ЭКЗОТИЧЕСКИЕ АТОМЫ
Профессор К. ВИГАНД.
Еще совсем недавно казалось, что все атомы в природе построены из трех составных частиц - протонов и нейтронов в ядре, и электронов в виде окружающих ядро оболочек. Открытие и изучение античастиц привели к выводу о возможности существования «антивещества» с ядрами из антипротонов, и антинейтронов и позитронными оболочками (вместо электронных] вокруг этих ядер.
Но, и этим далеко не исчерпывается ассортимент возможных атомов. Благодаря успехам физики элементарных частиц мы знаем теперь об уже наблюдавшихся или пока «невиданных», но все же заведомо возможных, новых экзотических атомах, в состав которых входят короткоживущие отрицательные или положительные мезоны, или гипероны. Отрицательная частица живет в таком атоме на правах электрона, положительная - играет роль ядерного протона.
Все новые атомы нестабильны-либо из-за нестабильности самих «заместителей», протонов и электронов, либо из-за их взаимного уничтожения, аннигиляции с постоянными «жильцами» атомов - антипротонов с протонами, позитронов с электронами. Однако, несмотря на очень малое время жизни, а зачастую именно благодари своей недолговечности, новые экзотические атомы оказались эффективным инструментом исследования ряда проблем ядерной физики, физики твердого тела, химии. Это меченые атомы, излучение которых позволяет проследить за каждым из них в отдельности, от его рождения до гибели. Это, пожалуй, даже нечто большее, чем рядовые радиоактивные атомы, ибо их судьба - длительность жизни, характер превращений, картина исчезновения экзотических атомов - зависит от свойств окружающего их вещества. Поэтому биографии экзотических атомов служат описанием свойств вещества на всех уровнях - ядерном, атомном, молекулярном, кристаллическом.
Статья К. Виганда рассказывает лишь об одном направлении исследований экзотических атомов. В ней говорится только об электроотрицательных «заместителях» электронов, и таким образом за границами статьи остаются такие особо важные для физики твердого тела и химии новые атомы, как мюоний, и позитроний - своеобразные изотопы водорода, в которых протон замещен положительным мюоном или позитроном. Но даже применительно к экзотическим атомам с отрицательными мезонами или гиперонами автором рассмотрена только их значимость для изучения структуры ядер. Очевидно, поэтому в статье ничего не сказано о тех направлениях, где ведущую роль сыграли работы советских ученых, например, о мюонном «катализе» реакций слияния ядер изотопов водорода с «холодным» синтезом гелия, об образовании и превращении мюонных и пионных мезомолекул. Все это темы для отдельного разговора, и то, что они не затронуты в статье К. Виганда, не может умалить ее достоинств.
Автор статьи - сотрудник Радиационной лаборатории имени Э. Лоуренса в Беркли [Калифорния, США). Он широко известен среди физиков всего мира, как один из авторов открытия антипротона. Член-корреспондент АН СССР В. ГОЛЬДАНСКИЙ.
Электрон в атоме может быть на некоторое время заменен другой частицей. Возникающие атомы нового типа - экзотические атомы - служат для изучения строения атомного ядра, в частности его архитектуры.
В атомах, как известно, облака заряженных электронов окружают положительно заряженное ядро. Простейший из атомов - атом водорода, в котором имеется один электрон, а ядром является протон. Наиболее сложный из известных атомов состоит из 105 электронов, окружающих ядро, которое содержит 105 протонов, и 157 нейтронов. В случае экзотических атомов один из электронов искусственно заменяют совершенно другой отрицательно заряженной частицей. Семь различных отрицательных частиц в принципе могли бы заменить электрон, и пять из них уже успешно были «пристроены» в те или иные атомы.
При изучении космических лучей в 40-х годах были открыты новые частицы - мезоны. Мезоны - это короткоживущие частицы с различной массой, лежащей в диапазоне между массой электрона, и массой протона (масса протона в 1 840 раз больше массы электрона). Первыми мезонами, полученными на ускорителях, были пионы или пи-мезоны. И в первых экзотических атомах электроны были успешно заменены отрицательными пионами.
