Джеймс Рейнуотер

Биография

Американский физик Лео Джеймс Рейнуотер родился в г. Каунсил (штат Айдахо) в семье инженера-строителя и управляющего универсальным магазином Лео Джаспера Рейнуотера и Эдны Элизы (в девичестве Тиг) Рейнуотер. После смерти отца, последовавшей в 1918 г. во время эпидемии инфлюэнцы, семья переехала в г. Хэнфорд (штат Калифорния), где мать вторично вышла замуж. Детские и юношеские годы мальчика прошли в Хэнфорде, где он проявил способности к химии, физике и математике. Заняв первое место на химической олимпиаде, проводившейся на средства Калифорнийского технологического института (Калтеха), он был принят в этот институт в качестве студента-химика, но вскоре избрал своим основным предметом физику. В Калтехе Р. изучал физику под руководством Карла Д. Андерсона, а его занятиями по биологии руководил Томас Хант Морган. После получения степени бакалавра по физике в 1939 г. Р. поступил в аспирантуру Колумбийского университета, где его руководителями стали И.А. Раби, Энрико Ферми, Эдуард Теллер и другие выдающиеся физики.

Когда Соединенные Штаты вступили во вторую мировую войну, Р. прервал свои диссертационные исследования, приняв участие в Манхэттенском проекте в качестве члена Управления научных исследований и развития Работая под началом у Дж. Р. Даннинга, он использовал циклотрон (тип ускорителя частиц) Колумбийского университета для исследования поведения атомных ядер при бомбардировке их нейтронами. После войны полученные Р. данные были рассекречены, и в 1946 г. за проделанные исследования ему была присуждена докторская степень.

Оставшись в Колумбийском университете в качестве преподавателя, Р. продолжил свои работы в области экспериментальной физики. В 1946 г. Колумбийскому университету были выделены фонды на постройку Невисской циклотронной лаборатории, в т. ч. и синхроциклотрона, способного ускорять частицы до гораздо более высоких энергий, чем это удавалось получать на более ранних модификациях циклотронов. Р. с самого начала принимал непосредственное участие в создании ускорителя, который вступил в строй в 1950 г. К тому времени он вместе со своими сотрудниками Уильямом У. Хэйвенсом-младшим и By Цзяньсюн уже измерил сечения взаимодействия нейтронов с большинством ядер. Новый ускоритель позволил провести аналогичные эксперименты с другими частицами, помимо нейтронов, например с мюонами (напоминающими электроны, но примерно в 200 раз более массивными и нестабильными, распадающимися всего лишь за 2,2 миллионных секунды) и пи-мезонами (короткоживущими частицами – переносчиками сильного ядерного взаимодействия, не дающего ядрам распасться).

В 1949 1950 гг. датский физик Оге Бор, проводивший исследования в Колумбийском университете, оказался соседом Р. по кабинету. Два физика вели между собой нескончаемые беседы о фундаментальной структуре ядер. В то время существовали две главные модели ядра: капельная модель и модель оболочек. Обе модели, как известно, исходили из действия фундаментальных сил между протонами и нейтронами (известных под общим названием нуклонов), образующими ядро, и стремились предсказать свойства десятков или сотен взаимодействующих между собой нуклонов.

Капельная модель была предложена отцом Оге Бора, Нильсом Бором, в 1936 г.

Она исходит из предположения о том, что ядро ведет себя как капля жидкости, способная колебаться и изменять свою форму. Хотя капельная модель позволила удовлетворительно объяснить деление ядра, но оказалась недостаточной для описания других важных его свойств. В модели оболочек, предложенной в 1949 г. Марией Гепперт-Майер и Й. Хансом Д. Йенсеном, нуклоны движутся по независимым концентрическим орбитам, или оболочкам: их движение во многом напоминает движение электронов в атоме, за исключением того, что в случае нуклонов не существует действующей на них центральной силы. Согласно модели оболочек, сила, действующая на один нуклон, равна сумме сил, с которой действует на него каждый из остальных нуклонов в ядре. Сумма этих сил порождает силовое поле, которое Гепперт-Майер и Йенсен предположили сферически симметричным. Хотя модель оболочек позволила успешно предсказать энергии некоторых возбужденных состояний ядра, в остальном ее постигла неудача. В частности, модель оболочек оказалась не в состоянии учесть то, что распределение электрического заряда вокруг некоторых ядер не вполне сферически симметрично.

