Новый взгляд на известный сюжет

 Рафаил Нудельман • 11 октября 2015
Атомное ядро, как мы теперь знаем, тоже имеет внутреннюю структуру, ибо состоит из частиц, именуемых протонами и нейтронами, эти частицы в свою очередь состоят из кварков и т.д.

    «Ядро вскипело, сэр!»

    Представляю, если бы такую фразу услышал сэр Резерфорд, только что открывший, что атом отнюдь не «неделим», как полагали раньше, а имеет внутреннюю структуру, ибо состоит из ядра и обращающихся вокруг него электронов. Для него мысль о делимости ядра была, наверное, так же неприемлема, как для его предшественников мысль о делимости атома.

    Тем не менее атомное ядро, как мы теперь знаем, тоже имеет внутреннюю структуру, ибо состоит из частиц, именуемых протонами и нейтронами, и давайте не упоминать, что эти частицы в свою очередь состоят из кварков и т.д. — для наших сегодняшних целей достаточно и протонов с нейтронами. Ибо цель наша сегодня состоит в том, чтобы рассказать, что в определенном смысле эти ядерные частицы образуют нечто вроде жидкости, и если раньше уже было показано, что «капля» такой «ядерной жидкости» может вращаться, раздуваться и даже делиться, то только что продемонстрировано, что она может также… кипеть. (Не знаю, можно ли ее сварить вкрутую, не уверен, сэр.)

    Как показать, что ядерную каплю можно довести до кипения? Ведь «термометр в нее не вставишь», как меланхолически заметил физик Джеймс Эллиот из Национальной лаборатории в Беркли, штат Калифорния. Но его коллеги, Вик Виола и его группа из университета штата Индиана, тем не менее вставили. Или что-то вроде. Вот что они сделали. Они разогнали (в ускорителе) пучок частиц, именуемых «пионами», до 99 процентов скорости света и направили его (в том же ускорителе) на золотую пластинку. Из пластинки стали вылетать капли ядерной жидкости. По длине их пролета в счетчике можно было определить их размеры. Оказалось, что при повышении энергии пионов эти размеры сначала увеличиваются, а потом перестают.

    Физики истолковали сей факт как указание, что дополнительная энергия пионов тратится на перевод ядерной жидкости в «пар», то есть превращается в так называемую скрытую теплоту испарения. И действительно, при дальнейшем повышении энергии пионов размеры ядерных капель начинают даже уменьшаться. Это значит, что из них начинают «испаряться» частицы.

    Исследователям удалось даже подсчитать температуру испарения ядерной жидкости (в случае золота). Она оказалась порядка 100 миллиардов градусов. Это позволяет ощутить огромную величину ядерных сил, удерживающих частицы внутри ядра.

    На основе полученных данных, как говорят те же исследователи, можно понять, как образуются тяжелые элементы в природе. Известно, что природа приготовила для будущей Вселенной только самые простейшие ингредиенты — водород, тяжелый водород (дейтерий), гелий и немного ближайших самых легких ядер; тяжелые у нее не получалось собрать, потому что при тех температурах, что тогда царили, нейтроны-протоны слишком быстро двигались. Тяжелые ядра возникли позже внутри звезд за счет происходивших в их центре термоядерных реакций превращения водорода в гелий и далее. Но это «далее» тоже имело предел.

    К моменту образования ядер железа состояние такой звезды становилось неустойчивым, и она взрывалась, рассеивая свое содержимое (тяжелые элементы) в космосе. Так появилось во Вселенной все, что «до железа включительно». Ну а дальше как? И вот теперь исследователи говорят: а дальше ядерные капли помогали.

    Когда при внутризвездных температурах ядерная жидкость вскипала, ее капли легче пропускали внутрь себя лишние нейтроны. А при остывании эти утяжеленные капли давали более тяжелые элементы, чем железо. Прекрасно. Как раз и ядро вскипело, сэр. Прикажете подавать?