Хотя предложенная Бором теория строения атома оказалась необычайно плодотворной для объяснения различных свойств атомов и молекул, основное понятие — дискретная квантовая орбита — оставалось весьма неясным, и чем глубже физики пытались вникнуть в анализ столь необычного ограничения классической теории, тем более неясной становилась общая картина.
Наконец, физики осознали, в чем именно заключается слабая сторона теории Бора: вместо основательной перестройки классической механики теория Бора просто наложила ограничения на ее результаты, введя дополнительные условия, в принципе чуждые всей структуре классической теории. Правильное решение всей проблемы было получено лишь тринадцать лет спустя в виде так называемой волновой механики, изменившей самые основы классической механики в соответствии с новым квантовым принципом. Несмотря на то, что на первый взгляд система волновой механики может показаться еще более «сумасшедшей», чем теория Бора, эта новая микромеханика представляет собой одну из наиболее последовательных и признанных частей современной теоретической физики. Поскольку фундаментальный принцип новой механики и, в частности, понятия «неопределенность» и «расплывание траекторий» были рассмотрены мной в одной из предыдущих лекций, я обращаюсь теперь к вашей памяти или к вашим конспектам и хотел бы вернуться к проблеме строения атома. На схеме, которую вы сейчас увидите (следующий слайд, пожалуйста!) (см. рис. внизу), изображено движение атомных электронов, рассматриваемое с позиций волновой механики, или с точки зрения «расплывания орбит». Вы видите здесь те же самые типы движения, которые в рамках классической теории были представлены на предыдущем слайде (единственное различие состоит лишь в том, что по чисто техническим причинам каждый тип движения теперь изображен отдельно), но вместо четких линий, изображающих траектории в теории Бора, теперь перед нами расплывчатые пятна в полном согласии с фундаментальным принципом неопределенности. Различные состояния движения имеют такие же обозначения, как на предыдущем слайде, и сравнивая оба слайда, вы заметите, если слегка напряжете воображение, что расплывчатые облака на втором слайде очень точно передают общие характерные особенности старых орбит Бора.
Оба слайда отчетливо показывают, что происходит с добрыми старомодными траекториями классической механики, когда в игру вступает квант, и хотя человеку непосвященному все это может показаться фантастическим сном, ученые, работающие в микрокосмосе атомов, не испытывают особых трудностей в восприятии такой картины.
Завершив на этом краткий обзор возможных состояний движения в электронной атмосфере атома, мы обращаемся теперь к важной проблеме, касающейся распределения различных атомных электронов по различным допустимым состояниям движения. Здесь мы сталкиваемся с новым принципом, совершенно незнакомым в макроскопическом мире. Этот принцип впервые был сформулирован моим молодым другом Вольфгангом Паули. Он утверждает, что в сообществе электронов данного атома никакие два электрона не обладают движением одного и того же типа. Это ограничение не имело бы особого значения, если бы число возможных движений было бесконечно велико, как в классической механике. Но поскольку правила квантования существенно уменьшают число «разрешенных» состояний движения, принцип Паули играет очень важную роль в атомном мире: он обеспечивает более или менее равномерное распределение электронов вокруг атомного ядра и мешает электронам скапливаться в каком-то одном месте.
Но из приведенной выше формулировки нового принципа не следует делать вывода о том, что расплывчатые квантовые состояния движения, изображенные на втором слайде, могут быть «заняты» только одним электроном. Действительно, помимо движения по орбите каждый электрон обладает спином, т.е. вращается вокруг собственной оси, и доктора Паули отнюдь не разочарует, если два электрона окажутся на одной орбите, если их спины будут направлены в противоположные стороны. Исследование спина электронов показывает, что скорость вращения электронов вокруг собственной оси всегда одна и та же и что направление спина всегда должно быть перпендикулярно плоскости орбит. Это означает, что возможны только два различных направления спина, которые соответственно можно считать происходящими «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки».
Таким образом, применительно к квантовым состояниям принцип Паули может быть сформулирован следующим образом: в каждом квантовом состоянии движения могут находиться не более двух электронов, спины которых должны быть направлены в противоположные стороны. Проходя всю естественную последовательность элементов к атомам со все большим и большим числом электронов, мы обнаружим, что различные квантовые состояния движения постепенно заполняются электронами и диаметр атома монотонно возрастает. В этой связи нельзя не упомянуть о том, что с точки зрения силы связи различные квантовые состояния атомных электронов могут быть объединены в отдельные группы (или оболочки) с приблизительно равной силой связи. По мере продвижения вдоль естественной последовательности элементов, мы видим, что одна группа заполняется за другой и в результате последовательного заполнения электронных оболочек свойства атомов периодически изменяются. Это объясняет хорошо известную периодичность свойств элементов, открытую эмпирически знаменитым русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
Глава 12
Внутри ядра
Следующая лекция, которую посетил мистер Томпкинс, была посвящена внутреннему строению ядра как центра, вокруг которого вращаются атомные электроны.
