Kvant. Ядерное вещество

Боровой А.А. О ядерном веществе //Квант. — 1986. — № 3. — С. 23-24.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

В состав атомного ядра входят частицы двух типов: положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Они очень близки по массе m_p ≈ m_n ≈ 1,67·10^-27 кг. Величина эта ничтожна, но, тем не менее, плотность вещества в ядре очень велика. Попытаемся оценить ее.

Опыты Резерфорда, в которых было открыто существование атомного ядра, показали, что размер его ~10^-14 — 10^-15 м. Последующие измерения дали для радиуса ядра с массовым числом А > 10 значение

\(~R \approx 1,3 \cdot 10^{-15} \sqrt[3]{A}\) м .

При этом для объема ядра (считая его сферическим) имеем

\(~V = \frac{4}{3} \pi R^3 \approx 10^{-44} A\) м³ .

Масса ядра

\(~m \approx m_p A\) ,

поэтому плотность вещества в ядре

\(~\rho = \frac{M}{V} \approx \frac{m_p A}{V} \approx 10^{17}\) кг/м³ .

Она оказывается чудовищно большой. Если бы можно было сплошь заполнить ядрами кубик объемом один кубический сантиметр, то масса этого кубика была бы равна примерно 100 миллионов тонн!

Такая грандиозная плотность ядерного вещества свидетельствует, очевидно, о существовании огромных сил притяжения, действующих между частицами, составляющими ядро. (Об основных свойствах ядерных сил рассказывается в § 107 «Физики 10».)

Кроме обычных ядер, физики-теоретики предполагают возможность существования и «необычных»: чисто нейтронных, сверхплотных (в них вещество сжато еще в несколько раз сильнее) и т. п. Экспериментальные поиски их пока не привели к положительным результатам.

Может ли в природе ядерное вещество существовать в виде больших образований? Положительный ответ на этот вопрос был получен, когда астрономы обнаружили (в 1967 году) нейтронную звезду.

Такая звезда может образоваться из обычной при быстром сжатии. В обычной звезде существует равновесие между силами гравитации, стремящимися сжать звезду, и силами давления нагретого звездного вещества, препятствующими этому сжатию. Сжатие начинается, когда внутри звезды термоядерные источники энергии исчерпают свои ресурсы. Звезда остывает, равновесие нарушается, и вещество устремляется к центру звезды. Плотность материи резко возрастает, атомные электроны «вдавливаются» в ядра и начинаются ядерные реакции превращения протонов в нейтроны. Приходит момент, когда вещество внутри звезды будет состоять, в основном, из нейтронов и иметь ядерную плотность. При этом звезда с массой, равной солнечной, должна сжаться до шара радиусом ~10 км.

Возможность существования нейтронных звезд предсказал выдающийся советский физик Л. Д. Ландау.