За исключением некоторых специальных модификаций все экзотические атомы похожи на атом водорода. Согласно модели атома, предсказанной Нильсом Бором, электроны движутся на дискретных орбитах, окружающих ядро. Электрон не может при этом находиться между орбитами. Каждой орбите соответствует число, называемое главным квантовым числом, и обозначаемое обычно буквой п. Когда атом водорода находится в основном состоянии, то есть в состоянии с самой низкой энергией, его электрон движется по первой боровской орбите, главное квантовое число которой равно 1. Радиус этой орбиты - 5 – 10^-9 см. Атом может возбудиться - перейти в состояние с более высокой энергией в результате поглощения фотона. При этом, например, электрон может совершить скачок на следующую боровскую орбиту (п = 2). Затем за время, равное примерно 10^-8 сек., атом сам испускает фотон, и возвращается в свое основное состояние; электрон вновь переходит на первую орбиту.
Квантовое число орбиты, на которую перескакивает электрон, зависит от энергии фотона, поглощенного атомом. Чем выше эта энергия, тем дальше орбита (п = 3, п=4, п=5 и т. д.). Когда энергия достаточно высока, чтобы совсем удалить электрон, атом становится ионизированным. Для водорода энергия ионизации равна 13,6 электрон-вольта, что соответствует энергии фотона в далекой ультрафиолетовой области. Одинокий протон в конце концов захватит свободный электрон или «украдет» его у другого атома. Вновь захваченный электрон будет постепенно перепрыгивать с далеких орбит на близкие, пока не достигнет основного состояния (п=1) При каждом таком прыжке атом будет излучать фотоны.
Экзотический атом, получающийся в результате замены электрона на другую отрицательно заряженную частицу, ведет себя в основном таким же образом. Однако на его поведении сказываются две важные особенности для одних, и тех же квантовых чисел радиусы орбит обратно пропорциональны массе частицы, находящейся на орбите, а энергетические уровни прямо пропорциональны массе.
Для иллюстрации посмотрим, к чему это приведет в экзотическом атоме водорода, у которого вместо электрона «посажен» отрицательно заряженный пион (частицы могут иметь, как положительный, так и отрицательный заряд). Пион в 273 раза тяжелее электрона, поэтому диаметр пионного атома в 273 раза меньше диаметра атома водорода, а энергия, необходимая для того, чтобы заставить пион перепрыгнуть с одной орбиты на другую, в 273 раза больше энергии, требуемой для соответствующего скачка электрона в атоме водорода.
Чтобы создать экзотический атом с отрицательными пионами, образующиеся в ускорителе мезоны направляют на соответствующую мишень. Замедлившись в веществе мишени, отрицательно заряженные ме зоны «садятся» на атомную орбиту. При этом атом в итоге остается электрически нейтральным, - при захвате мезона из него выбрасывается один из электронов. Обычно мезоны попадают на орбиты с большим квантовым числом, и более 30, а затем перескакивают с одной боровской орбиты на другую, приближаясь к ядру. Весь этот процесс длится около 10~11 сек. При этом излучаются жесткие фотоны - рентгеновские лучи. Измеряя энергию этих фотонов, мы можем изучать экзотические атомы.
В течение 20 лет были известны два вида экзотических атомов. Один из них - пионный атом В состав другого - мюонного атома - входят мю мезоны, или, как их сокращенно называют, мюоны Изучая их свойства, получают много данных о структуре ядра, в частности о распределении протонов внутри ядер. Мюоны особенно ценны для исследования наружных слоев ядра, поскольку они взаимодействуют только с электрическим зарядом протонов и не «чувствуют» сильной ядерной силы, связывающей нуклоны (нейтроны в протоны) в единое целое. Из-за большой массы мю-мезона некоторые мюонные орбиты с невысоким главным квантовым числом так малы, что они фактически расположены внутри ядра.
Но наиболее распространенными частицами для создания экзотических атомов все же остаются пионы. Подобно мюонам, и электронам, пионы «чувствуют» электромагнитное поле ядра, но, кроме того, на них действуют и ядерные силы. Эти силы действуют лишь на очень коротких расстояниях, порядка 10^-13 см, и проявляются в сильных взаимодействиях, способных превратить одну частицу в другую.
После того, как на атомные орбиты удалось поместить пионы и мюоны, логично было в качестве заменителя электронов испробовать отрицательные каоны (К-мезоны).
Получить пучки каонов значительно труднее, чем пучки пионов или мюонов. Пучки пионов, и мюонов можно создавать на циклотронах со средней энергией, в то время, как для практических целей отрицательные каоны можно получить только на установках, которые способны ускорять частицы до энергии выше пяти миллиардов электрон-вольт. Однако все трудности с получением каонных атомов могут окупиться с лихвой
Отрицательные каоны бурно взаимодействуют с нейтронами и протонами. Поэтому изучение каонных атомов дает информацию о поверхности атомного ядра. Являются эти поверхности шероховатыми или гладкими? Содержат ли они одинаковое число протонов, и нейтронов? Или нейтронов на поверхности больше, чем протонов, как это предполагалось на основе теоретических соображений? Из более ранних исследований уже известно распределение протонов, в которых наблюдали, как рассеиваются электроны ядрами и, как ведут себя мюонные атомы, когда мюонная орбита оказывается внутри ядра. Электроны и мюоны, однако, не реагируют на присутствие нейтронов.
