Несколько лет назад закончилась одна из волнующих «детективных» научных историй, в результате которой космохронология приобрела еще один экземпляр такого редко встречающегося изотопа-хронометра. В одном из метеоритов было обнаружено совершенно необычное количественное соотношение между четырьмя изотопами благородного газа ксенона. Ученые подозревали, что ядра ксенона появились в метеорите в результате спонтанного деления изотопа плутония-224, который из-за своего «короткого» времени жизни, около 80 миллионов лет, считался давно вымершим на Земле.
Но метеориты образовались в одно время с нашей планетной системой, и если бы удалось найти следы плутония-224 или четко доказать, что уникальное соотношение между изотопами ксенона связано именно с его делением, то можно было бы независимо и более точно установить дату «выплавки» земного вещества.
Два года длился эксперимент по накоплению продуктов деления искусственно полученного плутония-224, проводимый группой американских ученых. И как только был исследован изотопный состав накопленного таким образом ксенона, оказалось, что он в точности повторил результат, впервые полученный для метеорита.
Так было установлено, что плутоний-224 существовал в солнечной системе в момент образования метеоритов, и получено важное соотношение между количеством урана-238 и плутония в то далекое время.
Наконец, в 1971 году в ноябрьском номере английского журнала «Природа» появилось сообщение об открытии изотопа плутония-224 на Земле. Ученые из Лос-Аламоса (США) в восьми с половиной килограммах минерала бастнезита обнаружили 20 миллионов атомов плутония-224!
Это вещество — минерал бастнезит — обладало способностью избирательно концентрировать плутоний. И по степени обогащения бастнезита этим элементом физики уточнили значение средней распространенности плутония на Земле (кстати, совершенно ничтожной).
Доказательство несомненного присутствия плутония в метеоритах и практическое исчезновение этого изотопа с лица Земли дали возможность установить, что нуклеосинтез прекратился буквально за сотни миллионов лет до образования солнечной системы.
Дышите глубже…
— Получается, что, когда по атомному ядру бьют снарядами больших энергий, из него сыплются разные частицы и всякого рода сведения. А можно ли стукнуть по ядру так, чтобы ни одна частица не вылетела из него?
— Проще простого.
— Что же с ним произойдет? Расколется ли оно, как орех от удара, или, может быть, зазвенит как-нибудь ни свой лад?
— Второе предположение ближе к истине. Ядро действительно будет вибрировать, как выведенная из равновесия струна, до тех пор, пока не вернется в первоначальное состояние.
Все сущее в природе неизменно следует единому стереотипу, навязываемому вторым законом термодинамики. И гигантская звезда, и невидимый атом одинаково упорно стремятся иметь минимальную энергию. Атомные ядра тоже предпочитают более спокойное положение владельцев самым минимальным запасом энергии. Но подчас и им навязывается дополнительная порция энергии, например, в ядерной реакции или при радиоактивном распаде, когда дочернее ядро получает энергию в наследство от родительского. Такие ядра физики называют возбужденными.
Слово «возбужденный», которое физики вынуждены применять по отношению к ядру, не передает всего своеобразия одного из сокровеннейших процессов в том мире, где безраздельно властвуют квантовые законы.
Один из красивейших гейзеров Камчатки невозможно увидеть в любое время. Либо он бездействует, либо выбрасывает на большую высоту струю воды и пара.
И в микромире, где энергия всегда передается определенными порциями, нет промежуточных градаций. Ядро или находится в основном состоянии с минимальной энергией, или в возбужденном.
Атомное ядро обладает высокой плотностью энергии. Это энергия связи нуклонов и их кинетическая энергия, на постоянном фоне которых формируется вещество ядерной капли.
Насыщение дополнительной энергией приводит в действие какие-то новые пружины сложнейшего механизма ядерных сил. Вот почему возбужденное ядро представляет собой очень интересный объект исследования.
