Все материалы образованы из трех элементарных частиц: электронов, протонов и нейтронов.
Но поскольку протоны и нейтроны легко переходят друг в друга, и те и другие называются нуклонами, мы могли бы с таким же успехом сказать, что материя состоит из строительных блоков: электронов и нуклонов. Материя строится из этих частиц в две стадии: сначала нуклоны организуются в атомные ядра, а уже затем эти атомные ядра соединяются с электронами, образуя атомы.
Атомное ядро состоит из определенного числа объединившихся нуклонов. Число это варьирует от одного до двухсот и более. Простейшим атомным ядром является ядро атома водорода, состоящее из одного свободного протона; самым сложным из нормальных атомных ядер является ядро атома урана, содержащее 238 нуклонов. Всем числам, лежащим в диапазоне от 1 до 238, также соответствуют различные атомные ядра.
Пытаясь объяснить, как некоторое число нуклонов может удерживаться вместе, создавая атомное ядро, мы должны предположить, что, когда нуклоны оказываются очень близко друг от друга, между ними возникает очень сильное притяжение. Характер этого притяжения отличен от электрического притяжения, которое, например, имеет место между положительно заряженным протоном и отрицательно заряженным электроном. Сила притяжения между нуклонами называется ядерной силой, и мы признаем, что более глубокое исследование ее свойств является, пожалуй, единственной наиважнейшей задачей, стоящей перед ядерной физикой.
Для наглядного представления устройства атомного ядра представим себе нуклоны в виде небольших шариков, притягивающихся друг к другу при тесном сближении; иначе говоря, ядерные силы удерживают их вместе в форме маленького, почти круглого комочка — атомного ядра.
Масса атомного ядра приблизительно равна суммарной массе образующих его нуклонов. Например, про ядро атома железа, содержащее 56 нуклонов, говорят, что его «атомный вес» равен 56, а его масса примерно в 56 раз больше массы одного нуклона. Фактически его общая масса несколько меньше, чем 56 масс нуклонов, поскольку при объединении этих частиц в ядро определенное количество энергии, так называемая энергия связи, высвобождается и уходит, а поскольку вся энергия имеет массу, некоторая часть массы теряется в результате объединения нуклонов в ядро. Во всех ядрах, однако, количество потерянной массы составляет менее одного процента от общей массы.
За исключением атомного веса, самой важной характеристикой ядра является его электрический заряд, определяющий химические и большинство физических свойств атома. Заряд атомных ядер колеблется от 1 до примерно 100. Среди всех веществ, встречающихся в естественном состоянии, наибольшим электрическим зарядом обладает ядро урана. Его зарядовое число («атомный номер») — 92. Искусственным путем получены ядра с еще более высокими атомными номерами, как, например, плутоний. Наиболее часто встречающиеся ядра урана имеют атомный вес 238, т. е. состоят из 238 нуклонов. Поскольку протоны имеют электрический заряд, а нейтроны лишены его, мы можем утверждать, что из числа нуклонов, составляющих ядро урана, 92 являются протонами, остальные нейтронами (238—92 = 146).
Атомные ядра двух атомов, имеющие одинаковый заряд, но разные массы, называются изотопами. Одно из ядер, например, имеет заряд 92 и массу 235; этот атом, таким образом, является изотопом урана-238. Поскольку именно заряд определяет химические свойства атома, составной частью которого является ядро, оба атома, имеющие эти изотопные ядра, обладают, по существу, одинаковыми химическими свойствами и оба они являются атомами урана (Изотоп урана-235 используется для производства атомных бомб).
Многие ядерные реакции сопровождаются выделением огромного количества энергии. В результате радиоактивного распада вещества выделяется большое количество энергии, но поскольку все радиоактивные вещества, имеющиеся у нас в больших количествах, распадаются медленно, высвобождение ее длится так долго, что не вызывает особой тревоги. И лишь только после того как нам удалось расщепить ядра урана и плутония, мы смогли добиться столь быстрого и интенсивного высвобождения энергии, необходимого для взрыва атомной бомбы. Другая и несравненно более важная атомная реакция происходит внутри Солнца и других звезд, снабжая их энергией, которую они затем посылают в пространство. Реакция эта гораздо более сложная, но результат ее таков: четыре протона объединяются в ядро гелия и испускают два позитрона. Таким образом, водород Солнца постепенно «сгорает» в гелий. Не будь такого «костра», температура Земли упала бы вскоре до «абсолютного нуля» (273°С ниже нуля). Человек еще не р состоянии производить в больших масштабах подобную атомную реакцию, которая гораздо более эффективна, чем расщепление урана для высвобождения энергии, но вполне вероятно, что вскоре нам удастся успешно использовать ее или какой-либо подобный процесс (термоядерную энергию).
Атомные ядра, которые вместе с электронами образуют мир, в котором мы живем, образовались, вероятно, несколько миллиардов лет тому назад в результате объединения свободных протонов и нейтронов. Вполне вероятно, что процесс этот и сейчас происходит внутри звезд.
В настоящее время грандиозные ядерные реакции происходят внутри Солнца и звезд. Температура у центра Солнца составляет примерно 20 миллионов градусов, и она как раз достаточна для «воспламенения» водорода, в результате чего он сгорает, превращаясь в гелий. Продуктом этих реакций является большое количество нейтронов, которые, присоединяясь к протонам, образуют более тяжелые элементы. В некоторых очень горячих звездах ядерные процессы очень эффективны; во вспыхивающих звездах, «новых» или «сверхновых», в частности, можно ожидать образования более тяжелых элементов в значительных количествах. Таким образом, возможно, что элементы образуются в недрах звезд, а затем выбрасываются в окружающее их пространство.
Таковы некоторые животрепещущие аспекты ядерной физики; но наряду с ними существуют и другие проблемы, правда, менее сенсационные, однако не менее важные, представляющие не меньший интерес.