— Леди и джентльмены, — начал профессор. — Все более углубляясь в строение материи, мы попытаемся теперь проникнуть нашим мысленным взором внутрь ядра, в загадочную область, занимающую лишь одну тысячную от миллиардной доли общего объема атома. И все же, несмотря на столь невероятно малые размеры новой области наших иссследований, мы обнаружили в ней самую оживленную деятельность. Ведь атомное ядро — сердце атома, и именно в нем, несмотря на сравнительно малые размеры, сосредоточено 99,97% всей массы атома.
Вступая в область атомного ядра после сравнительно бедно населенной электронной атмосферы атома, мы сразу же будем поражены ее необычной перенаселенностью. Если электроны атомной атмосферы движутся в среднем на расстояниях, превышающих их собственный диаметр примерно в несколько тысяч раз, то частицы, живущие внутри ядра, буквально теснились бы плечом к плечу, будь у них плечи. В этом смысле картина, которая открывается нам внутри ядра, очень напоминает картину обыкновенной жидкости с тем лишь различием, что внутри ядра мы вместо молекул встречаем гораздо более мелкие и гораздо более элементарные частицы, известные под названием протоны и нейтроны. Уместно заметить, что, несмотря на различные имена, протоны и нейтроны можно рассматривать просто как два различных зарядовых состояния одной и той же тяжелой элементарной частицы, известной под названием нуклон. Протон представляет собой положительно заряженный нуклон, нейтрон — электрически нейтральный нуклон. Не исключена возможность, что существуют также отрицательно заряженные нуклоны, хотя их пока никто не наблюдал. Что касается их геометрических размеров, нуклоны не слишком отличаются от электронов: диаметр нуклона составляет около 0,000 000 000 0001 см. Однако нуклоны гораздо тяжелее: на чашках весов протон или нейтрон можно уравновесить 1840 электронами. Как я уже говорил, частицы, образующие атомное ядро, упакованы очень плотно и это объясняется действием особых ядерных сил сцепления, аналогичных силам, действующим между молекулами в жидкости. Так же как в жидкости силы ядерного сцепления не дают нуклонам полностью отделиться друг от друга, но не мешают относительным перемещениям нуклонов. Таким образом, ядерная материя в какой-то степени обладает текучестью и, не будучи возмущаема внешними силами, принимает форму сферической капли, как обычная капля жидкости. На схеме, которую я вам сейчас покажу, условно изображены различные типы атомных ядер, образованных из протонов и нейтронов. Простейшее ядро водорода состоит всего лишь из одного протона, в то время как самое сложное ядро урана состоит из 92 протонов и 142 нейтронов. Разумеется, разглядывая эти картинки, не следует упускать из виду, что перед вами лишь весьма условные изображения реальных ядер, поскольку в силу фундаментального принципа неопределенности квантовой теории положение каждого нуклона в действительности «размазано» по всему объему ядра.
Как я уже упоминал, частицы, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами сцепления, но помимо этих сил притяжения существуют также силы другого рода, действующие в противоположном направлении. Действительно, протоны, на долю которых приходится примерно половина нуклонного населения, несут положительный заряд. Следовательно, между ними действуют силы отталкивания — так называемые кулоновские силы. Для легких ядер, электрический заряд которых сравнительно мал, это кулоновское отталкивание не имеет особого значения, но в более тяжелых ядрах с большим электрическим зарядом кулоновские силы начинают составлять серьезную конкуренцию силам ядерного сцепления. Как только это произойдет, ядро утрачивает стабильность и может испустить какие-нибудь из составляющих его частиц. Именно так ведут себя некоторые элементы, расположенные в самом конце Периодической системы и известные под названием радиоактивные элементы.
Из приведенных выше общих соображений вы можете заключить, что такие тяжелые нестабильные ядра должны испускать протоны, так как нейтроны не несут никакого электрического заряда, и поэтому на них не действуют силы кулоновского отталкивания. Однако, как показывают эксперименты, некоторые радиоактивные ядра испускают так называемые альфа-частицы (ядра гелия), т. е. сложные образования, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Объясняется это особой группировкой частиц, образующих атомное ядро. Дело в том, что комбинация двух протонов и двух нейтронов, образующая альфу-частицу, отличается повышенной стабильностью, и поэтому легче оторвать такую группу целиком, чем разделить ее на отдельные протоны и нейтроны.
Как вы, вероятно, знаете, явление радиоактивного распада было впервые открыто французским физиком Анри Беккерелем, а знаменитый британский физик лорд Резерфорд, чье имя я уже упоминал в другой связи, которому наука столь многим обязана за его важные открытия в физике атомного ядра, предложил объяснение радиоактивного распада как спонтанного, т. е. самопроизвольного, распада атомного ядра на части.
Одна из наиболее замечательных особенностей альфа-распада состоит в иногда необычайно долгих периодах времени, необходимых альфа-частицам, чтобы «выбраться» из атомного ядра на свободу. Для урана и тория этот период составляет, по оценкам, миллиарды лет, для радия — около шестнадцати столетий, и хотя существуют элементы, для которых альфа-распад происходит в доли секунды, продолжительность их жизни можно также считать очень долгой по сравнению с быстротой их внутриядерного движения.
Что же заставляет альфа-частицу оставаться внутри ядра на протяжении иногда многих миллиардов лет? И если альфа-частица так долго находится внутри ядра, то что заставляет ее все же покинуть его?
