Явление изомерии атомных ядер — прямое доказательство оболочечной структуры ядерной материи.

В 1962 году группа физиков Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ обнаружила совершенно новый тип изомерных ядер у некоторых тяжелых химических элементов. Вокруг этого открытия до сих пор не затихают споры между теоретиками.

Ядерные капли с большим количеством нуклонов подвержены случайным изменениям формы — деформации. Даже небольшая деформация может так нарушить равновесие между ядерными силами притяжения и электростатическим (кулоновским) отталкиванием между протонами, что капля-ядро самопроизвольно разделится на две части. Скажем, ядрам каждого трансуранового элемента свойственна определенная степень деформации и соответствующая ей вероятность деления. Но вот экспериментаторы с удивлением заметили, что среди искусственно полученных изотопов делящихся элементов встречаются ядра, у которых это событие происходит с вероятностью в 10²⁶ раз большей. Эти новые «подвиды» атомов известных элементов имели одинаковую массу и разное время жизни. Несомненно, это были изомеры какой-то необычной природы.

Возбужденное ядро делящегося элемента не может быстро вернуться в нормальное состояние, испуская гамма-квант. И если бы ему были несвойственны другие способы распада, оно ничем не отличалось бы от ядер обычного изомера. Но тяжелые изомерные ядра чрезвычайно успешно использовали для разрядки реакцию деления. Поэтому время жизни этих возбужденных ядер намного меньше, чем в основном состоянии.

Столь большая способность к делению изомерных ядер требовала четкой теоретической интерпретации. Наиболее естественное объяснение заключалось в том, что форма делящихся ядер гораздо сильнее отличается от сферической в изомерном состоянии, чем в основном.

Изомерия формы — так назвали это явление — предоставляет ученым интересные возможности исследовать состояние ядерного вещества вблизи границы устойчивости по отношению к деформации.

Герои произведений Ф. Достоевского часто рассуждают и действуют в состоянии крайнего возбуждения, в моменты предельного нравственного напряжения раскрываются самые глубокие причины совершаемых ими поступков.

Ученые хорошо понимают, что им никогда не докопаться до общих законов, управляющих динамикой и структурой ядерного вещества, если они не будут исследовать поведение ядра в предельных условиях, и в частности при очень сильных возбуждениях или «перегреве».

Априори можно сказать, что ядро, получившее энергию, большую энергии связи нуклона, обязательно потеряет одну или несколько частиц.

Но что представляет собой возбужденное ядро в тот небольшой промежуток времени, когда оно уже не имеет прав на владение одним или несколькими нуклонами, а те еще не порвали связи с коллективом ядерных частиц. О таком необычном квазисвязанном, то есть похожем на связанное, состоянии ядерной системы можно судить, зная, как она образовалась, сколько времени просуществовала и каким образом перешла в нормальное состояние.

Во многих ядерных реакциях, в которых ядрам-участникам перепадала энергия в десятки и сотни миллионов электрон-вольт, экспериментаторы обнаруживали бурлящие перегретые ядра. Опознать их было несложно прежде всего по неимоверно большому, в ядерном масштабе, времени жизни. До 10^–14 секунды продолжалось кипение ядра-капли, пока испарение нуклонов с поверхности не приводило его в спокойное состояние.

Физики твердо усвоили, что большая порция энергии, полученная ядром, превращает его в систему быстро и хаотически движущихся частиц. Между нуклонами будто полностью обрывались те тончайшие связи, благодаря которым при малых энергиях возбуждения возникали коллективные движения в ядерном веществе, и ядро уже ничем не напоминало конструкцию из легких, соединенных между собой пружинками шариков, способных к сложным согласованным колебаниям.

Но стоило появиться синхротронам — ускорителям электронов, как представления ученых о сверхвозбужденных нуклонных системах резко изменились. Ядра-мишени с большой вероятностью поглощали электромагнитное излучение из синхротрона. Гамма-кванты с энергией 10–25 миллионов электрон-вольт впитывались ядрами особенно охотно. Система нуклонов переходила в квазисвязанное состояние, но совсем непохожее на кипение ядерной капли.

Это была потрясающая новость даже для физиков, которые на многое уже нагляделись, изучая микромир. На одну и ту же порцию энергии, но поданную, так сказать, под другим «соусом», ядро и реагировало по-другому. При электромагнитном взаимодействии с гамма-квантами или электронами ядро на время, равное 10^–20 секунды, попадало в особое возбужденное состояние, при котором все протоны колебались относительно нейтронов.

Гамма-кванты и электроны, неизмеримо более осторожно повышающие тонус ядра, чем сильно взаимодействующие частицы, долгое время считались единственными инструментами, пригодными для столь тонкой операции. Но существует и еще более деликатный способ введения энергии в ядро — через слабое взаимодействие. Поглощая мю-мезон с мезоатомной орбиты, ядро, оказывается, почти незаметно для себя приобретает около 20 миллионов электрон-вольт.

Долгое время ученые отводили ядру только пассивную роль поставщика протонов для хорошо известной реакции этих частиц с мю-мезонами, происходящей по законам слабого взаимодействия. Число теоретических и экспериментальных работ, посвященных реакции ядерного мю-захвата, перевалило за сотню, когда появились первые сомнения в правильности такого подхода. Повысив точность расчетов, физики обнаружили, что полученное из опытов значение вероятности реакции мю-захвата почти вдвое отличается от величины, предсказанной теоретиками. Это противоречие требовало радикального изменения взгляда на саму суть процесса.

И вот осенью 1963 года на межвузовской конференции в Ужгороде группа теоретиков МГУ и Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, возглавляемая профессором В. Балашовым, представила свою принципиально новую версию тех событий, которые происходят в ядре при захвате мю-мезона. Эта группа ученых смело утверждала, что ядру принадлежит решающая роль в дележе энергии между всеми участниками реакции и в способе усвоения доставшейся ему доли.

Как и при электромагнитном взаимодействии в случае поглощения гамма-квантов из синхротрона, ядерная система нуклонов на 10^–20 секунды переходила в квазисвязанное возбужденное состояние со сложными коллективными колебаниями одних комплексов частиц по отношению к другим. Быстрая раскачка нуклонов, выявляющая какие-то удивительные, упругие свойства ядерного вещества, по идее теоретиков, происходила при попеременном возбуждении всех нуклонов в ядре.

Частица, перескакивающая на более высокую оболочку, и оставленное ею пустое место в состоянии с меньшей энергией, так называемая «дырка», в определенной последовательности возникали в ядерном веществе. В результате непрерывного «дуэта» разных «дырок» и частиц все протоны и нейтроны оказывались вовлеченными в очень сложные согласованные передвижения. Протоны могли колебаться относительно нейтронов. Частицы с одним направлением момента количества движения имели возможность перемещаться относительно частиц с моментом противоположного направления. Теоретики предполагали, что возникают даже радиальные колебания всего ядерного вещества. Ядро как бы дышало, то увеличивая, то уменьшая свой размер. Физики так и назвали этот новый тип колебаний возбужденного ядра «дыханием».