Магические числа

В 1928 г. американский физик-теоретик Г.А. Гамов, разрабатывая теорию альфа-распада, ввел представление о ядре как о своеобразной капле, частицы в которой тесно связаны между собой силами притяжения. В 1936 г. Нильс Бор и Джон Уилер, развивая идеи Тамова, создали капельную модель ядра. Аналогия довольно-таки наглядна. Между молекулами в капле воды силы притяжения действуют, как и ядерные силы, на очень коротких расстояниях. Если каплю воды опустить в другую жидкость такой же плотности, то она принимает сферическую форму. Это объясняется поверхностным натяжением, которое создается силами притяжения, действующими между молекулами на поверхности капли. Эти силы притяжения и придают капле форму сферы, которая имеет минимальную площадь.

В исключительно малом объеме атомного ядра находится значительное число протонов и нейтронов. Они связаны между собой сильным ядерным взаимодействием. Поверхностный слой нуклонов остается неуравновешенным, и поэтому можно говорить, что в ядре также существует своего рода поверхностное натяжение. В реальных условиях эта картина усложняется взаимным отталкиванием электрически заряженных протонов. Поскольку ядра имеют различное число протонов и нейтронов, сильное и электромагнитное взаимодействия накладываются и в конечном счете ядро приобретает неправильную форму. Некоторые ядра имеют довольно удлиненную форму, и даже такое слабое воздействие, как попадание в ядро извне еще одного нейтрона, может нарушить равновесие и привести к разделению ядра на части. Эта теория, довольно хорошо объясняющая деление атомов, была предложена Бором и Уилером в 1939 г.

Капельная модель ядра сыграла большую роль в экспериментальной физике и многие годы пользовалась большой популярностью среди ученых. Накапливались, однако, факты, которые не могли найти объяснения в рамках этой простой схемы. Уже в 1934 г. молодой немецкий физик. Вальтер Эльзассер установил, что ядра, в которых число нуклонов, протонов или нейтронов равно 2, 8, 20, 50, 82 или 126, обладают особой стабильностью. Поскольку физики не находили объяснения этому явлению, эти числа были названы «магическими». Наиболее устойчивыми оказались ядра, в которых число нуклонов было «дважды магическим». К ним относятся, например, ядра гелия-4 (2 нейтрона и 2 протона), кислорода-16 (8 протонов и 8 нейтронов) и свинца-208 (82 протона и 126 нейтронов). Эти факты наряду с другими дали основание американскому физику А. Бартлету предложить оболочечную модель ядра. Эта идея, однако, существенно опережала свое время и поэтому не нашла тогда поддержки. В 1949 г. представления физиков об атомном ядре значительно углубились, и оболочечная модель ядра, предложенная Марией Гёпперт-Майер и независимо Йоханнесом Хансом Даниелем Йенсеном, привлекла всеобщее внимание ученых.

Согласно их теории, нуклоны движутся в ядре по определенным орбитам, подобно электронам в атоме. И так же как строение электронной оболочки и ее постепенное заполнение служат основой периодической системы элементов, магические числа в сочетании с оболочечной моделью ядра привели к созданию периодической системы ядер. Магическое число показывает, какое максимальное число нуклонов может быть в следующем слое. Сначала эта теория принималась с трудом. Физики не могли допустить, что в сверхплотном ядре протоны и нейтроны движутся независимо друг от друга и сохраняют какую-то упорядоченность. Но оболочечная модель хорошо объясняла некоторые явления, в частности связанные с устойчивостью атома, и в 50-е годы полупила признание большинства ученых. За создание оболочечной модели ядра Мария Гёпперт-Майер и Йоханнес Йенсен были удостоены в 1963 г. Нобелевской премии по физике.

Вместе с ними был награжден и американский физик венгерского происхождения Юджин Поль Вигнер. Его научная деятельность связана с квантовой механикой и электродинамикой, с физикой ядра и элементарных частиц. Еще в 1933 г. он доказал, что ядерные силы должны иметь небольшой радиус действия. Впоследствии он публикует и другие работы, связанные с взаимодействием между нуклонами. Вигнер участвовал в работе группы Ферми, которая в 1942 г. пустила первый американский атомный реактор. В конце 40-х и в 50-е годы он публикует важные работы по физике элементарных частиц. За большой вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц, особенно за применение фундаментальных принципов симметрии, Вигнеру была присуждена в 1963 г. Нобелевская премия по физике.

История науки знает много примеров того, как среди ученых периодически распространяется увлечение сначала одной теорией, а затем ее противоположностью. Обычно это заканчивается созданием некой «гибридной» теории, которая объединяет в себе положительные качества предыдущих точек зрения и знаменует новый, более высокий уровень знаний.

Так было и с представлениями об атомном ядре. На смену капельной модели Гамова, Бора и Уилера пришла оболочечная модель, которая ставила поведение протонов и нейтронов в атомном ядре в очень жесткие рамки. Но уже в 1952 г. датские физики Оге Бор, сын Нильса Бора, и Бенжамин Моттельеон разработали так называемую коллективную модель ядра. Немного раньше их, в 1950 г., подобные идеи (сфероидальная модель ядра) высказал американский физик Джеймс Рейнуотер. Согласно коллективной модели, ядро действительно состоит из оболочек, которые постепенно заполняются при переходе к каждому следующему элементу периодической системы. На поверхности ядра эта упорядоченность, однако, нарушается — плотность частиц уменьшается и создаются условия для неустойчивости. Именно в этой области, около поверхности, ядра деформируются, в результате возникают своего рода волны, с которыми связаны ядерное гамма-излучение и радиоактивность.

Данные о структуре ядра были получены путем бомбардировки мишеней субатомными частицами, ускоренными до очень высоких энергий. Картина рассеяния дает представление о распределении протонов и нейтронов внутри ядра. Наряду с этим применялся также метод мезоатомов. В 1953 г. Рейнуотер решил воспользоваться тем обстоятельством, что мю-мезон (который в сущности является тяжелым электроном), попадая в атом, достигает ядра и даже проникает в него. При этом возникает рентгеновское излучение, позволяющее получить информацию о различных структурах ядра. Таким образом было, например, установлено, что ядра имеют «стратосферу» — область вблизи поверхности, в которой плотность частиц в 20 раз меньше, чем в центре.

В 1958 г. Оге Бор и Бенжамин Моттельеон совместно с Дэвидом Пайнсом построили сверхтекучую модель ядра. Это значительно обогатило их теорию, приблизив ее к реальности. За большие заслуги в развитии ядерной физики О. Бор, Б. Моттельеон и Дж. Рейнуотер были награждены в 1975 г. Нобелевской премией по физике.