НОВОЕ О СТРОЕНИИ ЯДРА АТОМА
ЧТО ТАКОЕ «МОДЕЛЬ» ЯДРА?
Обстрел атома альфа-частицами, произведенный в свое время Резерфордом, позволил установить, что, по сути дела, атом является пустым, так как почти все его вещество сосредоточено в ядре, занимающем ничтожно малый объем в центре атома.
И тем не менее обстрел «пустого» атома позволил Резерфорду нащупать в его бескрайных просторах ядро и в первом приближении определить относительные размеры атома и его ядра.
С тех пор направление научных экспериментов пошло главным образом по пути бомбардировки атома и его ядра с целью отколоть от них какую-либо частицу или же при особой удаче — разрушить его целиком.
Совершенствование средств «атомной артиллерии», а также тот факт, что атомы и их ядра довольно ловко отражают большинство летящих на них частиц, отбрасывая их в разные стороны, заставили ученых все чаще и чаще возвращаться к первоначальному опыту Резерфорда, но на этот раз уже не с желанием разрушить атом, а, так сказать, прощупать, промерить, проникнуть, если предоставится возможность, в глубину атомного ядра — дальше, чем это было сделано более ранними исследователями. В этой связи пришлось изменить и некоторые прежние представления о характере строения ядра атома и составляющих его частиц.
Благодаря тому что все наше знакомство с атомом, а особенно с его ядром основано на косвенных методах исследования, всякого рода термины: «строение» ядра атома, его «изображение», «заглянуть» внутрь атома и прочие аналогичные выражения — носят условный, далекий от своего прямого смысла характер. Ядро атома остается абсолютно и безнадежно невидимым.
Поэтому, чтобы не создавать неправильного, научно неверного представления, физики чаще всего, имея в виду строение атома или его ядра, говорят: «модель» атома или ядра. Такое слово более точно отражает фактические знания и представления о таинственном, невидимом теле, изучение которого стало смыслом жизни и объектом стремлений многих поколений физиков. Тщательно анализируя результаты различных опытов, физики уже могут строить ту или иную теорию, ту или иную модель строения ядра атома.
До недавнего времени моделью строения ядра атома служила капля жидкости — капельная модель. О ней мы достаточно подробно говорили в главе тринадцатой.
Согласно капельной модели строения ядра, плотность ядерного вещества принималась как величина постоянная и что каждое ядро имеет отчетливо выраженную пограничную поверхность. Чем больше капля жидкости, тем больше содержится в ней молекул. И аналогично, чем больше размер ядра, тем больше в нем умещается нуклонов.
Отсюда можно вывести достаточно простой закон, определяющий относительные размеры ядер атомов различных элементов: их объемы прямо пропорциональны числу заключенных в них нуклонов.
А поскольку и капля, и ядро имеют форму сферы, то объем их пропорционален кубу радиуса. Следовательно, радиусы различных атомных ядер будут изменяться пропорционально кубическим корням из числа нуклонов в ядре.
Например, если в большом ядре атома число нуклонов в восемь раз превышает количество нуклонов в маленьком ядре, то радиус большого ядра должен быть вдвое больше радиуса маленького.
По этой причине в физике размеры атомных частиц чаще всего определяют по их радиусу, а не по их диаметру.
Плотность электрического заряда ядра атома зависит от атомного веса элемента, так как в объем ядра, помимо заряженных частиц (протонов), входят во все возрастающем количестве незаряженные нейтроны.
Исходя из тех же соображений удобства для сравнения и пересчетов, радиус ядра, если его измерять в так называемых ядерных единицах, или ферма (1 ядерная единица = 10-13 см), равняется
то есть кубическому корню из числа нуклонов в ядре, умноженному на постоянный коэффициент, равный 1,45.
По этой формуле, например, радиус ядра атома золота, содержащего 197 нуклонов, будет равняться
Ядро атома, как известно, заряжено положительно. Нейтроны, не имеющие заряда, естественно, общего заряда ядра не увеличивают, но зато увеличивают его массу.
Сравнивая ядро со сферической каплей жидкости, приходится предположить, что электрический заряд в ядре также равномерно распределен по всему его объему.