Для ответа на эти вопросы нам необходимо предварительно узнать немного больше о сравнительной интенсивности сил внутриядерного сцепления и электростатических сил отталкивания, действующих на частицу, которая покидает атомное ядро. Тщательное экспериментальное изучение этих сил было проведено Резерфордом, который воспользовался методом так называемой атомной бомбардировки. В своих знаменитых экспериментах, выполненных в Кавендишской лаборатории, Резерфорд направлял пучок быстро движущихся альфа-частиц, испускаемых каким-нибудь радиоактивным веществом, на мишень и наблюдал отклонения (рассеяние) этих атомных снарядов при столкновении их с ядрами бомбардируемого вещества. Эксперименты Резерфорда убедительно показали, что на больших расстояниях от атомного ядра альфа-частицы испытывали сильное отталкивание электрическими силами заряда ядра, но отталкивание сменялось сильным притяжением в тех случаях, когда альфа-частицы пролетали вплотную от внешних границ ядерной области. Вы можете сказать, что атомное ядро в какой-то мере аналогично крепости, окруженной со всех сторон высокими крутыми стенами, не позволяющими частицам ни попасть внутрь, ни бежать наружу. Но самый поразительный результат экспериментов Резерфорда состоял в установлении следующего факта: альфа-частицы, вылетающие из ядра при радиоактивном распаде или проникающие внутрь ядра при бомбардировке извне, обладают меньшей энергией, чем требовалось бы для преодоления высоты стен крепости, или потенциального барьера, как мы обычно говорим. Это открытие Резерфорда полностью противоречило всем фундаментальным представлениям классической механики. В самом деле, как можно ожидать, что мяч перекатится через вершину холма, если вы бросили его с энергией, недостаточной для подъема на вершину холма? Классическая физика могла лишь широко раскрыть глаза от удивления и высказать предположение о том, что в эксперименты Резерфорда где-то вкралась какая-то ошибка.
Но в действительности никакой ошибки не было, и если кто-нибудь и ошибался, то не лорд Резерфорд, а… классическая механика! Ситуацию прояснили одновременно мой добрый друг доктор Гамов и доктора Рональд Герней и Э. У. Лондон. Они обратили внимание на то, что никаких трудностей не возникает, если подойти к проблеме с точки зрения современной квантовой теории. Действительно, как мы знаем, современная квантовая физика отвергает четко определенные траектории-линии классической теории и заменяет их расплывчатыми призрачными следами. Подобно тому, как доброе старомодное привидение могло без труда проходить сквозь толстые каменные стены старинного замка, так призрачные траектории могут проникать сквозь потенциальные барьеры, которые с классической точки зрения казались совершенно непроницаемыми.
Не думайте, пожалуйста, будто я шучу: проницаемость потенциальных барьеров для частиц с недостаточной энергией является прямым математическим следствием из фундаментальных уравнений новой квантовой механики и служит весьма убедительной иллюстрацией одного из наиболее существенных различий между старыми и новыми представлениями о движении. Но хотя новая механика допускает столь необычные эффекты, она делает это только при весьма сильных ограничениях: в большинстве случаев вероятность пересечения барьера чрезвычайно мала, и попавшей в темницу ядра частице придется невероятно большое число раз бросаться на стены, прежде чем ее попытки выбраться на свободу увенчаются успехом. Квантовая теория дает нам точные правила для вычисления вероятности такого побега. Было показано, что наблюдаемые периоды альфа-распада находятся в полном соответствии с предсказаниями теории. В случае альфа-частиц, бомбардирующих атомное ядро извне, результаты квантово-механических расчетов находятся в великолепном соответствии с экспериментом.
Прежде чем я продолжу свою лекцию, мне хотелось бы показать вам некоторые фотографии процессов распада различных ядер, бомбардируемых атомными снарядами высокой энергии (первый слайд, пожалуйста!).
На этом слайде (см. рис. на с. 174) вы видите два различных распада, сфотографированных в пузырьковой камере, о которой я говорил в своей предыдущей лекции. На снимке (А) вы видите столкновение ядра азота с быстрой альфа-частицей. Это первый из когда-либо сделанных снимков искусственной трансмутации (превращения) элементов. Этим снимком мы обязаны ученику лорда Резерфорда Патрику Блэккету. Отчетливо видно большое число треков альфа-частиц, испускаемых мощным источником альфа-частиц. Большинство альфа-частиц пролетают все поле зрения, не претерпевая ни одного серьезного столкновения. Трек альфа-частиц останавливается вот здесь, и вы видите, как из точки столкновения выходят два других трека. Длинный тонкий трек принадлежит протону, выбитому из ядра азота, в то время как короткий толстый трек соответствует отдаче самого ядра. Но это более уже не ядро азота, поскольку, потеряв протон и поглотив налетевшую альфа-частицу, ядро азота превратилось в ядро кислорода. Таким образом, мы становимся свидетелями алхимического превращения азота в кислород с водородом в качестве побочного продукта.
