НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1975 г. / ФИЗИКА / ЛЕО ДЖЕЙМС РАЙНУОТЪР

Лео Джеймс Райнуотър (Leo James Rainwater)

9 декември 1917 г. – 31 май 1986 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Оге Нилс Бор и Бен Рой Мотелсън)

(За откриване на връзката между колективното движение и движението на частиците в атомните ядра и за развитието на теорията за структурата на атомното ядро, основаваща се на тази връзка.)

Американският физик Лео Джеймс Райнуотър е роден в град Кансъл (щат Айдахо) в семейството на строителния инженер и управител на универсален магазин Лео Джаспър Райнуотър и Една Елиза Райнуотър. След смъртта на бащата през 1918 г. по време на епидемия от инфлуенца семейството се мести в град Ханфорд (щат Калифорния), където майката се омъжва повторно. Детските и юношеските години на момчето преминават в Ханфорд, където проявява способности към химията, физиката и математиката. Като заема първо място на олимпиада по химия, организирана със средства на Калифорнийския технически институт (Калтех), Райнуотър е приет в института като студент химик, но скоро избира за свой основен предмет физиката. В Калтех Райнуотър учи физика под ръководството на Карл Д. Андерсън, а заниманията му по биология ръководи Томас Хънт Морган. След получаването на степента бакалавър по физика през 1939 г., Райнуотър следва аспирантура в Колумбийския университет, където негови ръководители са И. А. Раби, Енрико Ферми, Едуард Телър и други водещи физици.

Когато Съединените щати влизат във Втората световна война, Райнуотър прекъсва дисертационните си изследвания и се включва в Манхатънския проект като член на Управлението за научни изследвания и развитие. Работейки под ръководството на Дж. Р. Дънинг, той използва циклотрона (вид ускорител на частици) на Колумбийския университет за изследване на поведението на атомните ядра при бомбардирането им с неутрони. След войната получените от Райнуотър данни са разсекретени и през 1946 г. той получава за тях докторска степен.

Оставайки в Колумбийския университет като преподавател, Райнуотър продължава своята работа в областта на експерименталната физика. През 1946 г. На Колумбийския университет са предоставени средства за изграждане на циклотронна лаборатория, включваща синхроциклотрон, способен да ускорява частици до много по-високи енергии от това, което е получено при по-ранните модификации на циклотроните. Райнуотър участва от самото начало непосредствено в създаването на ускорителя, който влиза в действие през 1950 г. По това време заедно със своите сътрудници Уилям Хайвънс и Ву Дзянсюн той е измерил вече сечението на взаимодействието на неутроните с повечето ядра. Новият ускорител позволява да се проведат аналогични експерименти с други частици освен неутроните, например мюоните (приличащи на електроните, но 200 пъти по-масивни и нестабилни, разпадащи се само за 2,2 милионна част от секундата) и пи-мезоните (кратки по съществуване частици, носители на силно ядрено взаимодействие, което не дава на ядрото да се разпадне.).

През 1949-1950 г. датският физик Оге Бор, който се занимава с изследвания в Колумбийския университет, се оказва съсед на Райнуотър по кабинет. Двамата физици водят помежду си непрекъснати разговори за фундаменталната структура на ядрата. По това време съществуват два главни ядрени модела: капковият модел и моделът на ядрените обвивки. Двата модела, както е известно, се основават на действията на фундаменталните сили между протоните и неутроните (известни под общото название нуклони), образуващи ядрото, и стремящи се да предскажат свойствата на десетки или стотици взаимодействащи се нуклони.

Капковият модел е предложен от бащата на Оге Бор, Нилс Бор, през 1936 г.

