что в этой паре мы имеем не обычный электрон, а тяжелую его разновидность с массой, примерно в 200 раз превышающей массу обычного электрона. Его принято называть μ-мезоном, но такое название не очень удачно, так как мезоны суть кванты поля, а тяжелый электрон — это обычная частица.

Сам тяжелый электрон живет 10^-6 сек, после чего он претерпевает новое превращение. Он превращается в нейтрино с одновременным испусканием пары электрон — нейтрино. Таким образом, я-мезон кончает тем, что превращается в электрон и три нейтрино[48].

Природа этих странных превращений еще не ясна, но они кажутся взаимосвязанными. Краткость времени жизни частиц здесь обманчива. В условиях, существующих в ядрах, миллиардная доля секунды— это очень большой промежуток времени. В конце концов, естественным интервалом времени в ядре можно считать, например, тот промежуток времени, за который нуклон проходит сквозь ядро под действием ядерных сил. Такой промежуток времени гораздо короче одной миллиардной доли секунды, он составляет около 10^-22 сек. Следовательно, неустойчивость новых частиц — это слабый эффект, и он указывает на какое-то специфическое слабое взаимодействие. Распад этих новых частиц очень похож на радиоактивный распад нейтрона в протон. В обоих случаях участвуют нейтрино. Объяснение этих явлений и их взаимосвязи — основная проблема современной физики[49].

Наивысшая ступень квантовой лестницы оказывается наиболее загадочной. Если мы поймем связанные с ней, но пока не объясненные явления, то нам удастся ответить на еще более фундаментальные вопросы: почему вещество состоит только из частиц трех видов: протонов, нейтронов и электронов?

Почему существует только одна элементарная единица заряда — заряд электрона, равный по величине и противоположный по знаку заряду протона? Почему любая вновь открытая частица всегда имеет заряд, просто равный или равный, но противоположный по знаку, заряду электрона?

И наконец, следует задать еще один вопрос: если мы изучим и объясним явления на наивысшей ступеньке квантовой лестницы, можно ли будет подняться на следующую ступень? Только дальнейшее исследование природы позволит когда-нибудь ответить на этот вопрос. Надо продолжать поиски, и тогда мы сможем получить ответ.