Нобелови лауреати – 1963 година

Й. Ханс Д. Йенсен (J. Hans D. Jensen)

25 юни 1907 г. – 11 февруари 1973 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Юджийн Уигнър и Мария Гьоперт-Майер)

(За откритията му, засягащи структурата на ядрената обвивка.)

Германският физик Йоханес Ханс Даниел Йенсен е роден в Хамбург в семейството на градинаря Карл Йенсен и Хелен Ом. Блестящите успехи на младия Йенсен в училище му позволяват да получи стипендия за обучение в Оберреалшуле в Хамбург. Като завършва училището през 1926 г., той продължава да учи физика, математика, физическа химия и философия в университетите във Фрайбург и Хамбург. Когато получава докторска степен по физика в Хамбургския университет (1932 г.), Йенсен е оставен там да работи като асистент-изследовател. През 1936 г. защитава докторска дисертация по физика в Хановерския технически университет, а от 1949 г. е професор по физика в Хайделбергския университет, където през 1955 г. е назначен за декан на физическия факултет. През 1969 г. е удостоен със званието почетен професор.

Първата разработка на Йенсен е посветена на теорията за материалите (квантовомеханичното излъчване на йонните решетки, систематичното разположение на атомите в кристалите) и на техните свойства при свръхвисоко налягане. Изследването на йонните решетки подтиква Йенсен през 1947 г. към решаване на проблема за отката, възникващ при излъчването от атомните ядра в молекулите и кристалите. При излъчване на „прикрепени“ към решетката на радиоактивните атоми масивни частици или фотони атомите са подложени на откат – иначе казано, движат се в противоположно направление като пушка след изстрел. Значението на тези изследвания е оценено по достойнство едва през 1958 г., когато Рудолф Л. Мьосбауер открива явлението гама-излъчване без откат. Гама-излъчването поема цялата енергия на ядрения преход, затова преходът става много точно определим (ефект на Мьосбауер).

От самото начало на своята научна дейност Йенсен следи внимателно еволюцията на представите за ядрото. С откриването през 1932 г. на неутрона от английския физик Джеймс Чадуик е доказано, че ядрото се състои от протони (масивни частици с единичен положителен електрически заряд) и неутрони (частици с маса, почти тъждествена с масата на протона, но без електрически заряд). За да се обясни поведението на ядрото, са предложени много модели на ядрената структура, състояща се от протони и неутрони. А първите наблюдения показват, че ядра с определени номера, Юджийн П. Уигнър ги нарича магически, са необичайно стабилни (иначе казано – вероятността да преминат в други ядра при едно или друго излъчване или в резултат от ядрени реакции е много малка) и относително широко разпространени в природата. Стабилността и разпространеността са взаимно свързани, защото стабилните ядра не се разпадат и имат способността да се натрупват. През 1933 г. немският физик Валтер Елзасер предлага модел, според който протоните и неутроните са включени по някакъв начин в орбитално движение, а орбитите им, както изисква квантовата теория, съответстват на дискретни енергии. Когато се добавят към ядрото нови протони или неутрони, броят на орбитите се увеличава. Енергиите на орбитите не са отдалечени на еднакви величини, а „се събират“ на групи, или обвивки, разделени от относително широки енергетични пространства. Когато добавеният протон или неутрон заема последното от „разрешените“ енергетични равнища, се смята, че обвивката е затворена и ядрото е особено стабилно. Да се изтръгне нуклон (събирателно название на протона и неутрона) от такава обвивка е трудно, а добавянето на нов нуклон изисква относително голяма енергия, защото той трябва „де се издигне“ до началото на следващата обвивка. Моделът на Елзасер позволява да се опишат няколко леки ядра. Но той се оказва недостатъчен за описанието на по-тежки ядра или на ядра, намиращи се в силно възбудени състояния.

Да се мисли в рамките на ядрените обвивки било за физиците обичайно и удобно заради аналогичното положение в атома като цяло с електроните, които обикалят около ядрото. (Уточненият вариант на квантовата теория отхвърля привлекателната проста картина, предложена някога от Нилс Бор – модел, в който електроните обикалят на различни дискретни разстояния от ядрото, но моделът продължава да бъде полезен.) Енергиите на електроните, съответстващи на тяхното положение и състояние на движение, са квантувани, иначе казано – могат да приемат само определени дискретни значения (да принадлежат на определени енергетични равнища). По-конкретно - значенията на енергията съответстват на ъгловите моменти на електроните по отношение на орбиталното им движение. Квантовата теория (прогнозите за която се потвърждават от експериментите) свързва с всяко разрешено значение на ъгловия момент определен брой енергетични равнища. Освен това електроните се въртят около своята ос като пумпали. Тъй като движението на електроните създава електрически ток, възниква магнитно поле. Както два магнита се привличат или отблъскват, така ъгловите моменти и спиновете на електроните си взаимодействат (спин-орбитална връзка), стремейки се да се подредят в едно направление. В резултат от това възникват допълнителни електронни равнища.

Атомните енергетични равнища се групират по естествен път в обвивки, разделени от относително големи енергетични пространства между електроните, запълващи горните слоеве на по-ниската обвивка, и електроните, запълващи долните равнища на следващата, по-висока обвивка. Затворената обвивка означава стабилност. В случая става въпрос за химическа стабилност, защото химическите реакции са свързани със загуба, с присъединяване или с обвързване на електрони. Обвивките обясняват периодичната система, в която химическите елементи показват, че химическите свойства са циклични, или периодични, повтарят се с увеличаването на атомния номер. При някои номера атомите се отличават с особена стабилност. Такива са например номерата на елементите, известни като „благородни“ газове, към които принадлежат хелият, неонът, аргонът, ксенонът и радонът (химически те са почти инертни). Периодичната повторяемост на химическите свойства, свързана със запълването на обвивките и началото на следващите обвивки, произтича от принципите на квантовата физика, приложени към електронните енергетични равнища.

