Беседы об атомном ядре

Профессор By Цзянь-сюн на конференции в Дубне сказала, что, потеряв новизну для физики элементарных частиц, мю-мезоны приобрели важное значение в качестве инструмента для изучения атомных ядер.

Этот любопытный инструмент возникает в конце цепочки ядерных реакций, следующих одна за другой. Сначала протоны, разогнанные на мощном ускорителе, со всей силой ударяются о кусок вещества — мишень, и рождают новые частицы пи-мезоны. А пи-мезоны, распадаясь, рождают более легкие мю-мезоны.

Но сам по себе мю-мезон еще не инструмент. «Ядроходом» он становится лишь после того, как образует необычный, экзотический, атом.

Слова «экзотический атом» звучат на первый взгляд довольно странно. Ну какая может быть экзотика в атомах, все закоулки которых давным-давно исследованы и переобследованы?

В наше время даже школьники знают, что атомы состоят из электронов, нейтронов и протонов.

Строение атомов, действительно, понятно настолько хорошо, что физики способны по желанию как разрушать их, так и создавать новые.

Первым искусственно созданным экзотическим атомом стал наилегчайший атом позитрония. Теоретики всерьез заговорили о нем сразу после открытия в 1934 году электрона с положительным электрическим зарядом — позитрона. Нейтральный, как и все атомы, атом позитрония, в котором вокруг позитрона должен был вращаться один электрон, казался столь реальным, что получил свой химический символ еще до открытия его экспериментаторами в 1951 году.

Больше четверти века ученые имеют дело с разными искусственными атомами и настолько привыкли к этой мгновение существующей (позитрон живет миллионные доли секунды) экзотике, что подчас обычные природные атомы кажутся им производными от этих поденок.

Новизна экзотического мю-мезоатома в том, что в нем, помимо электронов, протонов и нейтронов, присутствует еще и мю-мезон. Отрицательно заряженный мезон — желанный гость атома, точнее, гость ядра. Это оно своим большим положительным электрическим зарядом, как магнитом, притягивает остановившийся в веществе мю-мезон.

Не имея сил отказаться от настойчивого приглашения, мезон садится на одну из самых внешних, расположенных далеко от ядра электронных орбит. Но положение гостя не избавляет мезон от подчинения действующим в атоме квантовым законам. Радиус околоядерной орбиты любой частицы обратно пропорционален ее массе — гласит это правило. Оно предписывает мезону искать свое место на орбитах, которые находятся в 200 раз ближе к ядру, чем электронные.

Ничего не поделаешь, против квантовой механики не пойдешь; и приходится мезону круто пикировать. Перескакивая с одной орбиты на другую, он быстро приближается к центру атомной планетной системы, к ядру.

В атомах средних по массе химических элементов мю-мезон, находясь на самой близкой к ядру орбите, буквально чиркает по его поверхности. А в атоме свинца он не только совершает мягкую посадку на ядро, но даже глубоко погружается в ядерное вещество.

Уже говорилось, что в микрокосмосе все события совершаются в чрезвычайно сжатые сроки. И мю-мезон — ядроход существует намного меньше секунды. Однако по сравнению с ядерным масштабом времени это целая вечность. Поглощенный пучиной плотного ядерного океана мю-мезон, прежде чем исчезнуть в реакции взаимодействия с протоном, успевает сделать миллионы миллионов оборотов.

Как же удается мю-мезонам так свободно проникать в ядро и кружиться там, не теряя своей самостоятельности?

Повинны в этом опять-таки квантовые законы. Они утверждают, что проницаемость или непроницаемость в микромире зависит не от твердости или мягкости преграды, как мы к тому привыкли, а от наличия или отсутствия вакантных мест в определенных квантовых состояниях.

Пулей не пробить толстую броню; и мы утверждаем, что она непроницаема. Но если пуля вдруг превратилась бы в квантовый объект, она легко проникла бы в нее, потому что в этом случае все квантовые состояния в броне для пули свободны. Свободны и для мю-мезона все состояния в ядерном веществе. Легко перемещаясь в нем, мю-мезон «не торопясь», в спокойной обстановке фиксирует форму ядра, его размер, пространственное распределение в нем протонов и передает все эти сведения по «каналу мезорентгеновской связи» ученым.

Этот «канал» работает непрерывно с момента образования мю-мезоатома до захвата мезона ядром. Перескакивая с одной своей орбиты на другую, расположенную глубже в атоме, мезон, следуя квантовым законам, испускает рентгеновское излучение. Физики называют его мезорентгеновским, чтобы ясно было, кому оно обязано своим происхождением.

Мю-мезон, как и электрон, не подвержен сильному взаимодействию. Его общение с ядром в основном сводится к взаимодействиям электромагнитному и слабому. И чем ближе он подходит к центру атома, тем мощнее становится воздействие на него ядерного скопища электрических зарядов.