Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Если идея превращения фермионов в бозоны за счет сцепления в пары справедлива, то, возникает законный вопрос: а не может ли изотоп ³Не, который обладает спином и является фермионом, также оказаться сверхтекучим, как и ⁴Не?

Было с самого начала очевидно, что если это явление и существует, то во всяком случае при температурах много более низких, чем температура перехода в сверхтекучее состояние основного изотопа ⁴Не. Причина ясна: ядро атома ³Не состоит из двух протонов и одного нейтрона. Значит, он на 25 % легче своего собрата. Поэтому, разумеется, тепловое движение ³Не будет более интенсивным и создание стройного марша бозонов станет возможным при более низких температурах. Но при каких? К сожалению, теория не могла предсказать температуры перехода ³Не в сверхтекучее состояние. Потребовалось фантастическое упорство и преодоление огромных трудностей, прежде чем в 1974 г. был получен сверхтекучий

³Не.

При какой же температуре происходит этот переход? Вот ответ, который стоило бы напечатать жирными буквами: при температуре, равной 0,0027 К. Может быть, читатель скажет: «Подумаешь, всего лишь на два градуса ниже температуры аналогичного перехода ⁴Не». О нет! Эти два градуса стоят много больше похолодания на два градуса, скажем, с температуры 20 до 18 °C. В этом житейском событии температура понизилась в 293/291 раза, а в случае, в котором мы ведем речь, температура понижена в 1000 раз. Это огромный успех экспериментальной физики и торжество теоретической, предсказавшей спаривание атомов ³Не в бозонную пару.

Зрительный образ помогает запоминанию. Для этого я привожу схему пары на рис. 5.5.

Магнитные моменты двух атомов направлены в одну сторону. Таким образом, переход ³

Не в состояние конденсации Бозе-Эйнштейна должен сопровождаться скачкообразным изменением частоты магнитного резонанса. Ведь пара ведет себя как одно целое. Именно это и было обнаружено на опыте. Воистину блестящая страница физики, и было бы грешно не рассказать о ней читателю, несмотря на отсутствие возможности пояснить, при каких условиях и на основании каких причин происходит спаривание фермионов в бозонную пару.

МАССА И ЭНЕРГИЯ АТОМНОГО ЯДРА

Бегло было упомянуто, что массовое число округляет точное значение массы ядра до целого числа.

Сейчас принято выбирать атомную единицу массы (мы говорили об этом в 1-й книге) как 1/12 часть массы изотопа углерода ¹²С.

Относительные массы изотопов всех атомов отличаются от целых чисел хоть и незначительно, но столь существенно, что свалить эти различия на экспериментальные ошибки никак невозможно. Масса ¹Н равна 1,00807, масса дейтерия вовсе не в два раза больше, а равна 2,01463.

Изучая внимательно таблицы масс изотопов, можно прийти к следующему важному выводу: масса ядра меньше суммы масс элементарных частиц, образующих ядро. Например, масса нейтрона 1,00888, масса протона 1,008807, масса двух нейтронов и двух протонов равна 4,0339 (в атомных единицах массы — 1 а. е. = 1,66∙10^-27 кг). В то же время масса ядра атома гелия, который состоит из двух нейтронов и двух протонов, не равна этому числу, а равна 4,0038. Таким образом, масса ядра гелия меньше суммы масс составляющих ядро частиц на величину 0,0301 а. е. м., в тысячи раз превосходящую точность измерений.

Нет никакого сомнения, что эти малые различия имеют глубокий смысл. Но какой?

Ответ на этот вопрос принесла теория относительности. И появление ее на сцене в этот момент несомненно более эффектно, чем тогда, когда опыт подтвердил зависимость массы электрона от скорости его движения. То, что сумма масс протонов и нейтронов, составляющих ядро, меньше массы ядра, — явление, получившее название дефекта массы (плохой перевод с английского — масса ведь не «испортилась», а уменьшилась), — получает точную и ясную трактовку с помощью знаменитой формулы Е = mc². Если система приобретает или теряет количество энергии ΔE, то масса этой системы соответственно возрастает или уменьшается на величину

Δm

= ΔЕ/с².

Дефект массы ядра (с точки зрения этого принципа) получает естественное истолкование: он является мерой энергии связи ядерных частиц.

Под энергией связи в химии и физике понимают ту работу, которую надо затратить для того, чтобы эту связь полностью нарушить. Если бы удалось разделить ядро на несколько частей, то масса системы возросла бы на величину дефекта массы Δm.

Разрушение ядра привело бы к выделению огромной энергии. Нетрудно прикинуть, что изменение массы на одну тысячную долю атомной единицы массы, т. е. на 1,66∙10^-27 г, эквивалентно примерно 1 МэВ.