По мнению физиков, исследование ядер с помощью пи-мезонов всегда напоминает схватку с многоголовым мифическим существом — Гидрой, у которой вместо одной отрубленной головы вырастают две новые, ибо каждый новый эксперимент по поглощению пи-мезонов ядрами больше ставит проблем, чем решает.

Так было и на этот раз. Атомные ядра мишени, находящейся в пучке отрицательно заряженных пи-мезонов с малой энергией, как обычно, захватывали эти частицы с соблюдением пи-мезоатомного церемониала, то есть с очень малыми угловыми моментами. А потом с парами происходило что-то непонятное: мгновенно освободившись от нескольких нейтронов, ядерная капля приходила в быстрое вращение. Каким же образом удается пи-мезону закрутить так сильно ядро, не обладая необходимыми для совершения этой операции качествами?

Не имея пока поддержки от теоретиков, экспериментаторы строят разные предположения относительно того, что могло бы означать их неожиданное открытие. Возможно, большую угловую скорость всему ядру передают самые периферийные нуклоны, вращающиеся быстрее тех, которые, как мы уже знаем, и поглощают мезоны в пи-мезоатомах.

Возбужденное атомное ядро не всегда тратит полученную энергию, так сказать, на проведение внутренних мероприятий, требующих непременного участия всех нуклонов. Иногда вся порция энергии целиком передается лишь одному протону или нейтрону, которые могут перейти на другую, незанятую оболочку. В этом случае говорят об одночастичном возбуждении ядра.

И колебательные, и вращательные, и одночастичные уровни атомных ядер часто расположены вперемешку по шкале энергии. И ядро в необходимый момент выбирает то или другое из запасных состояний в зависимости от условий, при которых ему достается дополнительная энергия.

Но физики давно заметили, что некоторым ядрам для перехода в одночастичное возбужденное состояние требуется энергии больше, чем для перехода на колебательные или вращательные уровни. Только начиная с порции энергии, превышающей примерно полтора миллиона электрон-вольт, эти ядра могли использовать ее на изменение состояния отдельных нуклонов.

С чем же связано существование этой таинственной запретной зоны по энергии до первого одночастичного возбужденного состояния ядра?

Даже мало-мальски вразумительного объяснения этому обстоятельству нельзя было дать ни с помощью капельной модели, ни с позиции оболочечной. Лишь значительно позже выяснилось, что энергетическую щель между основным и первым возбужденным одночастичным уровнями создавали сверхпроводящие свойства атомных ядер.

При низкой температуре сверхпроводимость металлического проводника обеспечивается электронами проводимости, связанными в пары колебаниями кристаллической решетки. Небольшие колебания ядерного вещества в основном состоянии дополнительно (помимо ядерных сил притяжения) склеивают между собой пары нуклонов. Ни одна частица ядра не может перейти на другую оболочку, предварительно не освободившись от влияния своей соседки. Ширина энергетической щели как раз и равна энергии, необходимой для разрыва этой связи между нуклонами.

Ф. Содди, молодой английский химик, который вместе с Э. Резерфордом исследовал радиоактивные вещества в университете Монреаля, первый понял, что мир атомов гораздо разнообразнее мира химических элементов.

Примерно в то время, когда Э. Резерфорд обнаружил атомное ядро, Ф. Содди открыл изотопы — разновидности известных химических элементов, отличающиеся только атомными весами. Как выяснилось намного позже, ядра изотопов имели разное число нейтронов.

Сопоставляя химические и физические свойства веществ, Ф. Содди пришел к мысли, что даже изотопы не исчерпывают всего многообразия атомов, что наверняка существуют еще более похожие, но все-таки разные кирпичики материи.

Атомы «изотопов высшего порядка», как назвал их ученый, должны были, по его мнению, отличаться только радиоактивными свойствами. Но среди тех немногочисленных радиоактивных веществ, что были известны физикам в 1917 году, никто не мог обнаружить изотопов какого-то высшего порядка; и гипотеза Ф. Содди не получила подтверждения. Лишь четыре года спустя немецкий ученый О. Ган, тот, что впоследствии открыл реакцию деления ядер урана, нашел вдруг два вещества, ядра которых действительно имели одинаковые электрический заряд и массу. Каждое из этих радиоактивных веществ состояло из особой разновидности атомов одного химического элемента — протактиния. Два типа атомов протактиния отличались только радиоактивными свойствами: имели разное время жизни.

Это и были предсказанные Ф. Содди «изотопы высшего порядка», или, как сказали бы сегодня физики, изомерная пара. Атомные ядра одного изотопа протактиния находились в основном состоянии, а другого — застряли в возбужденном.

Теоретики ничего не могли сказать по этому поводу, так как не имели тогда еще ни одной модели ядра и не знали, из чего оно состоит. В такой ситуации им проще было не придавать значения находке О. Гана. Полная неопределенность в вопросе об изомерах царила вплоть до открытия искусственной радиоактивности.

В 1935 году, когда во многих лабораториях полным ходом шли работы по получению новых изотопов, советские физики И. Курчатов, Л. Мысовский, Л. Русинов и Б. Курчатов обнаружили новую изомерную пару ядер.

И. Курчатов и его сотрудники проводили эксперименты по исследованию свойств радиоактивных атомов брома, которые возникали при облучении стабильных ядер нейтронами.

Мишень, состоящую из смеси двух изотопов брома, экспериментаторы подносили сначала к источнику нейтронов, а затем к счетчику для регистрации радиоактивного излучения. И в каждой серии измерений прибор неизменно фиксировал три сорта нестабильных атомов с тремя разными временами жизни. Но два стабильных изотопа брома, находящиеся в мишени, могли превратиться только в два же новых, радиоактивных. А как возникал третий?

Об ошибке не могло быть и речи. Эксперимент был настолько прост, что придраться было решительно не к чему. Да и тщательные химические проверки подтверждали несомненную принадлежность всех трех радиоактивных веществ именно химическому элементу брому.

Поистине достойна восхищения широта мысли и интуиция Ф. Содди, который сумел на два десятилетия раньше предвидеть подобное недоразумение. Опираясь на гипотезу об «изотопах высшего порядка» и существующие в природе два типа атомов протактиния, физики внесли существенное дополнение к заключению химической экспертизы. Бром, как ему и полагалось, имел только два радиоактивных изотопа. А третья обнаруженная экспериментаторами разновидность ядер брома состояла из изомеров его более легкого изотопа.

Изомерное ядро брома-80 оказалось вторым в длинном списке необычных возбужденных ядер. От обычных ядер, вынужденных временно находиться в состоянии с повышенной энергией, изомеры отличаются только бóльшим временем жизни.

Возбужденное ядро, быстро спускающееся в основное состояние по ступенькам уровней энергии, иногда вдруг резко тормозит на одной из них. Вынужденная остановка может затянуться от долей секунды до нескольких дней и даже месяцев. Это и есть изомерный уровень, переход с которого квантовыми правилами запрещен.

Только с помощью модели оболочек физикам удалось разобраться в особенностях изомерного состояния. В столь неопределенном положении ядро оказывается всякий раз, когда нуклон, захвативший всю добавочную энергию, попадает на оболочку, близкую к поверхности. Он начинает с такой скоростью двигаться по орбите, что сильная инерция мешает ему перейти к более медленному движению, какое он имел на исходной нижней оболочке. С наибольшей вероятностью это происходит с ядрами, у которых число нуклонов приближается к магическим — 50, 82 и 126. Вблизи заполненных оболочек образуются своего рода островки изомерных ядер.