На снимках (Б), (В) вы видите распад ядра при столкновении с искусственно ускоренным протоном. Пучок быстрых протонов создается специальной машиной, работающей под высоким напряжением и известной публике под названием «атомная дробилка», и поступает в камеру через длинную трубку, конец которой виден на снимках. Мишень, в данном случае тонкий слой бора, помещается у открытого конца трубки с таким расчетом, чтобы осколки ядра, возникшие при столкновении, должны были пролетать сквозь воздух в камере, образуя туманные треки. Как вы видите на снимке (В), ядро бора при столкновении с протоном, распадается на три части, и, с учетом сохранения электрического заряда, мы приходим к заключению, что каждый из осколков деления представляет собой альфа-частицу, т. е. ядро гелия. Эти два ядерных превращения представляют весьма типичные примеры нескольких сотен других ядерных превращений, исследованных современной экспериментальной физикой. Во всех превращениях такого рода, известных под названием ядерные реакции замещения, налетающая частица (протон, нейтрон или альфа-частица) проникает в ядро, выбивает какую-то другую частицу и остается на ее месте. Существует замещение протона альфа-частицей, альфа-частицы протоном, протона нейтроном и т.д. Во всех таких превращениях новый элемент, образовавшийся в результате реакции, является близким соседом бомбардируемого элемента в Периодической системе.
Но лишь сравнительно недавно, перед второй мировой войной, два немецких химика О. Ган и Ф. Штрассман открыли совершенно новый тип ядерного превращения, в котором тяжелое ядро распадается на две равные половины с высвобождением огромного количества энергии. На следующем слайде (следующий слайд, пожалуйста!) вы видите (см. с. 175) на снимке (Б) два осколка ядра урана, разлетающихся в разные стороны от тонкой урановой проволочки. Это явление, получившее название расщепление ядра, впервые наблюдалось при бомбардировке урана пучком нейтронов, но вскоре физики обнаружили, что и другие элементы, расположенные в конце Периодической системы, обладают аналогичными свойствами. Эти тяжелые ядра уже находятся у порога своей стабильности и малейшее возмущение, вызываемое столкновением с нейтроном, достаточно, чтобы они распались на два осколка, как распадается на части чрезмерно крупная капля ртути. Нестабильность тяжелых ядер проливает свет на вопрос о том, почему в природе существует только 92 элемента. Любое ядро тяжелее урана не может существовать сколько-нибудь продолжительное время и немедленно распадается на более мелкие осколки. Явление расщепления ядра представляет немалый интерес и с практической точки зрения, так как открывает определенные возможности для использования ядерной энергии. Дело в том, что при распаде ядра на две половинки из ядра вылетает несколько нейтронов, которые могут вызвать расщепление соседних ядер. Дальнейшее распространение такого процесса может привести к взрывной реакции, при которой вся энергия, запасенная в ядрах, высвобождается за малую долю секунды. Если вспомнить, что ядерная энергия, хранящаяся в одном фунте урана, эквивалентна энергетическому содержанию десяти тонн угля, то станет ясно, что возможность высвобождения ядерной энергии могла бы вызвать глубокие перемены в нашей экономике.
Однако все эти ядерные реакции могут быть осуществлены лишь в очень малом масштабе, и, хотя они позволяют нам получить богатейшую информацию о внутреннем строении ядра, вплоть до сравнительно недавнего времени не было ни малейшей надежды на то, что удастся высвободить огромное количество ядерной энергии. И лишь в 1939 г. немецкие химики О. Ган и Ф. Штрассман открыли совершенно новый тип ядерного превращения: тяжелое ядро урана при столкновении с одним-единственным нейтроном распадается на две примерно равные части с высвобождением огромного количества энергии и вылетом двух или трех нейтронов, которые в свою очередь могут столкнуться с ядрами урана и расщепить каждое из них на две части с высвобождением новой энергии и новых нейтронов. Цепной процесс, деления ядер урана может приводить к взрывам или, если сделать его управляемым, стать почти неисчерпаемым источником энергии. Счастлив сообщить вам, что доктор Таллеркин, принимавший участие в работах по созданию атомной бомбы и известный также как отец водородной бомбы, любезно согласился прибыть к нам, несмотря на свою чрезвычайную занятость, и выступить с коротким сообщением о принципах устройства ядерных бомб. Мы ожидаем его прибытия с минуты на минуту.
Едва профессор успел произнести эти слова, как дверь отворилась и в аудиторию вошел человек весьма внушительного вида с горящими глазами и нависшими кустистыми бровями. Обменявшись с профессором рукопожатиями, человек обратился к аудитории:
— Hoolgyeim es Uraim, — начал он. — Roviden kell beszelnem, mert nagyon sok a dolglom. Ma reggel tubb megbeszelesem volt a Pentagonban es a Feher Hazban. Delutan… О, прошу прощения! — воскликнул незнакомец. — Иногда я путаю языки. Позвольте мне начать еще раз.
Леди и джентльмены! Я буду краток, поскольку очень занят. Сегодня утром я присутствовал на нескольких совещаниях в Пентагоне и в Белом доме, а днем мне необходимо быть в Френч Флэте, штат Невада, где предстоит провести подземный взрыв. Вечером я должен произнести речь на банкете, который состоится на базе ВВС США Ванденберг в Калифорнии.
