В последние годы то и дело приходится слышать, что время ядерной физики прошло и проблематика не исчерпана: выяснение природы ядерных сил попало в ведение новой науки — физики элементарных частиц, а изучение и систематизация свойств атомных ядер и различных их энергетических состояний превращаются-де в некое подобие систематики растений и животных и уже не сулят никаких принципиально новых открытии. Действительно, среди работ по ядерной физике попадается немало таких, которые правоверные физики презрительно называют «зоологией». Но это отнюдь не означает «кризиса жанра»: предстоит большая и интересная работа, некоторые направления которой я и постараюсь здесь обрисовать.
На рисунке представлены изотопы всех элементов менделеевской системы — от водорода до еще не открытого аналога платины — элемента № 110. Числа на горизонтальной оси показывают количество протонов в ядре, его заряд, на вертикальной оси — число нейтронов в ядре. Черной краской отмечены все изотопы, известные на сегодня. Таких немногим более полутора тысяч. Верхней границей отделена область, в которой изотопы обладают отрицательной энергией связи нейтронов, нейтрононестабильны, нижней границей — область протонной нестабильности, где отрицательной становится энергия связи протонов в ядрах. Между верхней — нейтроноизбыточной — и нижней — нейтронодефицитной — границами должно находиться около 5 тысяч изотопов. Это значит, что сейчас мы знаем менее трети всех возможных изотопов.
Познакомившись с неоткрытыми изотопами, мы, несомненно, увидим и новые физические явления. Обратимся в этой связи к нижней (нейтронодефицитной) границе. Для элементов середины и конца периодической системы Менделеева эта граница недостижима, ибо, прежде чем испускание протонов станет энергетически выгодно для нейтронодефицитных тяжелых ядер, эти ядра окажутся весьма неустойчивы к альфа-распаду, а начиная примерно с урана — и к спонтанному делению.
Спонтанное деление ядер — это очень своеобразный и интересный процесс, открытый, как известно, в нашей стране Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком. Совсем недавно С. М. Поликанов с сотрудниками в лаборатории Г. Н. Флерова в Дубне обнаружил новое любопытное явление — существование возбужденных состояний атомных ядер, испытывающих спонтанное деление с очень коротким временем жизни. Уже из одного этого примера видно, что спонтанное деление — далеко еще не полностью прочитанная страница ядерной физики. Но сейчас мы не будем подробно останавливаться на этом явлении, а обратимся к еще не открытым нейтронодефицитным изотопам легких элементов: от водорода до олова. Для предсказания свойств этих изотопов можно воспользоваться одной из наиболее характерных особенностей ядерных сил — их независимостью от электрического заряда, или, как принято говорить, их изотопической инвариантностью. Опираясь на изотопическую инвариантность, можно для нейтронодефицитпых изотопов предсказать, какова будет энергия связи нейтрона и протона в ядре, вид радиоактивного распада, энергию испускаемых частиц, период полураспада. Для таких изотопов оказываются характерными два новых, еще никем пока не наблюдавшихся вида радиоактивности, два новых способа самопроизвольного превращения элементов: протонная и двупротонная радиоактивность.
Существование протонной радиоактивности казалось несомненным еще многие десятки лет назад. Известно, например, что Резерфорд принимал вначале альфа-распад за испускание ядрами протонов. В самом деле, совершенно ясно, что раз по мере усиления нейтронного дефицита энергия связи протонов падает, то рано или поздно она должна стать отрицательной. Но кулоновский потенциальный барьер, определяющий, как известно, свойства альфа-распада и препятствующий как попаданию медленных альфа-частиц извне внутрь ядра, так и их вылету наружу, будет замедлять также и испускание ядрами протонов. По этой причине и оказывается возможным сравнительно долгое существование ядер с отрицательной энергией связи протонов, возможна протонная радиоактивность.
Почему же это явление до сих пор не наблюдалось? Во-первых, по той причине, что для обеспечения протонной радиоактивности надо весьма своеобразно воздействовать на ядро, сильно уменьшив его массу, но не изменив заряд. Осуществление подобных ядерных реакций стало возможным лишь в последние годы благодаря прогрессу ускорительной техники, но даже и сейчас оно остается очень трудным делом: мешают другие ядерные взаимодействия. Во-вторых, протонная радиоактивность будет относительно легко наблюдаема лишь в очень узком интервале энергии испускаемых протонов. Слишком быстрые протоны покинут ядро почти мгновенно, слишком медленные вообще не успеют вылететь, ибо раньше произойдет позитронный распад. Так, например, время жизни протонно-радиоактивных изотопов меди заключено в интервале между 10–12 сек. и 10 сек. лишь в том случае, если энергия испускаемых протонов будет лежать между 0,7 и 0,2 Мэв, что довольно-таки маловероятно.
Рассмотрение свойств нейтронодефицитных ядер легких элементов приводит к выводу о существовании для четных элементов от неона до олова еще одного, значительно более интересного и своеобразного вида радиоактивного распада — двупротонной радиоактивности. Подобно электронам в атомах и молекулах, протоны и нейтроны в атомных ядрах обладают тенденцией к спариванию— образованию пар частиц с противоположно направленными спинами. Энергия, высвобождающаяся благодаря такому спариванию нуклонов в атомном ядре, весьма велика — около 2 Мэв. Поэтому во многих нейтронодефицитных изотопах с четным числом протонов легче будет происходить одновременное испускание двух протонов, чем отрыв одного из них от другого. Ядро оказывается устойчивым к потере одного, по неустойчивым к вылету пары протонов — возникает двупротонная радиоактивность.
Число изотопов, склонных к двупротонной радиоактивности, довольно велико — более тридцати. К тому же в отличие от протонной радиоактивности испускание пары протонов не может происходить мгновенно, а это увеличивает шансы на его экспериментальное обнаружение в недалеком будущем. (Например, время жизни двупротонно-радиоактивных изотопов олова Sn97 и Sn98 должно быть не меньше чем 10–3 сек.)
Благодаря различным ускорителям, и в первую очередь ускорителям тяжелых ионов, а также использованию новых методов регистрации ядерных частиц (полупроводниковые поверхностно-барьерные детекторы) в Дубне (СССР), а затем и в Монреале (Канада) уже наблюдалось испускание запаздывающих протонов. (Это явление — двухстадийный процесс, состоящий в том, что при позитронном бета-распаде нейтронодефицитных ядер образуется «дочернее» ядро и возбужденном состоянии, мгновенно выбрасывающее протон. Запаздывание обусловлено длительностью бета-распада, а не задержкой протона кулоновским барьером.) Мы находимся сейчас на подступах к протонной и двупротонной радиоактивности. Надо думать, что их экспериментальное обнаружение — вопрос ближайшего времени.
