ПУЛЬСИРУЮЩЕЕ МЕ30НН0Е

ОБЛАКО

ПРОТОН ,

АТОМ НЕИСЧЕРПАЕМ

РОБЕРТ ХОФСТАДТЕР

США

Атомное ядро не имеет четко обозначенных границ • Послушный слуга чело-века — электрон — инструмент исследования атомного ядра • Протон—тоже планетарная система

Оозможность заглянуть внутрь атома — ^этой крупицы материи—является наиболее впечатляющим подвигом современной физики. Это подчеркивает гений Резерфорда и других более ранних исследователей, имевших в своем распоряжении сравнительно несовершенные методы исследования.

Недавно автор данной статьи совместно со своими коллегами по Стэнфордскому университету, используя усовершенствованную технику современной экспериментальной физики, разработали новую, очень мощную установку, с помощью которой представилась возможность проникнуть в недра' атомных ядер глубже, чем это было сделано до сих пор. Эти исследования показали, что прежние представления о строении ядра атома должны быть пересмотрены. Стало даже возможно проникать вглубь «элементарных» частиц — протонов и нейтронов, иэ которых состоят сами ядра. Прежде всего следует сказать, что такие выражения, как «заглянуть» в ядро атома или видеть его «изображение», являются чисто метафорическими Ядра атомов абсолютно и безнадежно неви (имы. Поэтому физик говорит не «изображение , а «модель» атомного ядра.

МОДЕЛИ ЯДРА

Вероятно самой старой, а для некоторых целей и до сих пор сохраняющей свое значение, является «капельная» модель строения атомного ядра, в этой модели протоны и нейтроны, называемые общим словом «нуклоны», из которых состоит ядро, рассматриваются размещенными таким же образом, как и молекулы в сферической капле воды. Согласно этой модели плотность ядерного вещества должна быть постоянной для всех ядер, и каждое ядро должно иметь отчетливо выраженную пограничную поверхность. Подобно тому, как большие капли воды содержат больше молекул, чем маленькие капли, но имеют одинаковую с ними плотность, точно так же большие ядра имеют больше нуклонов, размещенных в них с такой же плотностью, как и в маленьких ядрах.

Если принять эти представления о строении ядер, то должен выполняться и достаточно простой закон, которому будут подчиняться относительные размеры различных ядер: их объемы пропорциональны числу содержащихся в них нуклонов. А поскольку объем шара пропорционален кубу его радиуса, то радиусы различных атомных ядер должны изменяться пропорционально кубическим корням из числа нуклонов. Так, например, если большое атомное ядро содержит протонов И нейтронов в 8 раз больше, чем маленькое, то оно должно иметь вдвое больший радиус.

Можно пойти дальше и определить величину не только относительных, но и абсолютных размеров атомных ядер- При предположении правильности «капельной» модели различные эксперименты указывают, что радиус ядра измеряемый в ядерных единицах (1 ядерная единица равна Ю^-1 см), равняется коэффициенту 1,45, помноженному на кубический корень из числа нуклонов, за

Рис. 1.

ключенных в ядре Таким образом радиус ядра атома золота, содержащего 197 нукло-

рисстояние

с от центра ядра

9 РАССТОЯНИЕ с от центра ядра

о

г

9 РАССТОЯНИЕ с ОТ ЦЕНТЙА ЯДО

j расстояние сот центра ядра

ъг—

197ХЮ ^U см, или

В

о

g расстояние е от центра йд(*

расстояние от центра яш*

расстояние

от центра ядра

У

нов, будет равен 1,45 X У В, 45 ядерных единиц.

Кроме размера и массы, ядро имеет положительный электрический заряд. При представлении модели ядра в виде сферической капли считают, что электрический заряд в нем распределен равномерно по всему объему каждого ядра. Вместе с тем «плотность заряда», то-есть величина заряда, сосредоточенная в данном объеме, естественно, для ядер различных атомов должна быть различной, так как отношение числа протонов к общему числу нуклонов в них тоже различно. Например, ядро водорода, которое состоит лишь из одного протона и не имеет нейтронов, очевидно, имеет наивысшую плотность электрического заряда. В ядре же, где иэ общего количества нуклонов половину составляют протоны, плотеость заряда будет вдвое меньше, чем у водорода. В более тяжелых ядрах отношение числа протонов к общему количеству нуклонов снижается до 0,39; соответственно плотность заряда ядра атома уменьшается.

Тот факт, что модель атомного ядра в виде сферической капли отражает целый ряд важных свойств ядра, не вызывает сомнений. Но несомненно также и то, что действительное атомное ядро не может быть в точности похожим на каплю жидкости. В высшей степени маловероятно, чтобы поверхность ядра могла быть в действительности обозначена так резко, то-есть чтобы плотность материи резко падала от н которой постоянной величины по всему объему ядра сразу до нуля. Соврем иная квантовая теория предсказывает, что плотность ядерного вещества должна плавно падать от некоторой постоянной для внутренней части ядра величины до поверхностного слоя или оболочки, а затем, достигнув этой оболочки, быстро уменьшаться.

Имеются и иные модели ядра. Согласно другим теориям, масса и заряд ядра сосредоточены в нескольких концентрических оболочках. Приведенные на рисунке 1 графики показывают, как изменяется плотность заряда по направлению от центра ядра к его периферии у различных моделей ядра. А—сфе-рич екая капля с постоянной плотностью заряда по всему объему и резко очерченной граничной поверхностью; Б — точечное ядро; В —ядро в виде оболочки; Г и Д -ядро, имеющее оболочку, плотность которой изменяется. Модели Ж и 3 дают наибольшее согласование с экспериментальными выводами. Однако до последнего времени никто не знал, соответствуют ли эти представления действительности.

Автор статьи начал думать о новом пути для изучения атомного ядра в 1951 году. Идея его заключалась в том, чтобы подвергать ядра бомбардировке электронами, обладающими высокой скоростью, и наблюдать, как они при этом будут отклоняться в стороны или, как говорят физики, рассеиваться

В 1951 году в Сгэнфорде был построен большой линейный ускоритель, который мог создать поток электронов, обладающих эиер-

расстсяние

от ц ентра ядра

10