[вернуться к содержанию сайта]
В атомном ядре плотно упакованы нуклоны – положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны. Ядра делятся таким образом, будто они в некотором приближении представляют собой капли ядерной жидкости, в которой отдельные нуклоны движутся почти независимо друг от друга. К этому выводу, изучая расщепление ядер урана, пришли в 1939 году знаменитый датский физик Нильс Бор и его молодой американский коллега Джон Уилер. Однако модель жидкой капли слишком “груба” и не объясняет сверхтонкое расщепление спектральных линий.
Мало помогает и так называемая “одночастичная оболочечная модель” атомного ядра. Ома была разработана в 1948 году американским физиком Марией Гёпперт-Майер и немецким физиком Гансом Йенсеном по аналогии с теорией электронных оболочек атомов, в которой каждый электрон (одна частица) входит в состав своей оболочки и движется без корреляции с другими электронами по эллиптической орбите. Число электронов, заполняющих оболочки при минимальной энергии связи, предпочтительно следует “магическому ряду” 2, 8, 18, 32, а в “одночастичной модели” число нуклонов в ядрах (атомный номер) должно склоняться к последовательности 2, 8. 20, 50, 82, 126. Модель Майер-Йенсена правильно предсказывает знак электрического квадрупольного момента, классифицирует вращательные и магнитные особенности ядер. Но вот незадача – у наиболее распространённых в земной коре изотопов несколько другие атомные номера: 1, 6, 8, 11, 12, 13, 14, 19, 20, 22, 26, 56, 82. Кроме того, если подсчитать энергии связи нуклонов в ядре, то можно обнаружить числа 4, 6, 10, 12, которые не вошли в “магический ряд”” модели. А самый главный камень преткновения – вопиющее несоответствие теории и эксперимента, ибо измеренные квадрупольные моменты ядер отличались от предсказываемых подчас в 30 раз!
О действительной форме ядра судить трудно. Сфера, цилиндр, цилиндрическое кольцо, куб, октаэдр, икосаэдр и десятки других конфигураций могут иметь одинаковый электрический квадрупольный момент, который, следовательно, говорит нам лишь о мере отклонения от некоторой условной “сферы”. Как же выглядит ядро на самом деле?
Схематическое изображение первого ядерного превращения, наученного Резерфордом в 1919 году. Ядро гелия (α-частица), состоящая из двух протонов (красные шары) и двух нейтронов (зелёные шары), налетает на ядро азота, состоящее из семи протонов и семи нейтронов. Образуется редкий изотоп кислорода O817, состоящий из восьми протонов и девяти нейтронов. Кроме того, испускается ядро водорода – быстрый протон.
В 1950 году американский физик Джеймс Рейнуотер предположил, что остов или керн ядра цилиндрически деформирован, а “магические числа” 2, 8 20, 50, 82, 126 по-прежнему характеризуют полный комплект нуклонов в нём. Если же сверх заполненного цилиндра присоединяется ещё один нуклон, то он обращается вокруг него и уменьшает значение квадрупольного момента, а если в цилиндре не хватает одного или нескольких нуклонов, то в нём как бы образуется выемка и квадрупольный момент увеличивается. Модель Рейнуотера качественно объясняет преобладание положительных квадрупольных моментов над отрицательными, но количественного описания всех наблюдаемых значений этого момента в пределах таблицы Менделеева не даёт.
О раскручивании ядер при их кулоновском взаимодействии с налетающими тяжёлыми заряженными частицами опубликовал в 1952 году новаторскую работу советский физик К. А. Тер-Мартиросян. Уже через год эта интересная идея нашла экспериментальное подтверждение – американские физики Ф. Азаро и И. Перлман открыли последовательности ротационных уровней, или вращательных состояний атомных ядер. Анализируя эти последовательности, академик Николай Николаевич Боголюбов и датские физики Оге Бор (сын Нильса Бора) и Бен Моттельсон в 1958 году открыли явление сверхтекучести ядерной материи, отсутствие какого-либо трения или вязкости внутри ядерной капли. Выяснилось, в частности, что если ядро не сферическое, а, скажем, имеет форму вытянутого эллипсоида, то выступающие части как бы скользят по сфере-остову и вращаются независимо от её вращения. В том же 1958 году советские физики В. Г. Соловьёв и С. Т. Беляев показали, что протоны и нейтроны в ядре связаны в пары и совершают не разрозненные, а коллективные движения.