Теперь о главном. Дело в том, что в атомных ядрах поддерживается равновесие между силами двоякого рода — ядерными силами притяжения, которые стремятся удержать ядро в целости, и электрическими силами отталкивания между протонами. В тяжелых ядрах, таких как ядра урана или плутония, силы отталкивания преобладают, и ядра при малейшем возмущении готовы распасться на два осколка — продукты деления. Таким возмущением может быть один-единственный нейтрон, сталкивающийся с ядром.
Обернувшись к доске, гость продолжал:
— Вот делящееся ядро, а вот сталкивающийся с ним нейтрон. Два осколка деления разлетаются в стороны, и каждый из них уносит около одного миллиона электрон-вольт энергии. Кроме того, распадаясь, ядро выстрелило несколькими новыми нейтронами деления (обычно их бывает два в случае легкого изотопа урана и три в случае плутония). Реакция — бац, бац! — продолжается, как я изобразил здесь на доске. Если кусок делящегося материала мал, то большая часть нейтронов деления вырывается из его поверхности прежде, чем они имеют шанс столкнуться с другим делящимся ядром, и цепная реакция так и не начинается. Но если кусок делящегося материала имеет достаточно большие размеры (мы называем такой кусок критической массой), дюйма три-четыре в диаметре, то большинство нейтронов оказываются захваченными, и вся эта штука взрывается. Такое устройство мы называем бомбой деления (в печати ее довольно часто неправильно называют атомной бомбой).
Гораздо лучших результатов можно достичь, если обратиться к другому концу Периодической системы элементов, где ядерные силы превосходят электрическое отталкивание. Когда два легких ядра приходят в соприкосновение, они сливаются, как две капельки ртути на блюдечке. Такое слияние может произойти только при очень высокой температуре, так как электрическое отталкивание — мешает легким ядрам сблизиться и прийти в соприкосновение. Но когда температура достигает десятков миллионов градусов, электрическое отталкивание уже не в силах помешать сближению атомов и процесс слияния, или термоядерного синтеза, начинается. Наиболее подходящими ядрами для термоядерного синтеза являются дейтроны, т. е. ядра атомов тяжелого водорода. Справа на доске я изобразил простую схему термоядерной реакции в дейтерии. Когда мы впервые придумали водородную бомбу, нам казалось, что она станет благословением для всего мира, так как при ее взрыве не образуются радиоактивные продукты деления, которые потом разносятся по всей земной атмосфере. Но нам не удалось создать «чистую» водородную бомбу, потому что дейтерий, лучшее ядерное топливо, которое легко извлекается из морской воды, недостаточно хорошо горит сам по себе. Нам пришлось окружить дейтериевую сердцевину урановой оболочкой. Такие оболочки порождают множество осколков деления, и люди прозвали нашу конструкцию «грязной» водородной бомбой. Аналогичные трудности возникли и при проектировании управляемой термоядерной реакции с дейтерием и, несмотря на все усилия, нам так и не удалось осуществить ее. Но я уверен, что рано или поздно проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена.
— Леди и джентльмены, — начал профессор. — Все более углубляясь в строение материи, мы попытаемся теперь проникнуть нашим мысленным взором внутрь ядра, в загадочную область, занимающую лишь одну тысячную от миллиардной доли общего объема атома. И все же, несмотря на столь невероятно малые размеры новой области наших иссследований, мы обнаружили в ней самую оживленную деятельность. Ведь атомное ядро — сердце атома, и именно в нем, несмотря на сравнительно малые размеры, сосредоточено 99,97% всей массы атома.
Вступая в область атомного ядра после сравнительно бедно населенной электронной атмосферы атома, мы сразу же будем поражены ее необычной перенаселенностью. Если электроны атомной атмосферы движутся в среднем на расстояниях, превышающих их собственный диаметр примерно в несколько тысяч раз, то частицы, живущие внутри ядра, буквально теснились бы плечом к плечу, будь у них плечи. В этом смысле картина, которая открывается нам внутри ядра, очень напоминает картину обыкновенной жидкости с тем лишь различием, что внутри ядра мы вместо молекул встречаем гораздо более мелкие и гораздо более элементарные частицы, известные под названием протоны и нейтроны. Уместно заметить, что, несмотря на различные имена, протоны и нейтроны можно рассматривать просто как два различных зарядовых состояния одной и той же тяжелой элементарной частицы, известной под названием нуклон. Протон представляет собой положительно заряженный нуклон, нейтрон — электрически нейтральный нуклон. Не исключена возможность, что существуют также отрицательно заряженные нуклоны, хотя их пока никто не наблюдал. Что касается их геометрических размеров, нуклоны не слишком отличаются от электронов: диаметр нуклона составляет около 0,000 000 000 0001 см. Однако нуклоны гораздо тяжелее: на чашках весов протон или нейтрон можно уравновесить 1840 электронами. Как я уже говорил, частицы, образующие атомное ядро, упакованы очень плотно и это объясняется действием особых ядерных сил сцепления, аналогичных силам, действующим между молекулами в жидкости. Так же как в жидкости силы ядерного сцепления не дают нуклонам полностью отделиться друг от друга, но не мешают относительным перемещениям нуклонов. Таким образом, ядерная материя в какой-то степени обладает текучестью и, не будучи возмущаема внешними силами, принимает форму сферической капли, как обычная капля жидкости. На схеме, которую я вам сейчас покажу, условно изображены различные типы атомных ядер, образованных из протонов и нейтронов. Простейшее ядро водорода состоит всего лишь из одного протона, в то время как самое сложное ядро урана состоит из 92 протонов и 142 нейтронов. Разумеется, разглядывая эти картинки, не следует упускать из виду, что перед вами лишь весьма условные изображения реальных ядер, поскольку в силу фундаментального принципа неопределенности квантовой теории положение каждого нуклона в действительности «размазано» по всему объему ядра.
