Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство
Шрифт:
Второй ответ звучит более конкретно. Плутоний является важным источником ядерной энергии. Изотоп уран-235 составляет лишь одну стосороковую часть природного урана. Непосредственное применение урана-238, составляющего остальные сто тридцать девять стосороковых (139/140), проще всего осуществить, предварительно превратив его в плутоний-239. Так и делают в специальных ядерных реакторах. Результат: в сто раз увеличиваются энергетические ресурсы урановых руд. Это, вероятно, сделает рентабельной добычу урана из рассеянных бедных руд, возможно даже из гранита.
Изотопы плутоний-238, кюрий-242 и кюрий-244 служат компактными источниками тепловой энергии, принадлежащими к совершенно новому типу. Эти изотопы испускают только альфа-частицы с большой кинетической энергией, которая
Возвратимся к первоначальному вопросу: есть ли предел расширения периодической таблицы Менделеева?
Исследование свойств атомных ядер ведет нас к все более глубокому пониманию структуры системы Менделеева и законов симметрии, скрытых в недрах материи.
Хидэки Юкава, японский физик-теоретик, который первым понял секрет строения атомного ядра, объяснил, почему положительный заряд протонов, входящих в ядро,
не разрушает его, — этому препятствуют особые ядерные силы. Эти силы, действующие между протонами и нейтронами в недрах ядра, на малых расстояниях превосходят силы электростатического отталкивания между ними. При дальнейшем уменьшении расстояния они превращаются в силы отталкивания, и это не позволяет протонам и нейтронам слиться в бесконечно малую точку. Ядерные силы одинаково воздействуют и на протоны и на нейтроны. Они таковы, что протоны и нейтроны, находясь внутри ядра, оказываются неразличимыми между собой. Все они становятся одинаковыми частицами — нуклонами, ядерными частицами. А положительный заряд, свойственный свободным протонам, находящимся вне ядра, покидает их внутри ядра и оттесняется к его поверхности.
Ядро ведет себя как капля особой ядерной жидкости, стянутой ядерными силами, подобно тому как капли обычных жидкостей стянуты силами поверхностного натяжения. Так представили модель ядра Бор и Уилер. Ее назвали капельной моделью. Это представление способно объяснить многие свойства ядер и позволяет произвести расчет их основных свойств. В том числе многих важных процессов, таких, как деление ядер. Но известен и ряд фактов, не поддающихся объяснению на основе капельной модели.
В частности, она не позволяет понять, почему по мере увеличения заряда ядра и его массы устойчивость ядер не меняется равномерно и монотонно, а испытывает странные изменения.
Это заставило ученых признать, что капельная модель ядра нуждается в уточнении. Перемежающиеся увеличения и уменьшения устойчивости ядер атомов как бы намекают на существование еще не понятой закономерности, периодичности, подобной той, которую Менделеев выявил для химических свойств атомов.
Магические числа
Теперь мы знаем, что химическая активность и химическая инертность элементов сменяют одна другую по мере продвижения по периодической таблице в результате изменения строения электронных оболочек атомов. Атомы, имеющие заполненные внешние электронные оболочки, особенно инертны. Это инертные газы. Атомы, во внешней оболочке которых лишь один электрон, и те, в которых до заполнения внешней оболочки не хватает одного электрона, особенно активны. Таковы водород и щелочные металлы с одной стороны, и галогены — фтор, хлор, и им подобные, — с другой.
Вероятно, эта аналогия стимулировала И. Иенсена и М. Майера к разработке менее противоречивой модели ядра — она теперь известна как оболочечная модель. Физическая ее интерпретация не объясняет, почему возникают те или иные явления в атоме, но модель описывает их, позволяя таким образом представить себе основные черты явления и даже предсказывать новые события. Обычно для этого физическая модель, плод аналогий и интуиции, должна быть дополнена математической моделью. Если вычисления, проведенные на основе математической модели, позволяют получать результаты, близкие к данным, известным из предыдущих экспериментов, Ученые считают, что модель отображает моделируемый объект. Если же модель позволяет предсказывать новое, 1 затем опыт подтверждает, что предсказание близко к реальности, то ученые склонны считать эту модель — теорией изучаемого явления.
Существо оболочечной модели сводится к следующему: она предполагает, что ядерные частицы — нуклоны — группируются внутри ядерного вещества в некие коллективные образования. По аналогии с электронными оболочками атома такие коллективы получили наименование оболочек.
Ученые понимали, что это лишь отдаленная аналогия. Ведь размеры нуклонов превышают размеры электронов примерно в десять раз (масса нуклона примерно в две тысячи раз больше, чем масса электрона), в то время как диаметр ядра в сто тысяч раз меньше диаметра внешней электронной оболочки атома, независимо от того, является ли атом легким, как атом водорода, или тяжелым, как атом урана. Поэтому нуклоны упакованы в ядро очень плотно. Не претендуя на точность, можно считать, что расстояния между ними лишь вдвое превышают их размеры.
Но тем не менее оболочечная модель позволила написать математические уравнения, неожиданно точно описывающие некоторые известные факты. Так, модель «предсказывала», что ядра, содержащие по 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82 и 126 нейтронов и по 2, 8, 20, 28, 50 и 82 протона, устойчивее, чем другие ядра. Однако модель не объясняла, почему именно эти числа соответствуют повышенной устойчивости ядер. Поэтому полученные числа получили наименование магических чисел, а соответствующие ядра называют магическими ядрами. Повышенная стабильность этих ядер была известна и ранее. Это был любопытный факт, нуждающийся в объяснении, но появление таких чисел из гипотезы, основанной на неясной аналогии, казалось почти чудом.
Еще более чудесными были свойства «дважды магических ядер», тех, в которых количество нейтронов и протонов одновременно характеризуется магическим числом таковы ядра гелия (два нейтрона и два протона), ядра кислорода (по 8 нейтронов и протонов), ядра кальция (по 20 нейтронов и протонов). Эти ядра действительно устойчивее всех остальных легких ядер.
Для атомов элементов, расположенных в периодической системе до кальция, совпадение расчетов, основанных на оболочечной модели, с экспериментом было потрясающе точным. После кальция оно быстро ухудшалось. Расхождение с опытом показывало, что оболочечная модель хорошо отображает реальность только для легких ядер. Но не учитывает тех процессов, роль которых возрастает по мере увеличения массы ядер, по мере увеличения количества содержащихся в них нуклонов.
Естественно, это повлекло за собой попытки усовершенствовать оболочечную модель. Пришлось уточнить закон изменения сил взаимодействия нуклонов на малых расстояниях, принять во внимание процессы, не учтенные в первоначальной модели, например увеличение роли электростатического отталкивания по мере увеличения числа протонов в ядре. Все это привело к усложнению модели и соответствующих уравнений, затруднило их решение. Но эта работа была выполнена.
Наградой физикам-теоретикам за титаническую работу было дальнейшее приближение получаемых результатов к опытным фактам и предсказание новых возможностей. Прежде всего они уточнили величины масс стабильных ядер. Оказалось, что стабильной является комбинация 30 нейтронов и 26 протонов, что соответствует ядру атома железа, порядковый номер которого 26, а масса 56. Это Действительно наиболее стабильное из всех известных ядер. Второй существенный результат — предсказание существования стабильного ядра элемента— 114 с числом нейтронов 184, а значит, с массой 298, существенно превышающей массы трансурановых элементов, синтезированных до сих пор.