Наблюдая соударение каонов низкой энергии с нейтронами, и протонами в пузырьковых камерах, можно предположить, что каоны годятся на роль «нуклонных зондов». Число реакции с участием каонов на определенных расстояниях от центров ядер должно, каким-то образом быть пропорционально числу сталкивающихся с каонами нуклонов, то есть протонов и нейтронов. Каждый раз при столкновении каона с нуклоном обе частицы исчезают, и возникают две новые частицы пион и сигма-гиперон либо пион, и лямбда-гиперон.
Предположим следующую последовательность событий после захвата атомом отрицательного каона. Каон попадает на орбиту в районе и = 30 и, испытывая сильное притяжение положительно заряженного ядра, перепрыгивает на более низкую орбиту. Вероятнее всего, что в результате освободившейся при этом энергии атом испускает электроны с наружных оболочек. Эти электроны называют электронами Оже. Здесь речь идет уже не об экзотическом водороде, а о более сложных экзотических атомах, имеющих достаточно большой положительный заряд ядра, и достаточно большое количество электронов на орбитах. При каждом прыжке каона с одной орбиты на другую испускается рентгеновское излучение с длиной волны, соответствующей энергии этого прыжка. В конце концов каон входит в область, близкую к поверхности ядра, где он может встретиться с нуклоном в «разреженной нуклонной атмосфере»
Исчезновение линий спектра рентгеновского излучения можно интерпретировать, как сигнал о том, что каон вступил в реакцию с нуклонами на поверхности ядра. Однако эксперименты показали, что каоны встречаются с нуклонами раньше, чем они достигают поверхности ядра. Отсюда быт сделан вывод, что каоны вступают в реакцию с разреженным «гало» нейтронов, окружающим ядро.
Среди физиков-теоретиков пет полного согласия относительно интерпретации экспериментальных данных. Некоторые из них интерпретируют экспериментальные результаты так, что на поверхности ядра число протонов и нейтронов оказывается одинаковым. Другие же считают, что на поверхности ядра доминируют нейтроны. Теоретические вычисления основаны на концепции, что нуклоны образуют ядро такой формы, при которой обеспечивается минимум его полной энергии. Аналогичным образом свободная капля жидкости принимает форму сферы, если на псе по оказывают влияния внешние силы. Если учесть все известные свойства нуклонов, то получится конфигурация ядра, в которой радиус распределения нейтронов слегка больше, чем протонов.
Возникают, и другие трудности при упрощенном предположении, что наблюдаемые спектры каонпого рентгеновского излучения связаны с нейтронным поверхностным слоем ядра. Внутри ядра протоны при определенных условиях притягивают друг друга особенно сильно, и в результате может усилиться взаимодействие каонов со связанными в ядре протонами. Если это так, то преждевременное исчезновение каонов можно объяснить «волчьим аппетитом» некоторых протонов, а не избытком нейтронов. Есть, и другие эффекты, которые в, какой-то части не согласуются с упрощенной картиной, подсказанной аналогией с экзотическим атомом водорода.
Количественные оценки упомянутых эффектов противоречивы. Очевидно, что необходимы дополнительные данные и вычисления, чтобы установить структуру ядерной поверхности, и распределение нейтронов внутри ядра. Однако, несмотря на сложность проблемы, физики, работающие с экзотическими атомами, уверены, что в результате их исследований будет внесена ясность в модель ядра.
Ведутся также эксперименты с антипрогонными экзотическими атомами - в них орбитальный электрон заменен отрицательно заряженным протоном (антипротоном). Долгое время считалось, что антипротонные атомы испускают рентгеновское излучение со спектром, аналогичным спектру каонных атомов. Но недавно в этих спектрах обнаружили одно существенное отличие. Почти всегда можно видеть, что каждая линия спектра у аптипротонного экзотического атома дуплетная, то есть состоит из двух отдельных линий. Откуда появляется это расщепление линий?