Нельзя ли нагляднее представить себе, что делается в кухне атомной “погоды”? Как ни странно, квантовомеханический феномен сверхтекучести ядерной капли облегчил создание “квазиклассических” моделей в привычном трёхмерном пространстве Евклида–Декарта.
Если электроны в каждой оболочке атома образуют некое подобие электронного газа, разобщённого взаимным отталкиванием этих отрицательно заряженных частиц, то благодаря коллективным движениям нуклонов, объединённых ядерными силами притяжения, каждую оболочку ядра можно в принципе рассматривать как плоский ротатор. Следовательно, позволительно отказаться от понятия однонуклонных эллиптических орбит в ядре и рассматривать вращение и колебания каждой оболочки ядра как единого целого.
В 1969 году югославский физик Ян Стрнад экспериментально исследовал упаковку мыльных пузырей в плоскости и заметил, что центральные из них выглядят поменьше, а периферийные – побольше. У него мелькнула мысль – а не упакованы ли нуклоны в ядре наподобие вставленных друг в друга стаканов без дна? И когда в цилиндрическом керне ядра свершается одно коллективное движение, то по краям ядра – другое? В 1975 году американский физико-химик, дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг и его коллега Б. Робинсон разработали так называемую “сфероидную модель” атомного ядра, в которой внутренняя и внешняя сфероидные оболочки обладали собственными вращательными характеристиками.
В нашей модели, базирующейся на этих идеях, атомное ядро выглядит в виде набора вставленных друг в друга цилиндрических структур – оболочек с чередующимся расположением протонов и нейтронов. В заполненной оболочке количество тех и других равное. Избыточные нуклоны, не нашедшие себе места в заполненной оболочке, образуют внутреннюю подоболочку. Когда заполняется и “кристаллизуется” в цилиндр эта подоболочка, “лишние” нуклоны начинают “сплачиваться” уже в подподоболочке. И так далее.
Расчёты по нашей модели показывают, что в пределах таблицы Менделеева могут стабильно существовать всего 16 типов заполненных оболочек с зарядами 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12, 15, 24, 28, 40, 45, 50, 54, 60 и соответственно с атомными номерами 4, 6, 8, 12, 16, 18, 24, 30, 48, 56, 80. 90, 100, 108, 120. Это несколько ближе к распределению ядер в земной коре. Самое же главное – предлагаемая модель, в отличие от прежних, почти полностью соответствует измеренным до сих пор электрическим квадрупольным моментам нескольких сотен ядер, изотопов.
Атомные ядра могут состоять из одной, двух, трёх и даже четырёх кольцевых оболочек. В каждой может быть до шести слоёв – “этажей”. Интересно, что многооболочные ядра выглядят как гибриды из нескольких ядер более простых и лёгких химических элементов. Таким образом, древние мечты алхимиков о получении золота, серебра или платины при синтезе более доступных веществ получают зримое, хотя и дорогостоящее на практике воплощение!
Возможные формы атомных ядер в реальном трёхмерном пространстве Евклида–Декарта. Самое приближённое представление о них дают простейшие тела вращения –круглый шар, вытянутый и сплюснутый эллипсоиды (вверху), переходящие в сферические или цилиндрические формы. В предлагаемой модели (внизу) автор постарался объединить достоинства “сверхтекучего ядра” Боголюбова и “цилиндрических ядер” Рейнуотера.
Принцип минимизации энергии связи нуклонов в оболочке ядра и соответственно минимизации квадрупольного момента, принятый в “одночастичной модели” Майер–Йенсена, находит здесь реальное подтверждение. Нуклоны, заполняющие оболочки, выстраиваются в цилиндр под действием центробежных, кулоновских сил, а также за счёт эффекта парных корреляций Соловьева–Беляева, но ядро в целом благодаря ядерным силам притяжения стремится как можно больше походить на “сферу”.
Неплохо согласуется кольцевая модель и с замеренными спинами (моментами собственного вращения) и магнитными свойствами ядер. В однослойной оболочке спины нуклонов выстраиваются в одном направлении, что связано с эффектом парных корреляций. В двухслойной же оболочке взаимно компенсируются как спины, так и магнитные моменты двух пар “протон-нейтрон”, то есть происходит счетверение нуклонов, и потому собственный спин двухслойной оболочки, как и её магнитный момент, равны нулю. Собственный спин подоболочки зависит от комбинации спинов составляющих её нуклонов и обычно связан с минимальным значением магнитного момента.
