Роберт Ховстедтер

Биография

Американский физик Роберт Хофстедтер родился в Нью-Йорке. В семье торговца Луиса Хофстедтера и урожденной Генриетты Кенигсберг было четверо детей, Х. был третьим сыном. Детские годы он провел в Нью-Йорке, там же учился в школе, а затем поступил в нью-йоркский Сити-колледж, где специализировался по физике и математике. В 1935 г. Х. получил степень бакалавра с высшим отличием и премию Кениона по физике и математике. На всю жизнь он сохранил признательность одному из преподавателей колледжа, сумевшему передать ему свою увлеченность точными науками, – ведь первоначально интересы Х. лежали в области философии. Стипендия Коффина от компании «Дженерал электрик» позволила Х. поступить в Принстонский университет. В 1938 г. ему были присвоены ученые степени магистра и доктора наук по физике. Получив стипендию Проктера, следующий год Х. провел в Принстонском университете, занимаясь исследованием фотопроводимости кристаллов. В 1940 г. он стал преподавателем физики Пенсильванского университета, а в 1941 г. – Сити-колледжа Нью-Йорка. Став стипендиатом Пенсильванского университета, Х. в 1940...1941 гг. принимал участие в строительстве большого генератора Ван де Граафа.

В 1942...1943 гг. Х. работал в Национальном бюро стандартов и внес вклад в создание фотоэлектрических дистанционных взрывателей для зенитных снарядов. С 1943 по 1946 г. он занимал пост ассистента главного физика компании «Норден лабораториз», организованной создателем знаменитого прицела для бомбометания Норденом. По окончании войны Х. возвратился к академической жизни и в 1946 г. стал ассистент-профессором Принстонского университета. В этот период его исследования были сосредоточены на кристаллах, используемых в качестве детекторов частиц с высокой энергией, и радиации. В 1948 г. он разработал сцинтилляционный детектор на основе кристалла соли иодида натрия, «легированного» небольшим количеством таллия. При столкновении с таким кристаллом высокоэнергичной атомной частицы или фотона (частицы световой энергии) возникает вспышка света, интенсивность которой пропорциональна энергии частиц или фотона. Измеряя интенсивность света, экспериментатор получает возможность измерить и энергию частиц. Этот эффект лежит в основе сцинтилляционного спектрометра – одного из основных средств измерения в исследованиях ядерной радиации.

В 1950 г. Х. был назначен адъюнкт-профессором физики Станфордского университета. Используя новый ускоритель электронов Лаборатории физики высоких энергий университета, он приступил к исследованию структуры ядра. К тому времени Джордж П. Томсон, Клинтон Дж. Дэвиссон и другие доказали, что электроны обладают волновой природой. Было уже известно, что при увеличении энергии длина волны электрона убывает. Станфордский ускоритель позволял разгонять электроны до энергий от 100 до 500 млн. электрон-вольт, что соответствует длине волны электронов меньше характерных размеров атомных ядер. Это означало, что этот ускоритель можно было бы использовать как гигантский электронный микроскоп, позволяющий исследовать структуру атомного ядра. При столкновении с ядром электрон, разогнанный на ускорителе, отклоняется, как бильярдный шар. В некоторых случаях ядро распадается, испуская дополнительные электроны и другие частицы. Исследуя обломки таких столкновений, Х. надеялся получить представление о структуре ядра.

Х. измерял отклонение электронов, столкновения которых с ядром не сопровождались испусканием новых частиц. Для этого он использовал два массивных, весом по 250 т, магнитных спектрометра – прибор, позволяющий сортировать электроны по энергии и углу отклонения от первоначальной траектории. С помощью этого оборудования Х. удалось измерить величину и определить форму многих атомных ядер. Выяснилось, что все они имеют примерно одну и ту же среднюю плотность. Объем ядра пропорционален полному числу протонов и нейтронов. Это означает, что в больших тяжелых ядрах эти частицы упакованы не более плотно, чем в малых легких. Почти постоянная плотность ядер оказалась равной 150 млн кг на м3. Если бы капля воды облад

ала такой плотностью, то она весила бы 2 млн. тонн.

Хотя Х. и обнаружил, что средняя плотность всех ядер примерно одинакова, его эксперименты показали, что атомное ядро отнюдь не является просто сферой с жесткой оболочкой. У него есть мягкая «шкура», толщина которой одинакова для всех ядер независимо от их размеров и составляет величину около 2,4·1013 см.

После того как станфордский ускоритель после реконструкции стал разгонять электроны до энергии в 1 млрд электрон-вольт, Х. обратился к исследованию внутренней структуры протонов и нейтронов – частиц, из которых состоит атомное ядро. В 1956...1957 гг. он вместе со своей группой определил размеры и форму протона и нейтрона. Исследователи пришли к выводу о том, что протоны и нейтроны представляют собой разновидности одной частицы, получившей название нуклона. Хотя протон и нейтрон имеют различный электрический заряд (положительный у протона и нулевой у нейтрона), во всех процессах, связанных с сильным взаимодействием, не дающим распадаться атомному ядру, они ведут себя одинаково. Открытие Х. показало неадекватность существовавшей в то время теории ядра и побудило Йоширо Намбу из Чикагского университета пересмотреть ее наиболее важные понятия. Считалось, что переносчиками взаимодействия между нуклонами являются пи-мезоны – частицы с массой, составляющей примерно половину массы протона. Намбу привел теоретические аргументы в пользу существования более тяжелых и короткоживущих носителей сильного взаимодействия. Предсказанные им частицы были открыты в 1961 г.

В 1961 г. Х. был удостоен Нобелевской премии по физике «за основополагающие исследования по рассеянию электронов на атомных ядрах и связанных с ними открытий в области структуры нуклонов». Вторым лауреатом того же года был Рудольф Л. Мёссбауэр. Представляя новых лауреатов, Ивар Валлер из Шведской королевской академии наук с особой похвалой отозвался об отличительной особенности работ Х. – «точности, недостижимой ранее в физике высоких энергий». Результаты Х., заметил Валлер, «стимулировали открытие новых частиц, существенных для понимания сил, действующих в атомных ядрах».

С 1971 г. Х. – профессор Станфордского университета, где продолжает свои исследования по физике высоких энергий. В 1942 г. он вступил в барк с Нэнси Гивон. У супругов родилось трое детей. Их сын Дуглас приобрел известность как специалист по искусственному интеллекту. По отзывам коллег, Х. спокойный, тихий человек. Он любит слушать классическую и джазовую музыку, заниматься фотографией, читать и ходить на лыжах.

Х. член Национальной академии наук США, Итальянского, Американского и Лондонского физических обществ. В 1959 г. в Калифорнии он был удостоен почетного титула «Ученый года». В 1962 г. Сити-колледж Нью-Йорка отчеканил медаль в честь Х. Он удостоен почетных степеней Сити-колледжа, Падуанского и Карлтонского университетов.