В конце 1949 г. Чарлз X. Таунс выступил в Колумбийском университете с докладом о расхождениях между предсказаниями теории оболочек и экспериментальными данными. Слушая доклад Таунса, Р. размышлял о том, как объяснить эти расхождения. Ему пришло в голову, что заполненные орбитами оболочки ядра могли быть деформированы центробежными силами и принять форму, более напоминающую эллипсоид, чем сферу. Убедив Оге Бора в достоинствах этой идеи, он в 1950 г. опубликовал свою гипотезу и обратился к экспериментальным ее подтверждениям.

Бор, размышлявший над аналогичными идеями, вернулся в том же году в Копенгаген преисполненным решимости разработать полную теорию поведения ядра. Вместе с Беном Р. Моммельсоном он опубликовал в 1952 г. коллективную модель ядра, используя идею Р. для согласования «гидродинамического» поведения, описываемого капельной моделью ядра, с орбитальными свойствами нуклонов в модели оболочек.

Согласно Бору и Моттельсону, коллективное действие нуклонов вынуждает ядро вести себя аналогично капле жидкости. Однако ядро обладает оболочечной структурой, способной деформироваться в некое подобие эллипсоида. Эти деформации проявляются на поверхности в виде колебаний и вращении. Когда наружная оболочка полностью заполнена, ядро остается сферически симметричным. Но когда наружная оболочка заполнена только частично, форма ядра деформируется. Бор и Моттельсон обнаружили, что в таких деформированных ядрах возможны колебания, сопровождающиеся изменениями размеров, поверхностные волны и вращения. Такие новые коллективные действия не могли быть предсказаны моделью оболочек, поскольку эта модель игнорирует взаимодействия между нуклонами. Используя коллективную модель для вычисления свойств деформируемых ядер и анализируя огромное количество экспериментальных данных, Моттельсон и Бор в 1953 г. подтвердили гипотезу Р.

Между тем Р. вернулся к своим экспериментальным исследованиям на синхроциклотроне Колумбийского университета. Вместе с Валом Л. Фитчем Р., исследуя в 1953 г. испускаемое мюонами рентгеновское излучение, обнаружил, что существовавшие оценки размеров протона были слишком завышены.

В 1952 г. Р. был назначен полным профессором Колумбийского университета. С 1946 по 1978 г. он был связан с Невисской циклотронной лабораторией, дважды, с 1951 по 1953 г. и с 1956 по 1961 г., занимая пост ее директора.

Р., Оге Бор и Моттельсон в 1975 г. были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие связи между коллективным движением и движением частиц в атомных ядрах и за развитие теории структуры атомного ядра на основе этой связи». При презентации лауреатов Свен Йоханссон, член Шведской королевской академии наук, назвал их работы «вдохновляющим стимулом для интенсивной научно-исследовательской деятельности в ядерной физике». В Нобелевской лекции Р. подвел итоги предшествующих исследований, которые привели его к открытиям и их подтверждению.

В 1942 г. Р. вступил в брак с Эммой Луизой Смит. У супружеской четы родились дочь, умершая в младенческом возрасте, и трое сыновей. На досуге Р. изучал геологию и астрономию, любил слушать классическую музыку. Скончался он в Йонкерсе (штат Нью-Йорк) 31 мая 1986 г., вскоре после выхода в отставку из Колумбийского университета.

Кроме Нобелевской премии, Р. был удостоен премии памяти Эрнеста Орландо Лоуренса по физике Комиссии по атомной энергии Соединенных Штатов (1963). Он был членом американской Национальной академии наук, совета Института инженеров по электротехнике и электронике, Нью-йоркской академии наук, Американской ассоциации фундаментальных наук и Американского физического общества.