Как я уже упоминал, частицы, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами сцепления, но помимо этих сил притяжения существуют также силы другого рода, действующие в противоположном направлении. Действительно, протоны, на долю которых приходится примерно половина нуклонного населения, несут положительный заряд. Следовательно, между ними действуют силы отталкивания — так называемые кулоновские силы. Для легких ядер, электрический заряд которых сравнительно мал, это кулоновское отталкивание не имеет особого значения, но в более тяжелых ядрах с большим электрическим зарядом кулоновские силы начинают составлять серьезную конкуренцию силам ядерного сцепления. Как только это произойдет, ядро утрачивает стабильность и может испустить какие-нибудь из составляющих его частиц. Именно так ведут себя некоторые элементы, расположенные в самом конце Периодической системы и известные под названием радиоактивные элементы.
Из приведенных выше общих соображений вы можете заключить, что такие тяжелые нестабильные ядра должны испускать протоны, так как нейтроны не несут никакого электрического заряда, и поэтому на них не действуют силы кулоновского отталкивания. Однако, как показывают эксперименты, некоторые радиоактивные ядра испускают так называемые альфа-частицы (ядра гелия), т. е. сложные образования, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Объясняется это особой группировкой частиц, образующих атомное ядро. Дело в том, что комбинация двух протонов и двух нейтронов, образующая альфу-частицу, отличается повышенной стабильностью, и поэтому легче оторвать такую группу целиком, чем разделить ее на отдельные протоны и нейтроны.
Как вы, вероятно, знаете, явление радиоактивного распада было впервые открыто французским физиком Анри Беккерелем, а знаменитый британский физик лорд Резерфорд, чье имя я уже упоминал в другой связи, которому наука столь многим обязана за его важные открытия в физике атомного ядра, предложил объяснение радиоактивного распада как спонтанного, т. е. самопроизвольного, распада атомного ядра на части.
Одна из наиболее замечательных особенностей альфа-распада состоит в иногда необычайно долгих периодах времени, необходимых альфа-частицам, чтобы «выбраться» из атомного ядра на свободу. Для урана и тория этот период составляет, по оценкам, миллиарды лет, для радия — около шестнадцати столетий, и хотя существуют элементы, для которых альфа-распад происходит в доли секунды, продолжительность их жизни можно также считать очень долгой по сравнению с быстротой их внутриядерного движения.
Что же заставляет альфа-частицу оставаться внутри ядра на протяжении иногда многих миллиардов лет? И если альфа-частица так долго находится внутри ядра, то что заставляет ее все же покинуть его?
Для ответа на эти вопросы нам необходимо предварительно узнать немного больше о сравнительной интенсивности сил внутриядерного сцепления и электростатических сил отталкивания, действующих на частицу, которая покидает атомное ядро. Тщательное экспериментальное изучение этих сил было проведено Резерфордом, который воспользовался методом так называемой атомной бомбардировки. В своих знаменитых экспериментах, выполненных в Кавендишской лаборатории, Резерфорд направлял пучок быстро движущихся альфа-частиц, испускаемых каким-нибудь радиоактивным веществом, на мишень и наблюдал отклонения (рассеяние) этих атомных снарядов при столкновении их с ядрами бомбардируемого вещества. Эксперименты Резерфорда убедительно показали, что на больших расстояниях от атомного ядра альфа-частицы испытывали сильное отталкивание электрическими силами заряда ядра, но отталкивание сменялось сильным притяжением в тех случаях, когда альфа-частицы пролетали вплотную от внешних границ ядерной области. Вы можете сказать, что атомное ядро в какой-то мере аналогично крепости, окруженной со всех сторон высокими крутыми стенами, не позволяющими частицам ни попасть внутрь, ни бежать наружу. Но самый поразительный результат экспериментов Резерфорда состоял в установлении следующего факта: альфа-частицы, вылетающие из ядра при радиоактивном распаде или проникающие внутрь ядра при бомбардировке извне, обладают меньшей энергией, чем требовалось бы для преодоления высоты стен крепости, или потенциального барьера, как мы обычно говорим. Это открытие Резерфорда полностью противоречило всем фундаментальным представлениям классической механики. В самом деле, как можно ожидать, что мяч перекатится через вершину холма, если вы бросили его с энергией, недостаточной для подъема на вершину холма? Классическая физика могла лишь широко раскрыть глаза от удивления и высказать предположение о том, что в эксперименты Резерфорда где-то вкралась какая-то ошибка.
