ИСКУССТВЕННЫЕ АТОМЫ
Начиная с первого, ставшего уже классическим опыта Резерфорда, вот уже свыше 50 лет ученые-физики во всех лабораториях мира неустанно самыми разнообразными способами разрушают атомы вещества, для того чтобы изучить, из чего и как они сложены, какими законами и силами управляются. Выработалась даже характерная для такого способа исследований терминология: «бомбардировка атома и его ядра», «атомная артиллерия» и т. п. Период разрушения в атомной физике привел к открытиям огромной важности для человечества: высвобождению внутриядерной энергии, созданию новых (трансурановых) элементов, получению искусственных радиоактивных веществ, открытию новых частиц и многого другого.
Однако этот неизбежный и необходимый этап в развитии атомной физики, видимо, близится к концу. Структура атома и его ядра, законы, ими управляющие, хотя далеко еще не раскрыты и не поняты до конца, все же дали в руки ученых достаточно знаний и средств, чтобы приступить к новому этапу, который в предвидимом будущем станет важнейшим направлением в развитии современной физики — созданию искусственных ядер атомов с заданными свойствами.
Разрушая или преобразуя атомы посредством бомбардировок их атомными же «снарядами», ученые имели возможность создавать более или менее стройные и достоверные теории, подтвердить которые, однако, окончательно могли лишь такие опыты, которые позволили бы на базе тех же самых теорий сложить разрушенные атомы или ядра вместе или создать новые, хотя бы и примитивные, искусственные атомные структуры. В случае даже частичной удачи перед учеными открылись бы увлекательнейшие перспективы создания не только отдельных атомов, но и веществ с самыми необыкновенными свойствами: сверхплотные, сверхлегкие, сверхтяжелые. Первую такую успешную попытку удалось осуществить в 1955 году. Речь идет об искусственном атоме — позитронии.
ИСКУССТВЕННЫЙ АТОМ - ПОЗИТРОНИЙ
Атомы водорода и позитрония.
Теперь, спустя много лет, все в этом замечательном открытии кажется довольно простым. Однако посмотрим, что же представляет собой такой искусственный атом.
Известно, что в результате распада некоторых искусственных радиоактивных элементов происходит излучение позитрона.
Следом за быстролетящим позитроном тотчас же увязывается свободный электрон, всегда имеющийся в окружающем веществе.
Эта своеобразная погоня кончается тем, что на ничтожно короткий отрезок времени, равный в одних случаях всего миллионным, а в других даже десятимиллиардным долям секунды, возникает временное, неустойчивое атомное образование — позитроний, в котором отсутствует ядро, а электрон вращается вместе с позитроном вокруг некоторого общего центра тяжести
Электрически такой атом похож на атом самого легкого устойчивого элемента — водорода, в котором один электрон вращается вокруг одиночного протона. Но так как позитрон не тяжелее электрона, то новый искусственный атом — позитроний — весит приблизительно в 1000 раз меньше, чем обычный атом водорода, а его диаметр в два раза больше атома водорода.
За невероятно короткое время своего существования позитрон и электрон тем не менее успевают совершить около миллиона оборотов один вокруг другого, а затем, сталкиваясь, взаимно уничтожаются. Позитроний исчезает, излучая два фотона.
ДВА ФОТОНА ИЛИ ТРИ?
Закон сохранения количества движения говорит, что сумма количества движения двух или нескольких взаимодействующих тел никогда и ни при каких обстоятельствах не меняется.
Почему появляются кванты отдачи.
Исчезновение позитрона и электрона и преобразование их в кванты излучения аналогично отдаче ружья при выстреле пулей. Выстрелу одного фотона излучения неизбежно должен соответствовать вылет другого, точно такого же фотона с одинаковой энергией в строго противоположном направлении.