Той се основава на предположението, че ядрото има поведение на капка течност, способна да се колебае и да променя формата си. Макар че капковият модел позволява да се обясни удовлетворително делението на ядрото, не е достатъчен за описване на други важни негови свойства. В модела на атомните обвивки, предложен през 1949 г. от Мария Гьоперт-Майер и Йоханес Ханс Д. Йенсен, нуклоните се движат по независими концентрични орбити, или обвивки: тяхното движение прилича много на движението на електроните в атома с изключение на това, че при нуклоните няма действаща върху тях централна сила. Според модела на атомните обвивки силата, която действа на един нуклон, е равна на сбора от силите, с които му действа всеки от останалите нуклони в ядрото. Сумата от тези сили създава силово поле, за което Гьоперт-Майер и Йенсен предполагат, че има сферична симетрия. Макар че моделът на атомните обвивки позволява да се предскаже успешно енергията на някои възбудени състояния на ядрата, в останалите случаи постига неуспех. По-специално моделът на атомните обвивки не е в състояние да отчете това, че разпределението на електрическия заряд около някои ядра няма пълна сферична симетрия.

В края на 1949 г. Чарлз Х. Таунс изнася в Колумбийския университет доклад за разминаване между предсказанията на теорията за атомните обвивки и експерименталните данни. Слушайки доклада на Таунс, Райнуотър размишлява как да бъдат обяснени тези разминавания. Идва му на ум, че запълнените с орбити обвивки на ядрото биха могли да бъдат деформирани от центробежните сили и да приемат форма, която прилича повече на елипсоид, отколкото на сфера. Като убеждава Оге Бор в достойнствата на тази идея, той публикува през 1950 г. своята хипотеза и започва да търси експерименталното ѝ потвърждение.

Размишлявайки над аналогични идеи, Бор се връща през същата година в Копенхаген преизпълнен с решимост да разработи пълна теория за поведението на ядрото. Заедно с Бен Р. Мотелсън той публикува през 1952 г. колективния модел на ядрото, използвайки идеята на Райнуотър за съгласуване на “хидродинамичното” поведение, описвано от капковия ядрен модел, с орбиталните свойства на нуклоните в модела на атомните обвивки.

Според Бор и Мотелсън колективното действие на нуклоните принуждава ядрото да се държи аналогично на капка течност. Но ядрото има обвивкова структура, способна да се деформира в подобие на елипсоид. Тези деформации се проявяват на повърхността във вид на колебания и въртеливи движения. Когато външната обвивка е напълно запълнена, ядрото остава със сферична симетрия. Но когато външната обвивка е запълнена само частично, формата на ядрото се деформира. Бор и Мотелсън откриват, че в такива деформирани ядра са възможни колебания, съпроводени с промяна на размерите, повърхностни вълни и въртеливи движения. Тези нови колективни действия не могат да бъдат предсказани от модела на атомните обвивки, защото този модел игнорира взаимодействията между нуклоните. Използвайки колективния модел за изчисляване на свойствата на деформираните ядра и анализирайки огромно количество експериментални данни, Мотелсън и Бор потвърждават през 1953 г. хипотезата на Райнуотър.

Между другото Райнуотър се връща към своите експериментални изследвания със синхроциклотрона в Колубмийския университет. Заедно с Вал Л. Фич, изследвайки през 1953 г. изпусканото от мюоните рентгеново излъчване, той открива, че съществуващите оценки за размерите на протона са били прекалено завишени.

През 1952 г. Райнуотър е назначен за професор в Колумбийския университет. От 1946 до 1978 г. е свързан с университетската циклотронната лаборатория, два пъти, от 1951 до 1953 г и от 1956 до 1961 г., е неин директор.

През 1942 г. Райнуотър се жени за Ема Л. Смит. Семейството има дъщеря, която умира в младенческа възраст, и трима синове. В свободното си време време Райнуотър изучава геология и астрономия, обича да слуша класическа музика. Умира в Йонкърс (щат Ню Йорк) скоро след оставката си от Колумбийския университет.

Освен с Нобелова награда Райнуотър е удостоен с наградата в чест на Ърнест Орландо Лорънс за физика на Комисията по атомна енергия на САЩ (1963 г.). Той е член на американската Национална академия на науките, на съвета на Института на инженерите по електротехника и електроника, на Нюйоркската академия на науките, на Американската асоциация за фундаментални науки и на Американското физическо дружество.

Превод от руски: Павел Б. Николов