Но здесь уже начинаются неувязки.
Оказывается, плотность электрического заряда, сосредоточенного в данном объеме ядра, не может быть одинаковой для атомов различных элементов, так как она зависит от отношения числа протонов к общему количеству нуклонов в ядре.
Выходит, что в ядре водорода, которое состоит всего из одного протона и не имеет ни одного нейтрона, плотность электрического заряда будет самой высокой. В ядре же, где и протонов и нейтронов оказывается поровну, плотность заряда становится равной уже половине плотности ядра водорода. И, наконец, в самых тяжелых ядрах, где число протонов составляет только 39% от общего числа нуклонов, плотность заряда оказывается самой низкой.
Такое постепенное уменьшение плотности заряда как-то не вяжется с дискретностью (прерывистостью, скачкообразностью) строения вещества и его свойств в микромире.
И хотя капельная модель ядра в целом ряде случаев весьма удобна для объяснения многих важных свойств ядра и правильно отражает некоторые закономерности его строения, указанное выше изменение плотности заряда, видимо, не соответствует истинному положению вещей, а следовательно, ядро атома не может быть в точности похоже на каплю жидкости.
Сомнительно, например, чтобы поверхность ядра была столь же резко обозначена, как у капли жидкости, то есть чтобы от максимальной плотности, равномерно распределенной по всему объему сферы, она сразу спадала до нуля у ее границы.
Современная квантовая теория показывает, что вблизи поверхности слоя, или оболочки, плотность вещества ядра атома должна плавно уменьшаться от некоторой постоянной величины до нуля.
Устройство ядра атома можно представить себе в виде различного рода моделей, изображенных на рисунке. Кривая сбоку каждой модели показывает, как изменяется плотность заряда ядра по мере увеличения расстояния от центра. Чертеж А представляет собой капельную модель ядра с постоянной плотностью заряда по всему объему и резко очерченной граничной поверхностью; Б — точечную модель; В — ядро в виде оболочки Модели Г, Д, Е представляют собой ядро, оболочка которого изменяется по разным законам. Модели Ж и З дают наибольшее согласование с экспериментальными данными.
В результате таких противоречий за последние годы было выдвинуто несколько новых теорий и моделей строения ядра атома. Например, по одной из них, ядро представляется в виде сферы с очень расплывчатыми очертаниями, в которой плотность вещества равномерно уменьшается от центра к поверхности. По другой теории, масса и заряд сосредоточены в виде концентрических оболочек. Существуют и другие модели, отличающиеся одна от другой именно порядком распределения плотности и заряда вещества по сечению атома.
КОГДА ЛЕГКИЙ СНАРЯД ЛУЧШЕ ТЯЖЕЛОГО?
Возвращаясь снова к первым опытам Резерфорда, позволившим по рассеянию альфа-частиц обнаружить существование совсем крошечного ядра в относительно больших просторах атома, ученые вспомнили и то обстоятельство, что, чем быстрее движется частица, тем короче оказывается и соответствующая ей длина волны. А из всех частиц быстрее всего можно разогнать опять-таки электроны — до скорости, близкой к скорости света.
Однако только с появлением мощных ускорителей частиц предоставилась возможность приступить серьезно к опытам по определению размеров ядра атома и составляющих его частиц по тому, как они рассеивают быстро летящие электроны.
Электроны по своим размерам самые подходящие для этого частицы. Но дело, к сожалению, не только в величине частицы.
Поясним это примером.
Если используемые электроны обладают энергией всего в несколько десятков тысяч электронвольт, то соответствующая такой энергии длина волны будет порядка 10 -8 см, или равняться, как мы условились измерять выше, 100 тысячам ядерных единиц, что соизмеримо лишь с диаметром электронной оболочки атома. Следовательно, пучок электронов, обладающих одновременно и свойствами частиц, и свойствами волны, не будет при такой длине волны в состоянии проникнуть внутрь атома. Так и в оптическом микроскопе невозможно наблюдать частицы, размер которых меньше длины волны освещающего эту частицу света.
