ЙЕНСЕН (Jensen), Йоханнес Ханс Д.

25 июня 1907 г. - 11 февраля 1973 г.
Немецкий физик Йоханнес Ханс Даниель Йенсен родился в Гамбурге в семье садовника Карла Йенсена и урожденной Хелен Ом. Блестящие успехи юного Й. в школе позволили ему получить стипендию для обучения в Оберреалшулле (Высшем реальном училище) в Гамбурге. По окончании училища в 1926 г. он продолжал изучать физику, математику, физическую химию и философию в университетах Фрейбурга и Гамбурга. Получив докторскую степень по физике в Гамбургском университете (1932), Й. был оставлен там для работы в качестве ассистента-исследователя. В 1936 г. он защитил докторскую диссертацию по физике и с 1937 г. работал в качестве приват-доцента. В 1941 г. Й. стал профессором теоретической физики Ганноверского технического университета, а с 1949 г. - профессором физики Гейдельбергского университета, где в 1955 г. был назначен деканом физического факультета. В 1969 г. он удостаивается звания почетного профессора.
Первая работа Й. была посвящена теории материалов (квантовомеханическое излучение ионных решеток, систематическое расположение атомов в кристаллах) и их свойствам при сверхвысоких давлениях. Исследование ионных решеток подтолкнуло Й. в 1947 г. к решению проблемы распределения отдачи при испускании излучения ядрами атомов в молекулах и кристаллах. При испускании 'привязанными' к решетке радиоактивными атомами массивных частиц или фотонов атомы испытывают отдачу, т.е. движутся в противоположном направлении, как ружье после выстрела. Значение этих работ Й. было оценено по достоинству лишь в 1958 г., когда Рудольф Л. Мессбауэр открыл явление испускания гамма-излучения без отдачи. Гамма-излучение уносит всю энергию ядерного перехода, поэтому сам переход становится определимым очень четко (эффект Мессбауэра).
С самого начала своей научной деятельности Й. пристально следил за эволюцией представлений о ядре. С открытием в 1932 г. нейтрона английским физиком Джеймсом Чедвиком было доказано, что ядро состоит из протонов (массивных частиц с единичным положительным электрическим зарядом) и нейтронов (частиц с массой, почти тождественной массе протона, но без электрического заряда). Для объяснения поведения ядра было предложено много моделей ядерной структуры из протонов и нейтронов. Первые же наблюдения показали, что ядра с определенными номерами, Эуген П. Вигнер назвал их магическими, необычайно стабильны (т.е. вероятность их перехода в другие ядра с испусканием того или иного излучения или в результате ядерных реакций очень мала) и относительно широко распространены в природе. Стабильность и распространенность взаимосвязаны, так как стабильные ядра не распадаются и имеют тенденцию к накоплению. В 1933 г. немецкий физик Вальтер Эльзассер предложил модель, согласно которой протоны и нейтроны некоторым образом вовлечены в орбитальное движение, а орбиты, как того требует квантовая теория, соответствуют дискретным энергиям. При добавлении к ядру новых протонов или нейтронов число орбит увеличивается. Энергии орбит отстоят друг от друга не на одинаковые величины, а 'собираются' в группы, или оболочки, разделенные относительно широкими энергетическими щелями. Когда добавленные протон или нейтрон занимают последний из 'разрешенных' энергетических уровней, считается, что оболочка замкнута и ядро особенно стабильно. Вырвать нуклон (собирательное название протона и нейтрона) с такой оболочки трудно, а добавление нового нуклона требует относительно большой энергии, так как он должен 'подняться' до начала следующей оболочки. Модель Эльзассера позволила описать несколько легких ядер. Но она оказалась недостаточной для описания более тяжелых ядер или ядер, находящихся в сильно возбужденных состояниях.
