Какое же отношение имеет кристаллическая решетка к энергии мезорентгеновского излучения?
На первый взгляд никакого. Но физики, изучающие свойства обычных атомов, давно применяют для исследования атомных спектров кристалл-диффракционные гамма-спектрометры. Главную свою задачу — определение энергии электромагнитного излучения — экспериментаторы переложили, так сказать, «на плечи» кристалла кварца, основную часть этого прибора. Квант излучения определенной энергии, падая на плоскость кристаллической решетки кварца, с максимальной интенсивностью отражается под определенным углом. Таким образом, энергию рентгеновских или гамма-квантов с абсолютной точностью как бы устанавливает сам закон природы — закон взаимодействия этих квантов с внутренней структурой кристалла. А физикам остается лишь найти величину угла, на который с максимальной интенсивностью отражается мезорентгеновское излучение. И зависит она от энергии излучения и расстояния между кристаллическими плоскостями.
Правда, на долю создателей прибора остается не так уж мало трудностей. Требуется ювелирное исполнение механических частей прибора и фантастическая точность (до сотых долей угловой секунды!) при измерении довольно больших углов. Необходимо поддерживать и жесткий температурный режим — до одной сотой градуса. Но, выполнив все эти условия, исследователи атомных ядер получают прибор, который измеряет энергию рентгеновских квантов в 100 раз точнее, чем самый удачный полупроводниковый счетчик.
— А насколько резка граница, отделяющая ядро от пустоты микрокосмического пространства?
— Переход между ядерным веществом и вакуумом довольно плавный. На расстоянии среднего радиуса ядра плотность нуклонов всего в два раза меньше, чем в центральной части. Поверхностный слой ядерного вещества составляет более трети радиуса ядра! А дальше простирается область еще более разреженная — ядерная стратосфера.
— Наверное, в этом слое ядра, где частиц совсем мало, уже ничего интересного не происходит?
— Не совсем так. Поверхность ядра столь же богата разнообразными проявлениями свойств ядерных сил, как и его глубины.
Несколько страниц посвящает С. Лемм в романе «Солярис» описанию фантастических волн и смерчей на поверхности мыслящего океана, неистощимое буйство которых как-то отражало его глубоко скрытую и непонятную землянам деятельность. Целую поэму можно написать и о поверхности океана ядерного вещества.
Теоретики предполагают, что в поверхностной, более разреженной области ядра протоны и нейтроны ведут себя, так сказать, более раскованно. Здесь менее эффективно действует жестко регламентирующий их поведение в плотной центральной части принцип Паули. Именно на поверхности возможно подметить такие особенности ядерной материи, которые никогда не обнаружить в центральных областях, где плотность велика.
Ближе к краю ядра число нуклонов иногда убывает равномерно. Тогда говорят, что у ядра гладкая поверхность. А на «бугристой» нейтроны и протоны сбиваются в небольшие сгустки. У теоретиков есть некоторые соображения относительно того, что в ядерной «бахроме» протоны и нейтроны ненадолго слепляются в обычную альфа-частицу. Альфа-сгущения возникают и вновь исчезают по мере того, как отдельные нуклоны, из которых они состоят, двигаясь по индивидуальным орбитам, внезапно появляются на поверхности ядра и опять ныряют в его глубины.
Модель оболочек предсказывает скопление альфа-частиц на поверхности ядра от 100 процентов в легком ядре лития-6 до одного процента для ядра кальция-40. Но как обстоит дело на самом деле, еще неясно. Результаты некоторых экспериментов кажутся весьма прозрачным намеком на то, что альфа-частиц на поверхности гораздо больше, чем это следует из модели оболочек. Возможно, это так, и тут уж ничего не поделаешь. Как говорил А. Эйнштейн: «Все, что мы знаем о реальности, исходит из опыта и завершается им».