Длина волны электрона, движущегося с энергией около 15 Мэв, оказывается в сотни раз короче, и она уже способна проникнуть внутрь электронной оболочки атома и нащупать там ядро, но все еще не способна определить частицы, из которых оно сложено.
В 1951 году был построен мощный ускоритель, позволяющий получать поток электронов, ускоренных до энергии, равной 600 Мэв. Длина волны у электронов с такой энергией равна всего нескольким ядерным единицам.
Длина волны электрона, движущегося со скоростью, соответствующей энергии в несколько десятков тысяч электронвольт, сопоставима лишь с диаметром электронной оболочки атома. При энергии около 15 миллионов электронвольт длина волны электрона позволяет ему проникать уже внутрь атома. При энергии, равной миллиарду электронвольт, длина волны электрона позволяет ему уже нащупывать каждую ядерную частицу.
Эти волны оказываются уже достаточно короткими, для того чтобы различать частицы, из которых сложены ядра атомов.
В качестве «ядерного зонда» электрон имеет и еще одно преимущество. Он не является нуклоном, и вследствие этого загадочные внутриядерные силы на него не действуют. Попадая в сферу действия протонов или нейтронов ядра, электрон подвергается действию только электрических или магнитных сил, которые в современной физике достаточно хорошо изучены и подаются точным измерениям и расчетам.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО ЛИВНЯ
Когда движущаяся с большой скоростью заряженная частица, в данном случае электрон, пролетает через электрическое силовое поле, создаваемое атомным ядром, она, естественно, отклоняется от своего первоначального направления.
Но в тех случаях, когда электрон попадает — как бы врезывается — в ядро атома, все происходящее более удобно рассматривать, исходя из волновых свойств электрона, то есть учитывая его дифракцию, а не отклонения.
Сам процесс отражения, или, что правильнее, рассеяния, в значительной степени будет зависеть от того, что представляет собой обстреливаемое ядро.
Каким образом движущийся с большой скоростью электрон взаимодействует с положительно заряженным ядром атома: А — электрон пролетает силовое поле расплывчатого ядра атома на его периферии, вследствие этого путь электрона изгибается; Б — электрон пролетает в непосредственной близости от точечного ядра атома, вследствие чего он может даже повернуть обратно; В — при прямом попадании очень быстрого электрона в расплывчатое ядро атома электрон пронизывает его насквозь, не отклоняясь в сторону.
В том случае, когда это очень маленькая плотная материальная точка или шарик, то, чем ближе к его центру пролетает бомбардирующий электрон, тем на больший угол он отклонится от своей первоначальной линии полета. Те из электронов, которые будут пролетать очень уж близко от ядра атома, могут быть притянуты к нему столь сильно, что, сделав полный оборот вокруг ядра, они могут полететь обратно, то есть угол их рассеяния окажется равным 180°.
Теперь предположим, что ядро атома имеет некоторую расплывчатую структуру. Поведение и рассеяние электронов примут иной характер. Электрон, с большой скоростью влетающий в самый центр такого ядра, окажется со всех сторон окруженным положительным зарядом одинаковой величины. Следовательно, ему «некуда» будет сворачивать, так как притягивающее действие положительного заряда будет исходить со всех сторон. Электрон пролетит сквозь такое ядро, не изменяя своего первоначального направления.
Отсюда перед исследователем сначала стоит относительно простая задача. Если ядро атома является небольшим, но очень плотным телом - «точкой», то при бомбардировке его быстрыми электронами следует ожидать, что огромное число их будет рассеиваться под большими углами — до 180°. Если же ядро атома имеет расплывчатую структуру, то количество таких отражений будет относительно небольшим.
Общая картина рассеяния электронов расплывчатым ядром будет иметь закономерность, сходную с дифракцией света при прохождении его сквозь маленькое отверстие или узкую щель. Вы ведь помните, что движущиеся с большой скоростью частицы проявляют одновременно и свойства частиц и свойства волн. На экране, куда свет падает после того, как он прошел очень маленькое отверстие, видно яркое светлое пятно, окруженное темными и светлыми кольцами. Последние по мере удаления от центра становятся все слабее и слабее. Примерно так же будут рассеиваться и электроны, в зависимости от угла отклонения их от первоначального направления.