Антипротоны и протоны обладают спином, и магнитным моментом, они ведут себя, как вращающиеся магниты. У одних частиц северный полюс этих «магнитов» направлен «вверх», а у других «вниз» (направление, конечно, условное); ориентироваться можно по направлению орбитального движения вокруг ядра. В антипротонных атомах энергетические уровни различных орбит антипротона несколько отличаются друг от друга, и это различие связано с направлением спина антипротона. Линии рентгеновского спектра вращающихся частиц расщепляются в связи с этим на две компоненты, и величину этого расщепления можно вычислить.
Полагают, что магнитные моменты протонов и антипротонов точно совпадают по величине, но противоположны по знаку. Это предположение основано на самых священных принципах физики - принципах симметрии. Считается, что если переменить знак всех зарядов (отрицательный на положительный), поменять знак всех пространственных координат ( - х на +х, и т. д.), заставить время течь назад (то есть поменять t на - t), то результаты всех экспериментов в «отрицательном» мире будут такие же, как в «положительном». Физики любят проверять этот принцип при каждой возможности. Расщепление спектральных линий рентгеновского излучения в экзотических антипротонных атомах урана наблюдала прошлым летом группа физиков в Брукхевене. Они нашли, что магнитный момент антипротонов противоположен по знаку магнитному моменту протонов и, что вся картина не противоречит принципам симметрии. Пройдет, вероятно, еще некоторое время, пока измерения станут достаточно точными, чтобы можно было провести решающую проверку этих принципов в экспериментах с экзотическими атомами. А пока можно ожидать, что антипротопные атомы займут свое место рядом с пионпым и каонными атомами в качестве «зондов» при изучении ядра
Как уже было сказано, каоны взаимодействуют с нуклонами с образованием пионов, и гиперонов. В частности, в рентгеновском спектре экзотического каонного атома калия наблюдалась линия с энергией, которая соответствует скачку сигма-минус-гиперона с орбиты и = 6 на орбиту, и = 5. Ряд других исследований подтвердили образование экзотических сигма-минус-гиперонных атомов хлора и цинка.
Каковы возможности создания других экзотических атомов? В списке субатомных частиц имеется еще две кандидатуры - это частицы кси-минус, и омега-минус. Однако и эти две частицы столь редко встречаются, и их так трудно получать, что в пузырьковых камерах на самых больших ускорителях было обнаружено лишь 10 000 траекторий кси-минус частиц и только 25 траекторий омега-минус частиц. Возможно, на новых ускорителях с большей энергией, один из которых запущен сейчас в Батавии, а другой строится в ЦЕРНе, будет получено достаточное количество кси-минус, и омега-минус частиц, чтобы можно было создать и обнаружить экзотические атомы, в которые входили бы две последние кандидатуры из существующего на сегодняшний день списка.
В заключение хотелось бы рассказать о том, как в этих удивительных исследованиях, связанных, и с физикой высоких энергий и с ядерной физикой, изучение одной проблемы может привести к другой.
Вернемся к пионным, и мюонным атомам. Кроме спектральных линий рентгеновского излучения, эти атомы дают также линии, соответствующие гамма-лучам. Их испускают возбудившиеся ядра мишени, в которых остановились мезоны. Мезоны вносят энергию внутрь ядер и том самым переводят протоны, и нейтроны на возбужденные уровни в некотором смысле аналогично тому, как электроны переводятся в возбужденное состояние (п>1). Когда ядра снова возвращаются на свои основные уровни, то избыток энергии излучается в виде гамма-квантов. Поэтому, когда мы получали спектр каонного рентгеновского излучения, нас многократно спрашивали «Почему же вы не видите вместе с рентгеном еще и гамма-излучения?» В некоторых спектрах присутствовали линии с низкой интенсивностью, которые мы вначале никак не могли связать с экзотическими атомами. Но в конце концов мы установили, что эти линии отвечают ядерным гамма-лучам.
Связь ядерных гамма-лучей с каонами еще не раскрыта, но интересна следующая особенность каонных реакций. Когда каон сталкивается с ядром, он иногда превращает нейтрон в нейтральный лямбда-гиперон, образуя так называемое гиперядро. Например, в случае гелия-4 такое ядро состоит из двух протонов, нейтрона, и лямбда-гиперона. Гиперядра должны испускать гамма-лучи, которые представляют большой интерес, - энергия излучения даст информацию о силе взаимодействия лямбда-гиперона с нуклонами. А это новоя информация о сильных взаимодействиях, выяснение природы которых - один из фундаментальных вопросов современной физики.
По материалам журнала «Scientific American», Na 11, 1972 г.
Читайте в любое время
