НЕОБЫЧАЙНЫЕ АТОМЫ. Позитроний

НЕОБЫЧАЙНЫЕ АТОМЫ. Позитроний

Великий закон природы — периодический закон Менделеева — привел науку к раскрытию многих тайн, к разгадке многих загадок о строении вещества.

Мы теперь знаем, что все элементы, где бы они ни существовали — на Земле, на далеких планетах или на недосягаемых звездах,— все они построены по единому плану: вокруг тяжелого положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтро­нов, вращаются легкие электроны. Число зарядов ядра, равное числу электронов, определяет химическую при­роду элемента.

В начале периодической таблицы на первом месте стоит водород. Его атом наиболее прост — один про­тон и один электрон.

А могут ли быть атомы легче водорода? Во всех ли атомах вокруг ядра вращаются электроны? Воз­можны ли атомы без положительного ядра? Суще­ствуют ли атомы без электронов? Совсем еще недав­но подобные вопросы звучали бы просто нелепо. Но в последние годы физики обнаружили, что сущест­вуют весьма странные «атомы». Правда, их жизнь очень коротка. Они рождаются в созданных человеком ускорительных установках, возникают при распаде искусственных радиоактивных изотопов. Много еще загадочного в этих таинственных частицах, и много надежд связывает наука с полной разгадкой их тайны.

ПОЗИТРОНИЙ

Самый удивительный из странных атомов — это, конечно, атом позитрония — вещества, кото­рому нет и не может быть места в менделеевской таб­лице. Однако это вещество теперь хорошо известно ученым. И не только физикам. Химики уже научи­лись применять атомы позитрония в своей повседнев­ной работе — когда они изучают строение сложных органических соединений.

Позитроний очень своеобразный атом — атом без атомного ядра. Он почти в тысячу раз легче самого легкого атома — атома водорода. Образуется он при встрече позитрона, возникающего при распаде ядер многих изотопов, с обычным отрицательным электро­ном. Атом позитрония состоит из двух анти­частиц.

В атоме позитрония нет тяжелого ядра, как в атоме водорода, где масса протона почти в две тысячи раз больше массы вращающегося вокруг него элект­рона. Массы позитрона и электрона, образующих позит­роний, очень малы и равны между собой. Этот стран­ный атом лишен центрального атомного ядра. Обе эле­ментарные частицы в нем вращаются вокруг друг друга или, вернее, вокруг их общего центра тяжести.

«Танец» двух античастиц очень сложен. Ученые установили, что он может происходить по-раз­ному. Вращаясь на общей орбите друг за другом, оба микропартнера в то же время вращаются каждый вокруг своей собственной оси, а это вращение может быть различным: либо в одну и ту же сторону, либо в разные.

Поэтому возможно существование двух изомеров позитрония, т. е. он может существовать в двух фор­мах. В первом случае возникает атом орто-позитрония, а во втором — атом пара-позитрония. По существу эти изомеры больше ничем друг от друга не отлича­ются, как не отличаются один от другого волчки, запу­щенные в разные стороны.

Но один из великих законов сохранения, управ­ляющих атомным миром,— закон сохранения момента количества движения — вносит большие и важные различия в дальнейшую судьбу обоих атомов.

Орто-позитроний с точки зрения атомных масштабов времени жи­вет очень долго. Каждый атом его существует в среднем почти полторы десятимиллионных доли секунды. За это время электрон и позитрон ус­певают в нем совершить не один миллион оборо­тов. По нашим привыч­ным земным часам его существование неимо­верно кратко. Он исче­зает практически мгно­венно. Жизнь пара-позитрония еще в тысячи раз короче.

Но это еще не самое удивительное в судьбе изомеров позитрония. Античастицы сосуществовать не могут. Их взаимодействие с неумолимой неиз­бежностью приводит к взрыву, в микромире происхо­дит катастрофа, и обе античастицы исчезают. Вспышка коротковолнового излучения — и они превращаются в гамма-кванты. Вместо них рождаются фотоны.

Но орто- и пара-позитроний гибнут по-разному. Непреложный закон сохранения импульса заставляет каждый атом орто-позитрония превращаться в три кван­та, при исчезновении же атома пара-позитрония могут возникнуть только два кванта, разлетающиеся в про­тивоположные стороны.

Но, пожалуй, самое удивительное то, что позит­роний, этот загадочный, почти невесомый, живущий мгновение атом, способен вступать в химические реак­ции, подобно атому водорода. Особенно энергично позитроний реагирует с теми химическими соедине­ниями, у которых присутствуют свободные валентно­сти. Наиболее чувствителен позитроний к свободным радикалам, к атомам и электронам.

Это замечательное свойство позитрония химики сумели использовать для решения сложных, чисто химических проблем, возникающих при изучении при­роды химической связи. Оказалось, что при реак­ции орто-позитрония с веществом, в молекулах которого есть неспарен­ные электроны, он прев­ращается при распаде не в три, а в два кванта. Это легко обнаружить и измерить гамма-счетчи­ками.

Еще недавно казав­шийся невозможным атом-призрак, построен­ный из двух несовмести­мых античастиц, стал у физико-химиков замеча­тельным средством иссле­дования тончайших дета­лей и различий в характере химических связей и строения молекул. Позитроний скоро станет совсем обычным в лаборатории ученого и поможет ему рас­крыть немало нового в природе.