Но в действительности никакой ошибки не было, и если кто-нибудь и ошибался, то не лорд Резерфорд, а… классическая механика! Ситуацию прояснили одновременно мой добрый друг доктор Гамов и доктора Рональд Герней и Э. У. Лондон. Они обратили внимание на то, что никаких трудностей не возникает, если подойти к проблеме с точки зрения современной квантовой теории. Действительно, как мы знаем, современная квантовая физика отвергает четко определенные траектории-линии классической теории и заменяет их расплывчатыми призрачными следами. Подобно тому, как доброе старомодное привидение могло без труда проходить сквозь толстые каменные стены старинного замка, так призрачные траектории могут проникать сквозь потенциальные барьеры, которые с классической точки зрения казались совершенно непроницаемыми.
Не думайте, пожалуйста, будто я шучу: проницаемость потенциальных барьеров для частиц с недостаточной энергией является прямым математическим следствием из фундаментальных уравнений новой квантовой механики и служит весьма убедительной иллюстрацией одного из наиболее существенных различий между старыми и новыми представлениями о движении. Но хотя новая механика допускает столь необычные эффекты, она делает это только при весьма сильных ограничениях: в большинстве случаев вероятность пересечения барьера чрезвычайно мала, и попавшей в темницу ядра частице придется невероятно большое число раз бросаться на стены, прежде чем ее попытки выбраться на свободу увенчаются успехом. Квантовая теория дает нам точные правила для вычисления вероятности такого побега. Было показано, что наблюдаемые периоды альфа-распада находятся в полном соответствии с предсказаниями теории. В случае альфа-частиц, бомбардирующих атомное ядро извне, результаты квантово-механических расчетов находятся в великолепном соответствии с экспериментом.
Прежде чем я продолжу свою лекцию, мне хотелось бы показать вам некоторые фотографии процессов распада различных ядер, бомбардируемых атомными снарядами высокой энергии (первый слайд, пожалуйста!).
На этом слайде (см. рис. на с. 174) вы видите два различных распада, сфотографированных в пузырьковой камере, о которой я говорил в своей предыдущей лекции. На снимке (А) вы видите столкновение ядра азота с быстрой альфа-частицей. Это первый из когда-либо сделанных снимков искусственной трансмутации (превращения) элементов. Этим снимком мы обязаны ученику лорда Резерфорда Патрику Блэккету. Отчетливо видно большое число треков альфа-частиц, испускаемых мощным источником альфа-частиц. Большинство альфа-частиц пролетают все поле зрения, не претерпевая ни одного серьезного столкновения. Трек альфа-частиц останавливается вот здесь, и вы видите, как из точки столкновения выходят два других трека. Длинный тонкий трек принадлежит протону, выбитому из ядра азота, в то время как короткий толстый трек соответствует отдаче самого ядра. Но это более уже не ядро азота, поскольку, потеряв протон и поглотив налетевшую альфа-частицу, ядро азота превратилось в ядро кислорода. Таким образом, мы становимся свидетелями алхимического превращения азота в кислород с водородом в качестве побочного продукта.
На снимках (Б), (В) вы видите распад ядра при столкновении с искусственно ускоренным протоном. Пучок быстрых протонов создается специальной машиной, работающей под высоким напряжением и известной публике под названием «атомная дробилка», и поступает в камеру через длинную трубку, конец которой виден на снимках. Мишень, в данном случае тонкий слой бора, помещается у открытого конца трубки с таким расчетом, чтобы осколки ядра, возникшие при столкновении, должны были пролетать сквозь воздух в камере, образуя туманные треки. Как вы видите на снимке (В), ядро бора при столкновении с протоном, распадается на три части, и, с учетом сохранения электрического заряда, мы приходим к заключению, что каждый из осколков деления представляет собой альфа-частицу, т. е. ядро гелия. Эти два ядерных превращения представляют весьма типичные примеры нескольких сотен других ядерных превращений, исследованных современной экспериментальной физикой. Во всех превращениях такого рода, известных под названием ядерные реакции замещения, налетающая частица (протон, нейтрон или альфа-частица) проникает в ядро, выбивает какую-то другую частицу и остается на ее месте. Существует замещение протона альфа-частицей, альфа-частицы протоном, протона нейтроном и т.д. Во всех таких превращениях новый элемент, образовавшийся в результате реакции, является близким соседом бомбардируемого элемента в Периодической системе.