Энергия фотонного выстрела равна приблизительно 1 Мэв — по 500 тысяч электронвольт на каждый фотон. Иногда позитроний выбрасывает не два, а три фотона. По теории он может выбросить и большее число фотонов при условии, что энергия, появляющаяся в процессе преобразования материальных частиц—позитрона и электрона в фотоны, распределяется поровну между этими фотонами.
Следует указать, что непосредственно наблюдать момент образования позитрония не удается. Он обнаруживает себя лишь в момент своей гибели — одновременным появлением двух или трех одинаковых квантов излучения.
Квантовая теория предсказывает, что должно существовать два типа позитрония: один, живущий 1,25 · 10-10сек, при своем исчезновении выбрасывает два фотона, и другой со сроком жизни 1,4 · 10-7сек, выбрасывающий при распаде три фотона.
В нашем представлении это ничтожно малые отрезки времени, за которые, кажется, ничего существенного произойти и не сможет, однако в мире атомных частиц это очень большое время, и его вполне достаточно, чтобы обнаружить, проследить и измерить все фазы столь скоротечного процесса, как образование и распад позитрония.
Двухфотонный позитроний получил название пара-позитроний, трех-фотонный — орто-позитроний.
ПОЧЕМУ ВАЖНО ЗНАТЬ ЕЩЕ И СПИН ЧАСТИЦЫ
Помимо массы и электрического заряда, электрон обладает целым рядом других свойств. Одним из наиболее важных является то, что он вращается не только вокруг ядра, но одновременно вокруг своей собственной оси с постоянной угловой скоростью. Эта скорость характеризуется особой величиной, которая называется спином.
Вращаясь вокруг ядра атома со скоростью, составляющей несколько процентов от скорости света, электрон придает своеобразную «жесткость» сфере той части пустого пространства, по которой он движется. Чтобы реально убедиться в возможности существования такой жесткости, попробуйте сунуть карандаш в туманное пятно быстро вращающейся крыльчатки настольного вентилятора.
Вращение электрона вокруг ядра нельзя ни ускорить, ни замедлить. Нельзя и изменить его, не разрушив самого электрона
Величину спина нельзя выразить числом оборотов в минуту. Поэтому его измеряют в единицах момента количества движения. Это несколько сложное понятие. В механике момент количества движения равен произведению вращающейся массы на ее скорость и на расстояние от этой массы до центра, вокруг которого она вращается. Чем больше скорость вращения, масса и размер тела или любая комбинация этих величин, тем больше момент количества движения. Иными словами, это понятие характеризует интенсивность вращения, то есть запас движения. Его величина связана с усилием, которое необходимо, чтобы вызвать или приостановить вращательное движение. Вращающийся электрон имеет ничтожную массу и величину. Поэтому момент количества движения его столь же ничтожно мал. Но в масштабах микромира он огромен, подобно отношению момента количества движения у волчка или у карусели.
В микромире спин частиц обычно измеряют в единицах спина фотона, который условились считать равным единице. Спин электрона равен половине, то есть половине момента количества движения фотона. Некоторые частицы не имеют спина вовсе — например, пи-мезоны Все остальные частицы имеют спин, равный половине или единице.
Когда электрон и позитрон закручиваются один вокруг другого и временно образуют атом позитрония, их спины могут быть либо параллельными, либо антипараллельными. В первом случае уже в масштабах всего атома они складываются и в целом дают спин, равный единице. Во втором суммарная величина спина равняется нулю. Этим и объясняется возможность существования двух видов позитрония. В атоме орто-позитрония электрон и позитрон вращаются параллельно, а в атоме пара-позитрония их спины направлены навстречу один другому. В момент распада позитрония возникают очень сложные и тонкие взаимодействия, в которых решающую роль играют именно спины всех участвующих в этом явлении частиц, как и спины вновь образующихся фотонов.