Мыслить в терминах ядерных оболочек физикам было привычно и удобнее из-за аналогичной ситуации в атоме как целом с электронами, обращающимися вокруг ядра. (Уточненный вариант квантовой теории отвергает привлекательную простую картину, некогда предложенную Нильсом Бором, - модель, в которой электроны обращаются на различных дискретных расстояниях от ядра, но сама модель по-прежнему остается полезной.) Энергии электронов, соответствующие их положению и состоянию движения, квантованы, т.е. могут принимать только определенные дискретные значения (принадлежать определенным энергетическим уровням). В частности, значения энергии соответствуют угловым моментам электронов относительно их орбитального движения. Квантовая теория (предсказания которой подтверждают эксперименты) ставит в соответствие каждому разрешенному значению углового момента определенное число энергетических уровней. Кроме того, электроны вращаются вокруг собственной оси, как волчки. Поскольку движение электронов создает электрический ток, возникает магнитное поле. Подобно тому, как два магнита притягивают или отталкивают друг друга, угловые моменты и спины электронов взаимодействуют (спин-орбитальная связь), стремясь выстроиться в одном направлении. В результате возникают дополнительные энергетические уровни.
Атомные энергетические уровни естественно группируются в оболочки, разделенные относительно большими энергетическими щелями между электронами, заполняющими верхние уровни нижней оболочки, и электронами, заполняющими нижние уровни следующей, более высокой оболочки. Замкнутая оболочка означает стабильность. В данном случае речь идет о химической стабильности, так как химические реакции связаны с потерей, захватом или обобществлением электронов. Оболочечная модель объясняет периодическую систему, в которой химические элементы расположены по атомным номерам и группируются по сходству их химических свойств. Периодическая таблица показывает, что химические свойства циклически, или периодически, повторяются по мере увеличения атомного номера. При некоторых номерах атомы отличаются особой стабильностью. Таковы, например, номера элементов, известных под названием 'благородных' газов, к числу которых относятся гелий, неон, аргон, ксенон и радон (химически они почти инертны). Периодическая повторяемость химических свойств, связанная с заполнением оболочек и началом следующих оболочек, естественно вытекает из принципов квантовой физики, примененных к электронным энергетическим уровням.
Интерес Й. к анализу возможностей оболочек в структуре ядра возрос еще больше, когда геохимик Ганс Э. Зюсс и специалист по экспериментальной ядерной физике Отто Хаксель обратились к нему с просьбой учесть некоторые характерные закономерности, наблюдавшиеся ими в столь отдаленных друг от друга областях, как ядерная физика и геохимия. Зюсс обратил внимание на необычную распространенность некоторых элементов и их изотопов (ядер атомов, обладающих одним и тем же числом протонов, но различным числом нейтронов). О своих наблюдениях он сообщил Хакселю, который обнаружил у тех же изотопов необычные ядерные свойства. У ядер с магическим числом протонов или нейтронов распространенность и стабильность совпадали. Однако Й. не знал, как включить в свою теоретическую схему понятие магического числа, и не был убежден в его важности.
Начало второй мировой войны приостановило исследования Й. и, по его словам, 'повергло физиков Германии в состояние удушливой изоляции'. Лишь через несколько лет после окончания войны он смог возобновить дискуссии в Копенгагене с Нильсом Бором, к которому он относился с величайшим уважением.
В Копенгагене Й. прочитал статью Марии Гепперт-Майер 'О замкнутых оболочках в ядрах' ('On Closed Shells in Nuclei'), в которой был дан обзор всех существующих эмпирических данных, собранных автором в процессе поиска интерпретации магических чисел. Статья Гепперт-Майер вновь пробудила в Й. интерес к заброшенной было тематике. Среди рассматривавшихся им моделей была модель ядра, состоящего из движущихся по орбитам протонов и нейтронов с сильной спин-орбитальной связью. Такое представление противоречило господствовавшим тогда мнениям ведущих физиков, считавших маловероятным существование в ядре сильной спин-орбитальной связи. Как заметил впоследствии Й., 'к счастью, я был не слишком хорошо образован, не был знаком с этими взглядами и не помнил особенно крепко о старых возражениях против сильной спин-орбитальной связи'. Несмотря на первые успехи в исследовании высших магических чисел, Й. испытывал неуверенность из-за своего расхождения с общепринятым мнением и не был удивлен, когда серьезный журнал отверг его заметку о полученных результатах, мотивируя отказ тем, что 'это не физика, а игра с числами'.