Сплав, который идет на изготовление космических кораблей, инженеры подвергают специальным испытаниям для определения запаса прочности и выявления изменений в структуре.
А как себя ведет насыщенный энергией ядерный сплав из протонов и нейтронов? Какие изменения возникают в ядерном веществе на пределе прочности?
И экспериментаторы и теоретики пытаются выяснить: приходит ли в движение вся ядерная «капля», или только один из нуклонов перескакивает на более высокую оболочку?
Наблюдая за первыми ядерными реакциями, экспериментаторы убедились в том, что атомные ядра поглощают не любые, а вполне определенные порции энергии. Природа наделила каждый тип ядер сложнейшей схемой запасных состояний, или уровней, на случай приобретения дополнительной энергии.
Зная, в какой именно реакции участвовало ядро, можно вычислить полученный им избыток энергии, момент количества движения в новом состоянии. Нетрудно установить и другие параметры возбужденного уровня. Но гораздо сложнее выяснить, какие конкретно изменения произошли в ядерном веществе.
Когда ядро получает порцию энергии меньше энергии связи одного нуклона, то, естественно, ядерный коллектив нуклонов не теряет ни одного из своих членов. В положенный момент времени ядро возвращается в нормальное состояние, испуская гамма-квант с той же энергией, что досталась ядру по распределению в ядерной реакции или перешла от родительского ядра при бета-распаде.
Но что происходило в ядре в течение тех немногих мгновений, когда избыточная энергия находилась в его полном распоряжении?
Ядерная система нуклонов, получившая добавочную порцию энергии не более одного миллиона электрон-вольт, чаще всего, как выяснили экспериментаторы, использует ее только на коллективные движения ядерной материи. Они могут быть самыми разнообразными: это и вращение ядра-капли, и колебание его поверхности. В эти моменты капля ядерного вещества, по-видимому, может принимать самые причудливые очертания и походить то на дыню, то на грушу и даже на сферу с буграми.
Сложное ядро, состоящее из десятков или сотен нуклонов, имеет гораздо больше степеней свободы, чем например, воображаемая конструкция из многочисленных легких шариков, соединенных между собой тончайшими упругими пружинками. Даже легкий толчок заставит шарики описывать самые замысловатые траектории. Очень трудно найти порядок, которому подчиняется движение всех шариков вместе и каждого в отдельности. Столь же нелегко разобраться и в закономерностях возникновения той или иной формы общего движения нуклонов.
Тем не менее физики четко установили, в каких именно ядерных реакциях образуются ядра с тем или иным типом возбуждения.
Вращающиеся возбужденные ядра, например, всегда возникают в тех случаях, когда ускоренная заряженная частица, задевая за край ядра-мишени, заставляет ее вращаться, как юлу. В последнее время в реакциях с тяжелыми ионами, которые своим мощным электрическим полем чиркали по поверхности ядер, удавалось получать возбужденные ядра с очень высоким угловым моментом вращения.
Целая армия специалистов по ядерной спектроскопии (так называется область исследований возбужденных ядер) занимается сейчас выяснением природы и сортировкой обнаруженных в опытах многочисленных ядерных уровней. Теория помогает из огромной массы возбужденных состояний выделять группы, связанные с вращением ядра или с колебаниями его поверхности.
До самого последнего времени эксперимент и теория мирно шли рука об руку, и казалось, ничто не угрожало их взаимному согласию. Но совсем недавно новую загадку предложила реакция взаимодействия пи-мезонов с ядрами.
На Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра, которая проходила в 1975 году в американском городе Санта-Фе, одним из наиболее интересных было сообщение о неожиданном результате, впервые полученном большим интернациональным коллективом сотрудников Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, а чуть позже в Швейцарском институте ядерных исследований. При торможении пи-мезонов в веществе-мишени экспериментаторы обнаружили возбужденные ядра в совершенно невероятном для данной ситуации состоянии.