Беседы об атомном ядре - [25]

Ничего не поделаешь, против квантовой механики не пойдешь; и приходится мезону круто пикировать. Перескакивая с одной орбиты на другую, он быстро приближается к центру атомной планетной системы, к ядру.

В атомах средних по массе химических элементов мю-мезон, находясь на самой близкой к ядру орбите, буквально чиркает по его поверхности. А в атоме свинца он не только совершает мягкую посадку на ядро, но даже глубоко погружается в ядерное вещество.

Уже говорилось, что в микрокосмосе все события совершаются в чрезвычайно сжатые сроки. И мю-мезон — ядроход существует намного меньше секунды. Однако по сравнению с ядерным масштабом времени это целая вечность. Поглощенный пучиной плотного ядерного океана мю-мезон, прежде чем исчезнуть в реакции взаимодействия с протоном, успевает сделать миллионы миллионов оборотов.

Как же удается мю-мезонам так свободно проникать в ядро и кружиться там, не теряя своей самостоятельности?

Повинны в этом опять-таки квантовые законы. Они утверждают, что проницаемость или непроницаемость в микромире зависит не от твердости или мягкости преграды, как мы к тому привыкли, а от наличия или отсутствия вакантных мест в определенных квантовых состояниях.

Пулей не пробить толстую броню; и мы утверждаем, что она непроницаема. Но если пуля вдруг превратилась бы в квантовый объект, она легко проникла бы в нее, потому что в этом случае все квантовые состояния в броне для пули свободны. Свободны и для мю-мезона все состояния в ядерном веществе. Легко перемещаясь в нем, мю-мезон «не торопясь», в спокойной обстановке фиксирует форму ядра, его размер, пространственное распределение в нем протонов и передает все эти сведения по «каналу мезорентгеновской связи» ученым.

Этот «канал» работает непрерывно с момента образования мю-мезоатома до захвата мезона ядром. Перескакивая с одной своей орбиты на другую, расположенную глубже в атоме, мезон, следуя квантовым законам, испускает рентгеновское излучение. Физики называют его мезорентгеновским, чтобы ясно было, кому оно обязано своим происхождением.

Мю-мезон, как и электрон, не подвержен сильному взаимодействию. Его общение с ядром в основном сводится к взаимодействиям электромагнитному и слабому. И чем ближе он подходит к центру атома, тем мощнее становится воздействие на него ядерного скопища электрических зарядов.

Мезорентгеновские фотоны, которые мю-мезон испускает при перескоках между несколькими самыми глубокими последними орбитами, несут в себе все богатство его электромагнитных «впечатлений» от ядра. Очень важно уметь «выжать» эти впечатления всего из двух измеряемых на опыте характеристик рентгеновского излучения: энергии и интенсивности.

Вот как находится, например, теоретическая зависимость энергии этого излучения от размера ядра в шутливом изложении самих физиков.

Сначала теоретик воображает себе ядро в виде некоего заряженного облака. И не только в голове, но и на бумаге, в математическом виде. Подобным же образом движущийся в ядре мю-мезон представляется ему в виде размазанного желеподобного объекта. А когда это облако и желе, сдобренные такими «приправами», как теория относительности и спин (механический момент количества движения), «засыпаются» в электронную счетную машину, то наружу выскакивает долгожданный результат: зависимость энергии рентгеновских лучей от радиуса ядра.

Первые же эксперименты с мезоатомами, выполненные четверть века назад, внесли чрезвычайно важный вклад в ядерную физику. По энергии мезорентгеновских лучей впервые с большой точностью физикам удалось «измерить» тяжелые ядра. Их радиусы оказались на 30 процентов меньше тех значений, что фигурировали в тогдашних таблицах и учебниках.

И сейчас этот метод не уступает по точности методу измерения радиуса ядер по рассеянию электронов больших энергий. Кроме того, мезонный инструмент обходится ученым дешевле, чем гигантский ускоритель электронов. Но сравнение этих двух методов теряет всякий смысл, когда речь идет об исследовании деталей структуры ядра.

Длительный контакт мю-мезона с ядерным веществом приводит к неожиданным последствиям. Быстро выдергивая лист бумаги из толстой стопки, мы не нарушаем расположения остальных листов, вытягивая же его медленно, можно сдвинуть с места и всю стопку. Электрон, проскакивая через ядро, не успевает повлиять на распределение в нем протонов. А мю-мезон, двигаясь по орбите, расположенной в самом ядре, немного искажает истинное расположение зарядов. Это перераспределение нуклонов, в свою очередь, воздействует на мю-мезон, и он становится регистратором уже новых, изменившихся свойств ядерного вещества.

Теоретики уже различают некоторые виды этих очень небольших, очень тонких, но чрезвычайно важных для исследования структуры ядра эффектов, которые накладывают свой отпечаток на мезорентгеновское излучение, «просвечивающее» ядро.

— Интересно, напоминает ли эта рентгеновская установка для просвечивания ядра ту, которая работает в обычном рентгеновском кабинете?

— Нет. Физикам не нужны источники рентгеновских лучей. Они регистрируют уже готовые рентгеновские фотоны, испускаемые экзотическими атомами, и обходятся поэтому только приемниками лучей. В экспериментальном зале ускорителя такой приемник даже трудно заметить.