Наконец, если вычислить вращательные характеристики ядер в реальной масштабной решётке Евклида–Декарта, то получим лучшее согласование с экспериментом, чем в других моделях атомного ядра.
Таким образом, рассмотренная модель неплохо объясняет наблюдаемые энергии вращения оболочек в ядре, сверхтонкое расщепление спектральных линий атомных систем, данные радиоспектроскопии. Осталось теперь измерить электрические моменты высшей мультипольности (отступление формы ядер от эллипсоида) и сравнить с расчётом.
В своё время французский учёный и философ Рене Декарт учил, что вещество состоит из вихрей и вращение есть форма существования тел. По-видимому, на уровне атомных ядер его утверждение вполне справедливо. Оболочка и подоболочка, как матрёшки, вставленные друг в друга, крутятся в ядерном хороводе – но в противоположные стороны!
И противоположно направленные вихри рождают покой – “глаз урагана” – в центре атомного смерча.
Кто знает, может быть, так выглядят атомные ядра?
“Чтобы выполнить эту работу, мне потребовалось всё напряжение фантазии, на какое я только способен”,– признался автор публикуемого сегодня доклада. Речь идёт о строении самого сложного атомного ядра, какое только можно сыскать в менделеевской таблице химических элементов – ядра урана. Так много или мало воображения проявил физик? Структура, которую он нашёл, вроде бы очень проста – знаменитая матрёшка, да и только. Но не будем забывать, что в урановое ядро входят 237 частиц. Попробуйте-ка сконструировать из них матрёшку! Придётся нафантазировать очень много вариантов, чтобы удовлетворить требованиям, которые безжалостно предъявляет природа. “Грязь”, приблизительность воображения тут недопустимы. Это не использование взятой со стороны схемы, и не произвольный каприз мысли. Это творчество интеллекта, зажатого, по словам Гёте, “в тиски необходимости”. А заниматься такой работой, безусловно, стоило. Ведь уран – не просто химический элемент, а символ могучего добра и поистине сатанинского зла современной цивилизации.
С тех пор, как в 1911 году Э. Резерфорд открыл существование атомного ядра, не прекращается поиск моделей, которые отражали бы его устройство и поведение в ходе различных физических взаимодействий. Долгое время учёные предпочитали одночастичные модели, согласно которым в ядре каждый протон и нейтрон вращается сам по себе. Затем пришёл черёд моделей, получивших название коллективных. Они основаны на предположении, что какое-то число нуклонов (но не все) объединяется в группы, своего рода коллективы микромира. Группам присуще вращение вокруг центральной оси ядра. Конкретных представлений о характере коллективного вращения нуклонов было предложено немало.
Сейчас в анналах ядерной физики скопилось в общей сложности около 20 моделей разных авторов. Каждая из них с большим или меньшим успехом описывает какой-нибудь процесс: переход ядра в состояние возбуждения, рассеяние падающих на него частиц, деление ядра, групповые движения составляющих его нуклонов и т. д. Но есть и общий принцип, которому любая модель должна удовлетворять,– принцип минимизации энергии связи нуклонов в ядре. Исходя из этой посылки, я предложил новую разновидность коллективной модели – оболочечную (см. “ТМ” № 5 за 1987 год).
Речь шла о структуре, построенной наподобие матрёшки. Предполагалась такая группировка нуклонов: они упакованы в несколько оболочек, вставленных одна в другую. Сами же оболочки составлены из протонно-нейтронных колец, положенных друг на друга, так что в итоге получается стопка цилиндрической формы. В каждом кольце протоны чередуются с нейтронами, и по крайней мере во внешнем цилиндре общее число тех и других равное.
Атомные ядра могут состоять из одной, двух, трёх и даже четырёх вложенных одна в другую оболочек. Сходство с матрёшкой, однако, на том заканчивается, а дальше начинаются различия. Главное из них: цилиндрические оболочки не покоятся одна в другой, а вращаются в противоположные стороны. Вот почему помянутому выше докладу было дано заглавие “Ядерный хоровод”.