Фотоны, являющиеся одной из форм существования движущейся материи, проявляют одновременно и свойства частиц, и свойства электромагнитных волн. Рассматриваемые как частицы, фотоны тоже обладают спином. Спин каждого фотона равен уже целой условной единице. Они могут вращаться в разных направлениях, и, следовательно, спины фотонов тоже могут складываться или вычитаться. При параллельном вращении суммарный спин двух фотонов равен двум. При противоположном вращении (антипараллельном) он равен нулю.
Вращение, как и любое иное движение, подчиняется закону сохранения количества движения. Вот поэтому-то ортопозитроний с суммарной величиной спина двух его частиц — позитрона и электрона, равной единице, не может распасться на два фотона, так как спины двух его фотонов (по единице) могут складываться и давать либо нуль (вращаясь навстречу один другому), либо две единицы (вращаясь параллельно). Орто-позитроний претерпевает единственно возможное для него преобразование: он распадается на три фотона. Два антипараллельных фотона в сумме дают спин, равный нулю, а третий фотон дает единицу. Поэтому сумма спинов всех трех фотонов равняется единице, то есть сумме спинов позитрона и электрона, и, следовательно, делает такой распад возможным.
Две разновидности атомов позитрония: слева — пара-позитроний и справа — орто-позитроний; рисунок показывает, каким образом складываются спины составляющих их ядерных частиц (электрона и позитрона) и получающихся в результате распада позитрония фотонов.
Пара-позитроний же, наоборот, имея суммарный спин двух его частиц, равный нулю, легко превращается в два фотона, суммарный спин которых может равняться или нулю (антипараллельно) или двум (параллельно).
Благодаря спину электрон и позитрон обладают еще и магнитными свойствами, то есть, вращаясь, они ведут себя как маленькие магнитики, полюса которых направлены более или менее точно вдоль осей вращения этих частиц. В ортопозитронии северные и южные полюса обеих частиц-магнитиков — позитрона и электрона — направлены в противоположных направлениях, электрические же свойства электрона и позитрона проявляются, когда эти частицы вращаются в одном и том же направлении. Слабое отталкивание между двумя одинаковыми полюсами делает всю систему орто-позитрония менее устойчивой, чем у пара-позитрония, в котором магнитное притяжение несколько усиливает электрическое притяжение. Вследствие этого в среднем энергия орто-позитрония несколько выше, чем пара-позитрония.
Может быть, все это уж чересчур большие тонкости, но они играют огромную роль в определении уровня энергии частиц, особенно для того, чтобы установить причины, почему такой искусственный атом стремится распасться. Например, ученым удалось подметить, что время от времени атом ортопозитрония делает как бы преждевременные попытки взорваться. Однако суммарный спин его частиц, равный единице, позволяет ему превратиться лишь в один фотон (со спином, равным единице), но это, как вы видели выше, невозможно, так как распасться с выбрасыванием всего одного фотона ничто в природе, в том числе и атом орто-позитрония, не может. Пара-позитроний, наоборот, даже не пытается стать одним фотоном, так как его спин, равный нулю, для этого вовсе не годится. Зато, когда наступает его время распадаться, он без затруднений превращается в два фотона. Спины всех его частиц этому не препятствуют: суммарный спин двух фотонов тоже равен нулю. Пара-позитроний поэтому более устойчив, чем орто-позитроний.
Теоретические исследования всех этих эффектов показывают, что разница между энергиями двух таких атомов составляет всего около 1/1000 электронвольта.
МЕЗОННЫЙ АТОМ
Ранее уже отмечалось, что носителями сил притяжения, существующими между электрически разноименно заряженными частицами, являются фотоны — кванты электромагнитного излучения, которыми непрерывно обмениваются эти частицы. Короткодействующие внутриядерные силы своим существованием обязаны пи-мезонам — частицам, имеющим массу более 273 масс электрона.
Так выглядит мезонный атом по сравнению с обычным атомом водорода.