Однако и поверхностный слой, за толщину которого принимают расстояние по радиусу от точки, где плотность равна девяти десятым от значения плотности в центре, до точки, в которой она падает до одной десятой, еще не самый край ядра.
До нуля плотность ядерного вещества спадает на довольно большом расстоянии от центра ядра. Кажется, что эта далекая окраинная область не может поразить чем-то необычным, ведь там и частиц-то почти не осталось.
Но мы знаем, как много дали ученым исследования «атмосферы» и «стратосферы» Солнца. Сколько интересных и важных явлений было открыто именно в этой части нашего светила. В «ядерной стратосфере» плотность материи в 20 раз меньше, чем во внутренней области, и именно здесь может проявиться действие таких законов, которые могли бы остаться незамеченными при изучении только сердцевины атомного ядра. Из каких же частиц состоит «стратосфера» ядра?
Поверхностные области атомных ядер почти не поддаются теоретическому анализу, и окончательное слово остается за экспериментом. Но многие физики предполагают, что, например, тяжелые атомные ядра должны иметь поверхностный слой, состоящий преимущественно из нейтронов, этакое «нейтронное галло». Кстати, этому не противоречат и данные по рассеянию быстрых электронов.
Галло, возникающее иногда вокруг Солнца перед резкой переменой погоды, можно увидеть невооруженным глазом, а как рассмотреть нейтронный ореол вокруг ядра?
До того как экспериментаторы научились ускорять протоны до энергии в несколько десятков миллиардов электрон-вольт, нечем было зондировать эти полупустынные окрестности ядра. Теперь такую возможность представляют вторичные нестабильные частицы, которые рождаются при столкновении сверхбыстрых протонов с веществом.
На международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра, которая проходила в 1971 году в Дубне, и на конференции, состоявшейся летом 1975 года в Соединенных Штатах Америки, часто можно было услышать слова: «адронные атомы».
«Адронами» физики называют все элементарные частицы, способные к сильному взаимодействию. Это их, так сказать, родовое название. Эпитет «адронные» получили такие экзотические атомы, которые, кроме протонов, нейтронов и электронов, содержат еще и адроны: пи-мезоны, К-мезоны или тяжелые гипероны. Адронные атомы, как говорится, просто созданы для прощупывания самых отдаленных от центра участков атомных ядер.
Механизм запуска адронов на орбиту вокруг ядра аналогичен запуску мю-мезонов и гораздо проще запуска искусственных спутников Земли. (Конечно, при условии, что под рукой есть мощнейший ускоритель протонов и сложная система формирования пучков вторичных нестабильных частиц.) При этом обычные атомы вещества, в котором останавливаются отрицательно заряженные пи-мезоны, К-мезоны или гипероны, превращаются в адронные, если эти нестабильные частицы становятся спутниками их ядер.
Экзотические атомы мимолетны, как мы уже говорили, и весьма своеобразны. Самую интересную, уникальную информацию они дают не в момент захвата адрона ядром, сопровождающегося катастрофой, взрывом ядра, а буквально за одно мгновение до этого события, когда взаимоотношения между ними строятся еще на полутонах.
Атомные орбиты тяжелых адронов расположены еще ближе к ядру, чем орбиты легких мю-мезонов. Но добраться до самых глубоких из них адронам не удается. Экспериментаторы узнают об этом по энергии тех рентгеновских сигналов, которые поступают при перескоках частиц с одной орбиты на другую.
Первые порции этого излучения приносят только электромагнитные впечатления от взаимодействия пи-, К-мезонов или гиперонов с ядром. Короткодействующие ядерные силы еще не чувствуют присутствия в атоме достойного партнера для сильного взаимодействия. Но стоит адрону войти в область «ядерной стратосферы», как тотчас включается сильное взаимодействие, которое перекрывает все остальные. Адрон перестает ощущать атом и общается только с протонами или нейтронами самой периферии ядра. А мю-мезон эту область проскакивает, совершенно не замечая нуклонов, поскольку его удел слабые взаимодействия.