Расстояние, измеренное между светлыми кольцами, позволяет довольно точно вычислить диаметр отверстия, через которое прошел луч света. Расстояние между такими же максимумами рассеянных электронов при их дифракции от ядра атома дают возможность судить о размерах этого ядра.
АТОМНАЯ МАЛОКАЛИБЕРНАЯ «АРТИЛЛЕРИЯ»
Линейный ускоритель электронов Стенфордского университета, который был использован для этих исследований, ускоряет электроны до энергии в миллиард электронвольт, но не непрерывным потоком, а сгустками примерно по 60 залпов в секунду. Каждый залп длится миллионную долю секунды и содержит около 10 миллиардов (1010) электронов. При помощи мощного магнита этот поток изгибается таким образом, чтобы в узкую щель попал очень тонкий пучок электронов, обладающих одинаковой энергией. Электроны, обладающие большей или меньшей энергией, не будут проходить через щель. Пройдя щель, пучок электронов направляется на обстреливаемую мишень, например очень тонкую золотую фольгу.
На первый взгляд может показаться, что для определения картины рассеяния электронов на нуклонах нужно лишь поместить вокруг фольги устройства для улавливания электронов и подсчета количества их, отраженных под разными углами. В этом случае вся установка выглядела бы значительно проще, чем она получилась на самом деле, и, в частности, не нужен был бы еще один огромный подковообразный магнит весом 45 т, который, изгибая поток уже отраженных от мишени электронов, тем самым довольно точно сортирует их по энергиям.
Последнее обстоятельство, однако, весьма важно, а следовательно, и необходимо. Простого подсчета отклоняемых под теми или иными углами электронов оказывается совершенно недостаточно.
Дело в том, что не все частицы, направленные на ядро атома, взаимодействуют с ним, а поэтому угол отклонения частиц после их встречи с ядром не всегда дает истинную картину его строения. Все зависит от уровня энергии каждой из обстреливающих ядро частиц. При некоторых столкновениях электрон и ядро могут вести себя подобно двум бильярдным шарам, отталкивающимся один от другого, или, что вернее, подобно легкому целлулоидному мячу для игры в пинг-понг после его встречи с пушечным ядром. В этом случае общая энергия движения (кинетическая энергия) сталкивающихся частиц остается без изменения. Это и есть то, что мы называем упругим соударением.
Большая частица — ядро атома, будучи во много тысяч раз тяжелее электрона, при таком столкновении отклонится в сторону на совершенно незначительную величину, электрон же резко изменит свое направление, однако сохранив почти ту же самую энергию, которой обладал до столкновения с ядром атома.
Столкновение может произойти и таким образом, что электрон потеряет заметную часть своей энергии, которая пойдет на дополнительное возбуждение ядра атома, то есть на повышение уровня его внутренней энергии. Выразится это в том, что нуклоны ядра станут двигаться в нем энергичнее, быстрее. Но это будет уже неупругое соударение.
Смешать вместе такие электроны — значит заранее получить неверные, искаженные результаты. Вполне очевидно, что для получения истинной картины нужно исследовать ядро атома в его обычном, невозбужденном состоянии.
Для этого и приходится отбирать только те электроны, которые в результате упругих столкновений полностью сохранили свою энергию.
Установка имеет приспособление, считающее электроны, попадающие в мишень, так как только по одному количеству отраженных под тем или иным углом электронов, не зная общего числа попадающих в мишень электронов, судить о чем-либо, естественно, невозможно.
Несмотря на исключительно важные результаты, полученные с помощью линейного ускорителя электронов до энергии в миллиард электронвольт, позволившего «прощупать» строение ядра атома и даже «пощупать» нуклон, этой энергии оказалось все же маловато. Чтобы разобраться в строении нуклонов, длина волны электрона, согласно формуле де Бройля, при этой энергии оказывается все же недостаточно короткой. А ведь после нуклонов есть необходимость разобраться в строении мезонов и других более мелких частиц, не исключая и самой важной и все еще остающейся загадкой частицы — самого электрона.