В соответствии с этими выводами квантовой теории наряду с позитронием возможно существование и другого не встречающегося в природе атома, у которого вместо электрона вокруг ядра, состоящего из обычных протонов и нейтронов, вращается мезон. Это так называемый мезонный атом.
Именно в силу того, что мезон является носителем пока еще таинственных внутриядерных сил, изучение такого мезонного атома представляет собой исключительный интерес для физики атомного ядра.
Здесь стоит вспомнить о некоторых особенностях структуры обычного атома, например водорода. В нем одиночный электрон вращается вокруг протона по круговой орбите диаметром около 10-8 (стомиллионной) см, а диаметр самого протона, как известно, равен примерно 10-13см. Если такой атом поглотит извне порцию (квант) энергии, его электрон покидает свою нормальную орбиту и мгновенно перепрыгивает на другую, более удаленную от ядра атома орбиту. Под действием сил притяжения положительно заряженного ядра электрон одним или несколькими последовательными прыжками тотчас же возвращается на свою основную орбиту, каждый раз высвобождая в виде электромагнитного излучения — квантов света — поглощенную до этого атомом излишнюю порцию энергии.
Атом каждого элемента имеет определенный набор таких орбит и поэтому излучает свет только определенной, свойственной ему длины волны, а следовательно, и цвета.
Теперь посмотрим, что может получиться, если в атоме водорода электрон заменить отрицательно заряженным мезоном. В соответствии с квантовой теорией мезону, так же как раньше электрону, будет предоставлен выбор тоже строго определенного числа орбит вокруг ядра атома, и перескок его с одной орбиты на другую будет сопровождаться характерным излучением. В случае мю-мезона, который в 210 раз тяжелее электрона, расстояние до каждой из его орбит вокруг ядра атома уменьшится тоже в 210 раз, а следовательно, и длина волны излучения при перескоках мю-мезона между этими орбитами сократится в тех же самых пропорциях, то есть в 210 раз. Если на место электрона становится пи-мезон, который тяжелее его в 273 раза, то все орбиты и соответственно длины волн излучения атома сокращаются тоже в 273 раза.
Такое уменьшение длины волны переводит излучение атома из спектра видимого света в спектр длинных, то есть очень мягких, рентгеновых лучей, отличающихся малой проникающей способностью. Вследствие этого их трудно обнаруживать и изучать.
Более тяжелый мезонный атом должен излучать и более короткие волны, то есть более жесткие и проникающие лучи.
Насколько же все эти предположения совпадают с данными опытов?
Чтобы создавать мезонные атомы, необходимо иметь ускоритель, энергия которого позволяет получать из облучаемых веществ поток отрицательных мезонов; устройство, в котором эти мезоны замедляются до тепловых скоростей, а затем захватываются ядрами атомов соответствующих элементов; и, наконец, счетчики, позволяющие обнаруживать и измерять длину волны рентгеновых лучей, излучаемых возбужденными мезонными атомами.
Первые опыты были произведены с мю-мезонами. В том случае, когда эти мезоны захватывались относительно легкими атомами, например неоном или углеродом, все происходило в соответствии с ожидаемыми результатами — длина волны рентгеновского излучения, испускаемого при перескоках мю-мезонов с орбиты на орбиту, соответствовала 210-кратной разнице в массе между мю-мезоном и электроном.
КВАНТ СВЕТА
Механизм поглощения и излучения энергии обычным и мезонным атомами.
Однако, когда дело перешло к тяжелым атомам, это соотношение резко нарушилось — энергия рентгеновского излучения здесь значительно уменьшилась, в то время как законы излучения действительны для любых видов атомов.
Что же случилось с таким мезонным атомом?
Разбор именно этого явления подтвердил достоверность и точность теоретических расчетов, основанных на квантовой теории атома. Ответ на этот вопрос можно получить, рассчитав местоположение мезонных орбит вокруг ядра какого- либо тяжелого атома, например свинца. Если один из его внешних электронов заменить мю-мезоном, то диаметр орбиты этого мезона будет равен 5,8 · 10-13 см.