Но лишь сравнительно недавно, перед второй мировой войной, два немецких химика О. Ган и Ф. Штрассман открыли совершенно новый тип ядерного превращения, в котором тяжелое ядро распадается на две равные половины с высвобождением огромного количества энергии. На следующем слайде (следующий слайд, пожалуйста!) вы видите (см. с. 175) на снимке (Б) два осколка ядра урана, разлетающихся в разные стороны от тонкой урановой проволочки. Это явление, получившее название расщепление ядра, впервые наблюдалось при бомбардировке урана пучком нейтронов, но вскоре физики обнаружили, что и другие элементы, расположенные в конце Периодической системы, обладают аналогичными свойствами. Эти тяжелые ядра уже находятся у порога своей стабильности и малейшее возмущение, вызываемое столкновением с нейтроном, достаточно, чтобы они распались на два осколка, как распадается на части чрезмерно крупная капля ртути. Нестабильность тяжелых ядер проливает свет на вопрос о том, почему в природе существует только 92 элемента. Любое ядро тяжелее урана не может существовать сколько-нибудь продолжительное время и немедленно распадается на более мелкие осколки. Явление расщепления ядра представляет немалый интерес и с практической точки зрения, так как открывает определенные возможности для использования ядерной энергии. Дело в том, что при распаде ядра на две половинки из ядра вылетает несколько нейтронов, которые могут вызвать расщепление соседних ядер. Дальнейшее распространение такого процесса может привести к взрывной реакции, при которой вся энергия, запасенная в ядрах, высвобождается за малую долю секунды. Если вспомнить, что ядерная энергия, хранящаяся в одном фунте урана, эквивалентна энергетическому содержанию десяти тонн угля, то станет ясно, что возможность высвобождения ядерной энергии могла бы вызвать глубокие перемены в нашей экономике.
Едва профессор успел произнести эти слова, как дверь отворилась и в аудиторию вошел человек весьма внушительного вида с горящими глазами и нависшими кустистыми бровями. Обменявшись с профессором рукопожатиями, человек обратился к аудитории:
— Hoolgyeim es Uraim, — начал он. — Roviden kell beszelnem, mert nagyon sok a dolglom. Ma reggel tubb megbeszelesem volt a Pentagonban es a Feher Hazban. Delutan… О, прошу прощения! — воскликнул незнакомец. — Иногда я путаю языки. Позвольте мне начать еще раз.
Леди и джентльмены! Я буду краток, поскольку очень занят. Сегодня утром я присутствовал на нескольких совещаниях в Пентагоне и в Белом доме, а днем мне необходимо быть в Френч Флэте, штат Невада, где предстоит провести подземный взрыв. Вечером я должен произнести речь на банкете, который состоится на базе ВВС США Ванденберг в Калифорнии.
Теперь о главном. Дело в том, что в атомных ядрах поддерживается равновесие между силами двоякого рода — ядерными силами притяжения, которые стремятся удержать ядро в целости, и электрическими силами отталкивания между протонами. В тяжелых ядрах, таких как ядра урана или плутония, силы отталкивания преобладают, и ядра при малейшем возмущении готовы распасться на два осколка — продукты деления. Таким возмущением может быть один-единственный нейтрон, сталкивающийся с ядром.
Обернувшись к доске, гость продолжал:
— Вот делящееся ядро, а вот сталкивающийся с ним нейтрон. Два осколка деления разлетаются в стороны, и каждый из них уносит около одного миллиона электрон-вольт энергии. Кроме того, распадаясь, ядро выстрелило несколькими новыми нейтронами деления (обычно их бывает два в случае легкого изотопа урана и три в случае плутония). Реакция — бац, бац! — продолжается, как я изобразил здесь на доске. Если кусок делящегося материала мал, то большая часть нейтронов деления вырывается из его поверхности прежде, чем они имеют шанс столкнуться с другим делящимся ядром, и цепная реакция так и не начинается. Но если кусок делящегося материала имеет достаточно большие размеры (мы называем такой кусок критической массой), дюйма три-четыре в диаметре, то большинство нейтронов оказываются захваченными, и вся эта штука взрывается. Такое устройство мы называем бомбой деления (в печати ее довольно часто неправильно называют атомной бомбой).
Гораздо лучших результатов можно достичь, если обратиться к другому концу Периодической системы элементов, где ядерные силы превосходят электрическое отталкивание. Когда два легких ядра приходят в соприкосновение, они сливаются, как две капельки ртути на блюдечке. Такое слияние может произойти только при очень высокой температуре, так как электрическое отталкивание — мешает легким ядрам сблизиться и прийти в соприкосновение. Но когда температура достигает десятков миллионов градусов, электрическое отталкивание уже не в силах помешать сближению атомов и процесс слияния, или термоядерного синтеза, начинается. Наиболее подходящими ядрами для термоядерного синтеза являются дейтроны, т. е. ядра атомов тяжелого водорода. Справа на доске я изобразил простую схему термоядерной реакции в дейтерии. Когда мы впервые придумали водородную бомбу, нам казалось, что она станет благословением для всего мира, так как при ее взрыве не образуются радиоактивные продукты деления, которые потом разносятся по всей земной атмосфере. Но нам не удалось создать «чистую» водородную бомбу, потому что дейтерий, лучшее ядерное топливо, которое легко извлекается из морской воды, недостаточно хорошо горит сам по себе. Нам пришлось окружить дейтериевую сердцевину урановой оболочкой. Такие оболочки порождают множество осколков деления, и люди прозвали нашу конструкцию «грязной» водородной бомбой. Аналогичные трудности возникли и при проектировании управляемой термоядерной реакции с дейтерием и, несмотря на все усилия, нам так и не удалось осуществить ее. Но я уверен, что рано или поздно проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена.