Ответ прост. Частицы ядра стянуты колоссальными силами притяжения, превосходящими электростатическое отталкивание. Насколько велики эти силы, можно судить хотя бы по тому, что связанное ими ядерное вещество в десятки тысяч миллиардов раз тяжелее свинца и в миллионы раз прочнее любой брони.
Вначале природа ядерных сил была сплошной загадкой. Но постепенно теоретики нашли им вполне разумное, с точки зрения высшей физики, но очень трудное для популяризатора объяснение.
В детстве наши читатели наверняка любили меняться игрушками, монетами, марками. И едва ли опытный меняла станет спорить против такого утверждения: для интенсивного обмена приходится быть рядом с тем, с кем меняешься, — скажем, жить с ним в одном доме или учиться в одном классе. Чем ближе меняющиеся, тем чаще обмен. Это непреложный закон нашего детства.
Можно считать, что протоны и нейтроны атомного ядра — тоже любители меняться. Им по вкусу чрезвычайно недолговечные и не очень массивные частички, которые называются пи-мезонами. Вот как происходит обмен пи-мезонами в ядре тяжелого водорода — дейтоне, который состоит из протона и нейтрона.
Протон, превращаясь в нейтрон, отдает соседу-нейтрону положительно заряженный пи-мезон. Сосед-нейтрон, получив положительный пи-мезон, становится протоном, но тут же спешит вернуть приобретенную частичку. Затем все повторяется снова и снова.
Может возникнуть вопрос: откуда ядерные частицы берут пи-мезоны, которыми они меняются? Из себя самих! По современным воззрениям, протон, например, представляет собой какое-то сверхплотное центральное сгущение, окруженное «облаком» мезонов, которые существуют «виртуально» — все время испускаются и тут же поглощаются.
Итак, поскольку издали совершать обмен «неудобно», нейтрону и протону, беспрестанно превращающимся друг в друга, как бы непрерывно меняющимся местами, приходится быть очень близко друг к другу. Обмен сближает меняющихся. А это, по существу, и представляет собой действие сил притяжения.
Кстати, непрерывное взаимное превращение протонов и нейтронов приводит к тому, что в ядре невозможно указать их точное местонахождение в каждый момент времени. Поэтому, когда речь идет о частицах, находящихся в ядре, их объединяют общим названием — нуклоны.
Приведенный нами пример детского обмена не претендует на разъяснение обменных сил. Явление это настолько своеобразное, что ни в классической физике, ни тем более в обыденной жизни не подберешь к нему достаточно убедительного сравнения. Но все же пример не бесполезен. Он говорит хотя бы о необычайной сложности процессов, происходящих в атомном ядре. Выясняется и другое: ядро отнюдь не неподвижно. Оно постоянно бурлит в необычном, ему одному присущем молниеносном круговороте.
А мы то думали, что ядро «спит»!
Поистине материя немыслима без движения — и в ничтожном атомном ядре и в гигантском Солнце.
ДВЕ ЗАДАЧИПрилежному первокласснику задают нелегкую задачу.
Первоклассник морщит лоб, складывает 80 и 20, получает в ответе 100 и пятерку в классный журнал.
Ленивый студент-физик вытягивает на экзамене билет с пустяковой задачей.
Студент пожимает плечами, складывает столбиком 1,00814 и 1,00898, получает 2,01712 и... вполне заслуженную двойку в зачетную ведомость.
В чем дело? Арифметика-то соблюдена!
Зато забыта физика!
Студент обязан был знать о существовании ядерных сил и о законе взаимосвязи массы и энергии.
Когда вы кладете сыр на хлеб, ничего необычного не происходит. Сыр спокойно ложится на ломоть. Иначе говоря, массы самым немудреным способом складываются.
А как идет соединение протона и нейтрона?
Вообразите, что вы, каким-то волшебством очутившись в микромире, медленно сдвигаете эти частички. Ближе, ближе... вот они уже на расстоянии 2 • 10-13 сантиметра. И тут вступают в действие могучие ядерные силы. Между частицами начинается мезонный обмен. Вырвавшись из ваших рук, они с безудержной стремительностью сталкиваются и испускают порцию энергии. Образовавшееся ядро тяжелого водорода—дейтон тут же улетает куда-то в сторону.
При сближении притягивающихся тел всегда выделяется энергия. В нашем же случае благодаря огромной величине ядерных сил относительное освобождение энергии особенно велико — в миллионы миллиардов раз больше, чем, скажем, при падении камня на землю.
Но ведь, по Эйнштейну, освобождение энергии влечет за собой уменьшение массы. Вы убедились бы в этом, сумев поймать и взвесить образовавшийся дейтон. Его атомный вес получился бы таким: 2,01474. Эту цифру и должен был написать наш злополучный студент, чтобы не получить двойку.
Таким образом, атомный вес дейтона на 0,00238 меньше простой суммы атомных весов протона и нейтрона. Недостаток массы, или, по принятой терминологии, дефект массы, соответствует, по формуле Эйнштейна, энергии в 3,5.106 эрга, или 2,18 мэв [6]. Столько энергии и выделилось при соединении частиц. А чтобы разделить их, пришлось бы, наоборот, такое же количество энергии затратить. Причем разнесенные в стороны ядерные частицы стали бы опять такими же тяжелыми, как положено быть свободным протонам и нейтронам.
Теперь спросим: одинаково ли трудно отрывать нуклоны от атомных ядер разных химических элементов?
Оказывается, нет.
И вот почему.
БОРЬБА СИЛЛюбое атомное ядро, содержащее больше одного протона, — это арена борьбы двух противоположных явлений. Первое — мезонный обмен, — действуя на ничтожно малых расстояниях, прочно объединяет ядерные частицы. Второе же — электростатическое отталкивание протонов — несравненно слабее, хотя и далеко распространяет свое влияние.
Во всех ядрах так или иначе побеждает мезонный обмен. Ведь раз уж ядро существует, значит, электростатическое отталкивание не смогло одержать верх. Но внутреннее состояние ядер, прочность связи их частиц немало зависят от соотношения созидающих и разрушающих сил.
Теории, которая с исчерпывающей полнотой объяснила бы внутреннее состояние ядер, в науке еще нет. Для создания ее нужно выяснить закономерности строения ядра, так же как это сделано для атома. Как располагаются в ядре нуклоны? Как они движутся? Как распределяется между ними энергия? В наши дни на этот счет существуют лишь предположения. Мы их здесь не будем касаться. Рассуждения, с которыми вы сейчас познакомитесь, носят поэтому очень упрощенный характер.
Возьмём к примеру тот же дейтон — ядро тяжелого водорода. Напомним еще раз его состав: протон плюс нейтрон. В дейтоне действует одно ядерное притяжение, но еще не в полную силу. Объединяя только две частицы, мезонный обмен не использует всех таящихся в нем возможностей. Оба нуклона находятся как бы на поверхности ядра и поэтому часто «стреляют» мезонами «мимо цели».
Крепче склеиваются мезонным обменом частицы ядра сверхтяжелого водорода трития, состоящего из одного протона и двух нейтронов.
А вот ядро легкого гелия, в котором появился второй протон (на один нейтрон), связано слабее ядра трития. Это и понятно: ведь вступило в свои права электростатическое отталкивание протонов.
Но стоит прибавить сюда еще один нейтрон — и связь резко возрастет. В ядре обычного гелия (комбинация двух протонов и двух нейтронов, называемая также альфа-частицей) каждый нуклон приклеен к своим собратьям почти втрое сильнее, чем в ядре легкого гелия.
Путешествуя дальше по «карте микромира», как образно называют иногда таблицу Менделеева, мы убеждаемся, что вначале прочность ядер с некоторыми колебаниями быстро растет, а затем, по мере увеличения веса и размеров ядер, постепенно снижается.
Ядра — рекордсмены прочности — находятся примерно в середине менделеевской таблицы. В них мезонный обмен особенно интенсивен, ибо подавляющее большинство нуклонов оказывается там внутри ядра и работает «во всю силу». «Мимо цели» их мезоны не попадают. Казалось бы, с дальнейшим увеличением числа нуклонов ядро должно делаться еще прочнее. А на самом деле происходит спад прочности.
Как его объяснить?
Общее влияние притяжения нуклонов в крупных ядрах ослабляется большим количеством частиц. Мезонный обмен, реализуясь на ничтожных расстояниях, не может охватить с прежней силой увеличившуюся семью нуклонов. Вместе с тем все заметнее сказывается предательское отталкивание протонов.
Теория предсказывает: ядра с числом протонов больше примерно 120 существовать не могут. Возникнув, они тотчас были бы разорваны электростатическим отталкиванием. А на практике в естественных земных условиях наибольшее число протонов — 92, в ядрах урана. И это весьма «рыхлые», неустойчивые образования.