Диаметр ядра атома свинца равен 17 · 10-13 см. Выходит, что мезонная орбита в этом случае почти втрое меньше диаметра ядра своего собственного атома и, другими словами, должна проходить уже внутри ядра.
Невероятно, но факт!
Мы знаем, что ядро атома — исключительно плотное тело. Однако плотность еще не означает обязательно непрозрачность. Непроницаемость вещества является понятием лишь нашего мира — макромира. В мире атома, очевидно, существуют другие понятия. И совершенно не исключена возможность, что мезон может свободно путешествовать внутри ядра, не встречая препятствий своему движению.
Именно это и происходит в нашем случае. Совершив в короткое время (за стомиллионную долю секунды) огромное количество оборотов — миллионы миллионов, — мезон затем поглощается ядром атома свинца, и энергия, эквивалентная массе поглощенного мезона, с большой силой взрывает это ядро. При этом выделяется довольно большое количество энергии.
Измеряя длину волны рентгеновского излучения мезонного атома, ученые воспользовались этим, чтобы рассчитать диаметр ядра атома. Согласно современным воззрениям, ядро атома представляется как облако электрического заряда, очень плотное, но идеально «жидкое», благодаря чему оно и не оказывает сопротивления движению мезона.
Большой интерес представляют и результаты, полученные с пи-мезонами.
В противоположность мю-мезону, пи-мезон взаимодействует с веществом ядра атома значительно быстрее и сильнее. В мезонном атоме водорода мю-мезон, например, может спокойно вращаться по своей орбите вокруг протона в течение сравнительно долгого, по атомным масштабам, времени, равного нескольким микросекундам. После этого он распадается на электрон и несколько нейтрино.
Что происходит с мезонным атомом более тяжелых, чем углерод, элементов — меди и свинца. Орбита мезона в атоме свинца проходит уже внутри его ядра.
В относительно тяжелом атоме (например, неона) пи-мезон срывается и захватывается ядром атома, не достигнув даже самой ближней к нему орбиты. В еще более тяжелом атоме (свинца) пи-мезон срывается и захватывается уже с пятой или шестой орбиты. Внизу показана звезда — след взорвавшегося ядра атома, после того как оно сорвало с орбиты и поглотило пи-мезон.
С пи-мезоном в таком атоме дело обстоит совсем по-другому. Едва он попадает на самую близкую к ядру орбиту, как тотчас же срывается с нее и захватывается протоном, вследствие чего время его существования в атоме в миллион раз короче, чем у мю-мезона. В этом случае отрицательный пи-мезон соединяется с положительным протоном, заряды их взаимно нейтрализуются, и они становятся нейтральными частицами.
В более тяжелом атоме это явление протекает еще живописнее. Например, в атоме неона пи-мезон даже не достигает самой ближней к ядру орбиты: он поглощается ядром, едва попав на предпоследнюю орбиту.
«Жадность» ядра атома на пи-мезоны совершенно невероятна. А в таких тяжелых атомах, как свинец, внутри ядра которых мю-мезон может вращаться почти беспрепятственно, пи-мезон захватывается ядром, находясь еще на пятой или шестой от ядра орбите. На опыте это подтверждается тем, что отсутствует рентгеновское излучение, соответствующее более близким орбитам.
После того как пи-мезон оказывается захваченным ядром атома, он полностью исчезает. Так же, как и при захвате мю-мезона, энергия, эквивалентная его массе, разрывает ядро на множество осколков. На толстослойных фотопластинках это дает ярко выраженную звезду.
Нарисованная нами картина мезонного атома, его орбит и т. п. является очень упрощенной; частицы, которые мы заставляем путешествовать по орбитам, на самом деле «размазаны» по всему объему атома, и, некоторым образом, они постоянно касаются ядра.