Исходя из этих, а также многих других соображений, в 1963 году в Физико-техническом институте, вблизи Харькова, был пущен в работу линейный ускоритель электронов на энергию 2 миллиарда электронвольт с конкретным назначением — изучение структуры протона и нейтрона.
«Ствол» этой мирной пушки — медный волновод, в котором происходит ускорение электронов, имеет в длину 240 м и состоит из 50 секций, в каждой из которых сгусток электронов, впрыскиваемый 50 раз в секунду, последовательно подстегивается электромагнитными импульсами мощностью 20 тысяч киловатт, пока он не приобретет в конце трубы энергию 2 миллиарда электронвольт!
Почему все-таки для ускорения электронов и в США и СССР применили линейные, а не иные ускорители?
Дело в том, что, двигаясь не линейно, а по спиральной орбите, заряженная частица при достижении определенной энергии излучает электромагнитные волны. При этом потери энергии на излучение обратно пропорциональны квадрату массы частицы. Получается, что более легкий электрон, двигаясь на орбите одного и того же радиуса, потеряет в 4 миллиона раз больше энергии, чем более массивный протон. И обойти этот незыблемый закон природы можно, лишь увеличивая радиус орбиты электрона, то есть спрямляя его путь до идеала — прямой линии.
НОВЫЕ ОТКРЫТИЯ, НОВЫЕ МОДЕЛИ
В результате длительных опытов и последующего сложного математического анализа стало ясно, что прежние модели ядер атомов нуждаются в серьезных исправлениях и изменениях, а вернее, должны быть построены новые модели ядер. Естественно, что эти новые модели, возможно, еще не точны, в ряде деталей и просто неверны, но они лучше, чем прежние, отражают истинное строение ядра атома.
Согласно одной из таких моделей, например, ядро атома золота имеет плотную сердцевину, которая простирается от центра на четыре ядерные единицы, а затем быстро разрежается и сходит на нет на расстоянии около девяти ядерных единиц.
Создание этой новой модели ядра атома, не имеющего резко очерченных границ, привело к тому, что стало трудно определять, где же оно кончается или начинается, что считать границей ядра и т. д.
Выводы, полученные из обстрела ядер атомов сверхбыстрыми электронами: А — ядро атома золота имеет плотную сердцевину, простирающуюся из центра ядра на 4,0 ядерные единицы, которая затем быстро разрежается и сходит на нет на расстоянии около 9,0 ядерных единиц; Б — у ядер атомов, атомный номер которых больше 40, толщина переходной оболочки оказалась удивительно постоянной и равна 2,4 ядерной единицы, независимо от диаметра сердечника ядра. Сердечник у ядер атомов с атомным номером меньше 40 отсутствует, и плотность ядра постепенно уменьшается от центра к периферии.
Если мы примем толщину переходной оболочки ядра атома золота как расстояние от точки, где плотность заряда ядра равна 90% от максимальной плотности, до точки, где эта плотность падает до 10%, то получится, что толщина такой условной переходной оболочки будет довольно близкой к 2,4 ядерной единицы. Определяя средний размер ядра как расстояние от его центра до точки, где плотность ядра равняется 50% от максимальной, получаем, что это среднее расстояние равно приблизительно 6,3 ядерной единицы.
Для ядер, атомный номер которых больше 40, обнаруживается любопытная закономерность. Для всех них без исключения толщина переходной оболочки оказывается удивительно постоянной и равна тем же самым 2,4 ядерной единицы. Размеры плотной сердцевины ядра в зависимости от числа нуклонов, естественно, изменяются, но расплывчатая наружная оболочка имеет одну и ту же толщину.
Опыты с ядрами, атомный номер которых был меньше 40, показали, что внутренняя сердцевина у них отсутствует и плотность ядра уменьшается от центра к периферии.
Все эти новые модели и показаны на стр. 365.
МОЖНО ЛИ УВИДЕТЬ АТОМ?
