К 1932 году, как пишет о том профессор Я. А. Смородинский, «строение атома и атомного ядра выглядело изящно и просто». Атом состоял из ядра, сложенного из Z штук положительно заряженных протонов и N штук нейтронов, не имеющих электрического заряда. Всего в ядре оказывалось A штук частиц (A = Z + N) протонов и нейтронов, имевших примерно одинаковую массу и общее название нуклонов, то есть ядерных частиц. «А» называлось массовым числом и было примерно равным атомному весу.
Вокруг такого положительно заряженного ядра распределялись электроны. Их число равнялось числу протонов и определяло собой, следовательно, номер элемента в периодической таблице.
Действительно, картинка получается «простая и изящная». Но давайте перепрыгнем полтора десятка лет. На это время приходится период, когда теоретические работы были подчинены целям в основном практическим.
Итак — конец сороковых годов. К этому времени представления об атомном ядре претерпели сильные изменения. Теперь уже никто не видел в нем неподвижную систему из протонов и нейтронов, словно сколоченных намертво в единое целое. Теперь это была сложная система из тех же частиц, но непрерывно двигающихся, обменивающихся друг с другом пионами, которые являются носителями ядерных сил. Именно этот обмен удерживал нуклоны друг возле друга на таком близком расстоянии, что размер атомного ядра в среднем имел порядок, определяемый множителем 10-13 сантиметра.
Впрочем, вы и сами можете легко не только представить, но и вывести формулу для расчета радиуса атомного ядра любого из химических элементов. Делается это так.
Представим себе атомное ядро в виде шарика из плотно упакованных нуклонов: протонов и нейтронов, всего A штук. Значит, и объем ядра-шарика можно считать пропорциональным этому количеству нуклонов, правда? То есть V ⁓ А.
Деление ядра урана
Но объем шара по правилам геометрии пропорционален кубу радиуса: V=4/3πR3.
Значит, и радиус, вернее куб радиуса, пропорционален числу нуклонов A. То есть R3 ~ А. Отсюда R ⁓ А1/3.
Теперь можно написать и формулу. Радиус ядра атома должен быть пропорционален, очевидно, какому-то коэффициенту пропорциональности, умноженному на 10-13 и на А1/3. По результатам опыта коэффициент пропорциональности оказался равным 1,2.
Тогда формула для радиуса атомного ядра в окончательном виде будет выглядеть так: R = 1,2 ∙ 10-13 ∙ А1/3 см.
Подставьте сюда А = 1, и вы получите радиус ядра атома водорода, радиус протона, Rн = 1,2 ∙ 10-13 см.
Представьте А = 92, и вы получите радиус ядра атома урана — самого тяжелого стабильного элемента: rv = 5,5 ∙ 10-13 см.
Обратите внимание на то, насколько незначительна разница. Эта формула дает результаты, которые достаточно хорошо согласуются с результатами экспериментов.
Пытаясь представить себе структуру атомного ядра, физики пришли к чрезвычайно сложной картине. Раз между нуклонами происходил непрерывный обмен пионами, значит, менялся и заряд каждого нуклона. То есть фактически протон и нейтрон непрерывно превращались друг в друга. Конечно, общее число и тех и других в ядре сохранялось. От этого ведь зависел заряд ядра, количество электронов на орбитах и, в конце концов, химические свойства элемента. Но сказать определенно, какой конкретно нуклон в данный момент времени имел заряд, а какой нет — никто теперь не мог.
Кроме того, немало трудностей доставляли и сами пионы. Они непрерывно рождались и исчезали. Таким образом, их число в ядре тоже оказывалось неопределенным. Ни один математический аппарат, изобретенный людьми, не в силах был дать полное квантовомеханическое описание такой системы, поскольку в начальных условиях задачи одновременно участвовало слишком много тел.
Как же объяснять теоретически специфические свойства атомных ядер?.. В конечном счете, физики все-таки нашли выход. Они стали строить различные модели, объясняющие не все, а лишь некоторые свойства ядер.
Так, одной из характерных особенностей ядерных явлений была особая устойчивость некоторых ядер, участвовавших в ядерных реакциях. Атомы, обладающие такими ядрами, были, естественно, наиболее широко распространены в природе. Когда сравнили их между собой, то оказалось, что все они обладают четным количеством протонов и нейтронов. Мало того, наивысшая устойчивость проявлялась ядрами, имеющими два протона или нейтрона, восемь протонов или нейтронов, двадцать, 28, 50, 98, 126… Получался ряд каких-то заколдованных, магических чисел. Их так и называли «магическими числами» и «магическими ядрами».
А теперь небольшое напоминание: какие из элементов периодической таблицы обладают наибольшей устойчивостью? Перечислим их: гелий-2, неон-10, аргон-18, криптон-36, ксенон-54, радон-86… А теперь возьмите разность между массовыми числами. Получите: 2, 8, 18…
После того как был открыт принцип Паули, устойчивость инертных газов объясняли особенностями строения их атомов. Атомы представляли имеющими слоистую оболочечную структуру. Если оболочка была заполнена, то есть в нее входили все дозволенные принципом Паули электроны, то она приобретала особую стабильность. От нее оказывалось трудно и оторвать электрон, и присоединить еще один было некуда. Заполненные до отказа электронные оболочки оказывались замкнутыми. И атомы такой структуры не вступали в химические реакции.
Стоп! А нельзя ли по такому же принципу построить и модели «магических ядер». Ведь их исключительная устойчивость прямо-таки подталкивает к мысли об оболочечной структуре ядра…
Как только такая мысль возникла, теоретики тут же соорудили соответствующую модель атомного ядра и принялись с ее помощью объяснять наблюдаемые в ядрах явления.
Оболочечные модели атомных ядер получили наибольшее распространение в современной физике. И хотя в настоящее время существует немало и других типов моделей, именно оболочечная структура оказалась наиболее плодотворной.
Другой, противоположной моделью явилась капельная модель ядра. В свое время она оказалась также весьма плодотворной, позволив физикам разработать целый ряд новых методов и показав им возможности, скрытые в недрах атомных ядер.
Именно капельная модель ядра натолкнула физиков на разработку основ нового экспериментального метода ядерной спектроскопии, в которой вместо фотонов используются волновые свойства нейтронов. Она показала теоретикам возможности лавинообразного процесса деления ядер тяжелых элементов, получения огромных количеств энергии, атомных бомб, а впоследствии и горючего для двигателей. Наконец, именно эта модель подтолкнула физиков к разработке методов получения новых трансурановых элементов и к созданию первых урановых «котлов» или «реакторов», как чисто экспериментального, так и сугубо практического характера, предназначенных для получения ядерного горючего.