Дискуссии с Бором и другими учеными позволили Й. обрести уверенность и развить свою теорию ядерных энергетических уровней, связанных с орбитальными угловыми моментами и влиянием спина ядра, а также объяснить существование всех семи известных магических чисел: 2, 8,20,28, 50, 82,126. Схема Й. несколько напоминала аналогичную схему для атомных электронов, но требовала изменений из-за различий между ядром и атомом в целом. Например, электроны находятся сравнительно далеко от ядра и друг от друга (атом представляет собой в основном пустое пространство), в то время как нуклоны плотно упакованы. На электроны действуют хорошо известные электрические силы. Их действие проявляется на больших расстояниях. Силы взаимодействия между нуклонами ученым в 50-х гг. казались более загадочными: они проявлялись только на очень коротких расстояниях и примерно в миллионы раз превосходили по интенсивности электрические силы. Электроны двигались в поле сил, имевшем очевидный центр притяжения в положительно заряженном ядре. Внутри ядра столь явно выраженного центра не было.
Когда Й. в 1949 г. направил статью по теории ядерных оболочек для публикации в 'Физическом обозрении' ('Physical Review'), ему стало известно, что Гепперт-Майер пришла к аналогичным выводам и направила свою статью в тот же журнал. Обе они были опубликованы в двух его выпусках. Впоследствии Й. и Гепперт-Майер встретились в Германии, стали друзьями и в 1955 г. вместе написали книгу 'Элементарная теория оболочечной структуры ядра' ('Elementary Treory of Nuclear Shell Structure'). Их теория позволила объяснить возбуждение ядер при столкновении с массивными частицами и гамма-квантами, предсказать низкую вероятность захвата нейтронов так называемыми магическими ядрами и существование многочисленных изомеров для ядер с большими значениями углового момента. Изомерами называются ядра, имеющие одинаковое число протонов и нейтронов, но отличающиеся состоянием возбуждения и скоростью радиоактивного распада. Предположения Й. и Гепперт-Майер были впоследствии подтверждены экспериментально.
И. и Марии Гепперт-Майер была присуждена половина Нобелевской премии по физике 1963 г. 'за открытие оболочечной структуры ядра'. Вторая половина премии была присуждена Эугену П. Вигнеру. Представляя лауреатов, Ивар Валлер из Шведской королевской академии наук отметил, что открытия Гепперт-Майер и Й. 'проливают новый свет на структуру атомных ядер' и являются 'наиболее впечатляющим успехом в установлении корреляции между свойствами ядер'.
В своей Нобелевской лекции Й. рассказал об изоляции немецких физиков во время войны, о своих дискуссиях с Хакселем и Зюссом, об интерпретации магических чисел и о статье Гепперт-Майер, которую ему довелось прочитать после войны. Выводы Майер, заметил Й., побудили его встретиться с Бором, и 'с тех пор я начал серьезно рассматривать возможность 'демагизации' магических чисел'.
Помимо работ, за которые он был удостоен Нобелевской премии, Й. проводил исследования так называемого гигантского резонанса в ядерном фотоэффекте. В 1955 г. он высказал предположение о так называемой гамма-инвариантности слабого взаимодействия (слабые силы связаны с радиоактивностью, сильные - удерживают нуклоны в ядре). Это свойство имеет отношение к нарушениям сохранения четности - правила, которому подчиняется сохранение некоторых симметрии при ядерных переходах. Янг Чжэньнину и Ли Цзундао теоретически продемонстрировали возможность нарушения четности, предложили методы экспериментальной проверки слабого взаимодействия на сохранение четности, за что были удостоены Нобелевской премии по физике в 1957 г.
Й. побывал в качестве приглашенного профессора физики в Висконсинском университете (1951), принстонском Институте фундаментальных исследований (1952), Калифорнийском университете в Беркли (1952), университете штата Индиана (1953), университете штата Миннесота (1956) и в Калифорнийском университете в Ла-Джолле (1961)
Скромный и сдержанный человек, Й., всю жизнь остававшийся холостяком, жил в квартире, расположенной над Институтом теоретической физики в Гейдельберге. На досуге он любил возиться в институтском саду, разводил черепах. С 1955 г. до самой смерти, последовавшей 11 февраля 1973 г., он был соредактором 'Физического журнала' ('Zeitschrift fur Physik').
Й. был членом Гейдельбергской академии наук, общества Макса Планка и почетным доктором Ганноверского технического университета.