В некоторых местах этой книги мы упоминали о том, что мир микрочастиц столь мал, что вряд ли когда в будущем или, по крайней мере, очень скоро человеку удастся увидеть непосредственно атом и частицы, из которых складывается его ядро, вместо косвенных признаков их существования (следы в камере Вильсона, в искровых и пузырьковых камерах, звезды и следы в толстослойных фотографических пластинках и т. п.). В отношении атома это утверждение становится уже неверным.
Успехи, достигнутые в области электроники и электронной оптики за последние годы, привели к созданию целого ряда приборов — электронных микроскопов, позволяющих получать снимки с увеличением до 400—500 тысяч крат. На них впервые удалось разглядеть вирусы, размеры которых в несколько сот раз меньше бактерий, наблюдаемых в обычные оптические микроскопы.
Удалось увидеть даже отдельные молекулы-гиганты, характерные для вещества некоторых пластмасс и резины.
Однако даже самые лучшие электронные микроскопы не позволяют видеть детали меньше 10 ангстрем (ангстрем равен 10-8 см}.
Некоторое время назад профессору физики Пенсильванского университета (США) доктору Эрвину Мюллеру впервые удалось сфотографировать отдельные атомы при помощи нового, так называемого ионного эмиссионного микроскопа, дающего увеличение до 5 миллионов и более раз, то есть в 20—40 раз больше, чем электронный микроскоп.
Мы не имеем возможности даже бегло изложить здесь основы электронной оптики. Скажем лишь, что предел увеличения обычного оптического микроскопа (1500—2000 крат) невозможно преодолеть вследствие того, что световые волны перестают отражаться от лежащего у них на пути предмета, если его диаметр меньше длины этих волн. В таком случае свет просто огибает препятствие. Явление это в оптике известно как дифракция света. Бороться с ним можно, только применяя свет с более короткой длиной волны, например освещая рассматриваемый предмет невидимыми для человека ультрафиолетовыми лучами и снимая полученное изображение на чувствительные к этим лучам фотографические пластинки.
Более же короткие, чем лучи света, электромагнитные колебания — рентгеновы лучи — использовать в микроскопе невозможно. Длина волны их столь коротка, что не существует вещества или практических способов для их преломления и фокусирования, то есть для создания соответствующих линз.
Эти затруднения и привели к созданию электронного микроскопа. Даже разогнанный до больших скоростей пучок электронов можно относительно легко изгибать, собирать и рассеивать при помощи электрических или магнитных линз.
Однако из физики известно, что летящая с большой скоростью частица — в данном случае электрон — одновременно обладает и волновыми свойствами. Длина такой присущей частице волны тем короче, чем быстрее движется частица или чем больше ее масса.
К сожалению, сконструировать электронный микроскоп на рабочее напряжение выше 100 тысяч вольт очень сложно и трудно, масса же электрона чрезвычайно мала. Все это, вместе взятое, хотя и позволяет значительно отодвинуть момент наступления вредной дифракции (по сравнению с оптическим микроскопом), но все же получаемое изображение увеличивается «всего» в 5—10 тысяч раз. Еще в 10—20 раз его можно увеличить чисто фотографическим путем. В итоге и получается 400—500-тысячекратное увеличение.
Ионный эмиссионный микроскоп профессора Э Мюллера, позволяющий наблюдать отдельные атомы.
Недостатки электронного микроскопа и натолкнули ученых на идею вместо слишком легкого электрона использовать более тяжелый протон или положительно заряженный ион тяжелого водорода и даже гелия.
Разогнанный до большой скорости, такой ион, обладающий в несколько тысяч раз большей массой, а следовательно, и энергией, проявляет более благоприятные волновые свойства: длина его волны оказывается во много раз короче, чем у электрона, что достаточно далеко отодвигает границу появления дифракции и позволяет ему отражаться от частиц, уже сопоставимых с размерами атома.
Разработанный профессором Э. Мюллером прибор состоит из колбы с двойными или тройными стенками, между которыми налит жидкий азот или водород. Внешне колба напоминает телевизионную трубку. Ее дно покрыто светящимся составом, а в центре установлен электрод, оканчивающийся тончайшей иглой из вольфрама, направленной острием вниз, в сторону экрана. Между иглой и экраном приложено высокое электрическое напряжение — порядка 30 тысяч вольт, которое благодаря малому радиусу острия иглы (до 1000 ангстрем) создает на ее поверхности напряжение, уже равное 500 миллионам вольт на квадратный сантиметр.