Всякое теоретическое построение предпринимается, конечно же, не ради спортивного интереса, а с целью решить те или иные нерешённые проблемы. В ядерной физике их достаточно. Так, уже второе десятилетие не получает объяснения парадокс неожиданного уменьшения момента инерции возбуждаемой части ядра, на что указывают специалисты в области физики микромира, профессора Е. П. Григорьев и В. Г. Соловьёв. Существование этого явления установлено в результате анализа излучаемых ядрами гамма-квантов.
Совершенно ясно: эффект уменьшения частичного момента инерции есть результат групповых движений нуклонов. Логично предположить, что в ядре урана, где число протонов и нейтронов наибольшее, коллективный характер их вращения проявится наиболее выпукло. Поэтому более детальное изучение своей модели я решил провести на примере урана-237. Наиболее вероятный вариант заполнения цилиндрических оболочек ядра нуклонами представлен на рисунке. Первая из них (внешняя) имеет индекс 9Ф7. Это значит: каждый кольцевой слой содержит 9 протонов, а всего в оболочке 7 таких слоёв. Как уже говорилось, протоны тут строго чередуются с нейтронами, число которых в каждом кольце также равно 9.
Предполагаемое строение оболочек ядра урана. Нейтроны изображены пустыми кружками, протоны – заштрихованными. Размеры даны в единицах расстояния, принятых в ядерной физике – ферми (1 фм –10–15 м).
Внутри, во второй оболочке – 5 слоёв по 7×2 нуклонов в каждом, в третьей – 4 слоя по 4×2 частиц того и другого сорта, в четвёртой – 2 слоя по 2×2 нейтрона. В центре одиночный нейтрон. Можете проверить: присущее ядру урана-237 общее число протонов и нейтронов сходится (их в нашей модели 92 и 145 соответственно, а сумма равна 237). Но главная трудность распределения частиц по группам не в количественном подборе, а в обеспечении симметричного заполнения оболочек. Однако матрёшечный принцип удалось выдержать до конца. Изображённое на рисунке строение всех оболочек наглядно свидетельствует о полном соблюдении правил симметрии.
Кроме того, в рамках предложенной модели применимы все формулы, описывающие поведение так называемого жёсткого ротатора. Иными словами, при оценке вращения вставленных одна в другую цилиндрических оболочек эффектом незначительного изменения их радиусов можно пренебречь и попросту считать, будто мы имеем дело с вращением стаканов без дна.
Когда ядро урана обстреливают более лёгкими частицами, оно возбуждается, его оболочки раскручиваются. Сброс избытка энергии наступает в серии квантовых переходов от более быстрого к более медленному вращению, подобно тому как происходит изменение скорости вращения шестерён в автомобильной коробке передач. При каждом квантовом переходе ядро испускает гамма-квант электромагнитного излучения. Спектры излучений неплохо изучены, для оценки энергии вращательных переходов ядерная спектроскопия располагает надёжно действующими приборами. По их показаниям в справочниках приведены 25 значений энергии гамма-квантов, испускаемых урановым ядром. Все они разбиваются на две группы, причём одна описывает квантовые переходы первой оболочки, а другая второй (см. таблицу).
Каждому уровню возбуждения ядра соответствует целое квантовое число 1. Энергии уровней подсчитываются по приведённой в таблице формуле Бора. В соответствии с законами квантовой механики энергия испущенного гамма-кванта равна разности энергий верхнего и нижнего уровней, отвечающих двум состояниям вращения той или иной оболочки более быстрому и более медленному. Квантовое число 6 основное как для первой, так и для второй оболочки. Оно отвечает их невозбуждённому состоянию, когда “коробки передач” той и другой не работают. В этом случае оба “стакана без дна” соосно вращаются в противоположные стороны, причём момент вращения каждого равен числу 6, умноженному на постоянную Планка.
Таблица квантовых переходов, связанных с состояниями вращения первой и второй оболочек ядра урана.
Характерные для ядра урана 25 квантовых переходов хорошо совпадают с теми, что рассчитываются по формуле Бора на основании нашей модели. Подтверждается она и другими данными: известными магнитными, кинетическими и другими характеристиками ядра. А самое главное, разъясняется парадокс уменьшения момента инерции возбуждаемой части ядра, тот самый парадокс, с которого и начались наши поиски.
Дата установки: 04.03.2011
[вернуться к содержанию сайта]