Интересът на Йенсен към анализа на възможностите на обвивките в структурата на ядрата се увеличава още повече, когато геохимикът Ханс Е. Зюс и специалистът по експериментална ядрена физика Ото Хаксел се обръщат към него с молба да вземе предвид някои характерни закономерности, наблюдавани от тях в толкова отдалечени една от друга области като ядрената физика и геохимията. Зюс обръща внимание на необичайната разпространеност на някои елементи и на техните изотопи (атомни ядра с еднакъв брой протони, но с различен брой неутрони). За своите наблюдения той съобщава на Хаксел, който открива необикновени ядрени свойства на изотопите. При ядрата с магичен брой протони или неутрони разпространеността и стабилността съвпадат. Но Йенсен не знае как да включи в своята теоретична схема понятието магичен брой и не е убеден в неговата важност.

Началото на Втората световна война спира изследванията на Йенсен и, по негови думи, „потапя германските физици в състояние на задушлива изолация“. Едва няколко години след края на войната той успява да поднови разговора в Копенхаген с Нилс Бор, когото уважава много.

В Копенхаген Йенсен прочита статията на Мария Гьоперт-Майер „За затворените ядрени обвивки“ („On Closed Shells in Nuclei“), в която се разглеждат всички съществуващи емпирични данни, събрани от авторката при търсенето на интерпретации за магическия брой. Статията на Гьоперт-Майер събужда отново интереса на Йенсен към като че ли изоставената тема. Сред моделите, които той разглежда, е моделът на ядро, състоящо се от движещи се по орбита протони и неутрони със силна спин-орбитална връзка. Тази представа противоречи на господстващите по това време мнения на водещите физици, които смятат, че е малко вероятно в ядрото да има силна спин-орбитална връзка. Както отбелязва по-късно Йенсен, „за щастие не бях много добре образован, не бях запознат с тези възгледи и не помнех особено добре старите възражения срещу силната спин-орбитална връзка“. Въпреки първите успехи в изследванията на магичния брой, Йенсен е неуверен заради своето разминаване с общественото мнение и не е учуден, когато сериозно списание отхвърля неговите бележки за получените резултати, мотивирайки откъса си с това, че става въпрос „не за физика, а за игра с числа“.

Дискусията с Бор и с други учени позволява на Йенсен да стане по-уверен и да развие своята теория за ядрените енергетични равнища, свързани с орбиталните ъглови моменти и с влиянието на ядрения спин, а също така да обясни съществуването на всичките седем известни магически числа: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Схемата на Йенсен напомня малко аналогичната схема на атомните електрони, но изисква промени заради разликите между атома и ядрото като цяло. Например електроните се намират сравнително далече от ядрото и един от друг (атомът е в основни линии празно пространство), а нуклоните са плътно опаковани. Върху електроните въздействат добре известните електрически сили. Електроните се движат в силово поле, който има очевиден център на привличане в положително зареденото ядро. В ядрото няма толкова явно изразен гравитационен център.

Когато през 1949 г. Йенсен изпраща теоретична статия за ядрените обвивки във „Физически преглед“ („Physical Review“), научава, че Гьоперт-Майер е стигнала до аналогични изводи и е изпратила своя статия в същото списание. Двете статии са публикувани в два негови броя. По-късно Йенсен и Гьоперт-Майер се срещат в Германия, сприятеляват се и през 1955 г. пишат заедно книгата „Елементарна теория за структурата на ядрената обвивка“ („Elementary Treory of Nuclear Shell Structure“). Тяхната теория позволява да се обясни възбуждането на ядрата при сблъскване с масивни частици и гама-кванти, да се предскаже ниската вероятност за прихващане на електрони от така наречените магически ядра и съществуването на многобройни изомери на ядрата с големи значения на ъгловия момент. Изомери се наричат ядра, които имат еднакъв брой протони и неутрони, но се различават по състоянието си на възбуждане и по скоростта на радиоактивното си разпадане. Предположенията на Йенсен и Гьоперт-Майер са потвърдени по-късно експериментално.

Освен проучванията, за която получава Нобелова награда, Йенсен изследва и така наречения голям резонанс при ядрения фотоефект. През 1955 г. той изказва предположението за така наречената гама-инвариантност на слабото взаимодействие (слабите сили са свързани с радиоактивността, силните задържат нуклоните в ядрото).

Йенсен гостува като професор по физика в Уисконсинския университет (1951 г.), в принстънския Институт за фундаментални изследвания (1952 г.), в Калифорнийския университет в Бъркли (1952 г.), в университета в щат Индияна (1953 г.), в университета в щат Минесота (1956 г.) и в Калифорнийския университет в Ла Хоя (1961 г.).

Скромен и сдържан човек, Йенсен остава през целия си живот ерген, живее в жилище, разположено над Института по теоретична физика в Хайделберг. В свободното си време обича да се занимава в градината на института и да развъжда костенурки. От 1955 г. до смъртта си е съредактор на „Списание за физика“ („Zeitschrift für Physik“).

Йенсен е член на Хайделбергската академия на науките, на дружеството „Макс Планк“ и е почетен доктор на Хановерския технически университет.

Превод от руски: Павел Б. Николов