Внутрь колбы после откачки из нее воздуха вводится небольшое количество газа — гелия.
Как же работает такой микроскоп?
Когда атом газообразного гелия оказывается очень близко от поверхности острия иглы (как бы касается ее), огромное положительное напряжение последней вырывает из «неосторожного» атома электрон.
Образовавшийся в данной точке поверхности острия положительный ион гелия, притягиваемый отрицательным зарядом экрана и подстегиваемый столь же сильно отталкивающим положительным зарядом иглы, мгновенно разгоняется до огромной скорости и, ударяясь об экран, вызывает его яркое свечение.
Вольфрам имеет кристаллическое, ступенчатое строение, и самое сильное электрическое поле создается около каждого выступа такой ступеньки. Именно в этих точках и происходит одновременное «раздевание» сотен тысяч атомов гелия, которые затем расходящимся пучком уносятся к экрану, образуя на нем картину, в точности воспроизводящую ступенчатую структуру поверхности кончика иглы, увеличенную притом еще в 2 миллиона раз — на величину разности между площадью поверхности кончика иглы и площадью экрана. Каждая светлая точка на получаемой фотографии и будет соответствовать местоположению атома в кристаллической решетке вольфрама.
Необходимость охлаждать кончик иглы жидким водородом вызывается довольно тонким обстоятельством. Дело в том, что не все атомы гелия, попав на очень близкое расстояние к кончику иглы, ионизируются. Многие из них при обычных температурах обладают столь высокими скоростями движения, что отскакивают от кончика острия в самых различных направлениях. И если, отскочив от поверхности кристалла, они все же затем ионизируются, то их полет к экрану и последующее свечение последнего уже не будут соответствовать картине того участка поверхности острия иглы, около которого они должны были ионизироваться. Значит, общая картина расположения атомов в кристалле будет сильно искажена.
Когда же поверхность острия охлаждается до температуры жидкого водорода (—252°), энергия движения атомов гелия вблизи острия резко уменьшается, и, теряя свою кинетическую энергию, они как бы прилипают к атомам вещества иглы, а отскочив от них, не попадают слишком скоро в зону, где они могут быть ионизированы.
На приведенном на стр. 368 рисунке показано изображение слоя атомов вольфрама, расположенных на самом кончике иглы.
Каждая светлая точка представляет собой атом вольфрама диаметром несколько больше одной стомиллионной доли сантиметра.
КАК ЗАГЛЯНУЛИ ВНУТРЬ ПРОТОНА
Успех в «прощупывании» ядер атомов окрылил ученых. Им захотелось выяснить хотя бы приблизительно, что представляет собой такое ядро атома, которое одновременно является и элементарной частицей, то есть протон. С этой целью электронному обстрелу были подвергнуты ядра атомов газообразного водорода.
Протон оказался похожим на планету Сатурн. Часть времени своего существования он окружен как бы кольцом — появляющимся и исчезающим мезонным облаком.
Было обнаружено, что и протон является неким протяженным телом, плотность заряда которого падает от максимума до нуля на расстоянии 1,4 ядерной единицы от центра.
Однако, по современным данным, протон представляет собой «голый» нуклон, периодически испускающий из себя облачко пи-мезона, который вращается вокруг него в течение невообразимо короткого промежутка времени, а затем втягивается обратно в протон. При обстреле протона электронами последние, вероятнее всего, и отражаются от этого мезонного кольца, а не от самой сердцевины протона.
Подобные открытия все усложняют и усложняют картину строения ядра атома и складывающих его частиц. Возможно, что за этой сложностью скрываются очень простые вещи, и те пока еще отрывочные данные, которые ученые получают при помощи новых методов исследования, являются мгновенными, временными переходами внутриядерных частиц из одного относительно простого состояния в другое, столь же простое состояние. Но схватываемые отрывками, «на лету», они создают столь сложную картину.
