Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

Эти затруднения одночастичной модели и продолжавшееся накопление экспериментальных данных о ядерных реакциях привели к коренному пересмотру представлений о взаимодействии ядерных частиц с ядрами: в 1936 г. в указанном докладе Копенгагенской академии Н. Бор выдвинул концепцию составного ядра — сравнительно долгоживущего многочастичного состояния, образующегося при попадании налетающей частицы в ядро-мишень. В основе этой концепции лежало представление о ядре как системе многих частиц, сильно взаимодействующих друг с другом. Время жизни составного ядра весьма велико по сравнению со временем пролета частицы через ядро. На основе этой концепции Бор формулирует общую теорию ядерных реакций. Он вводит предположение о том, что ядерная реакция протекает в две стадии: 1) образование составного ядра в результате захвата падающей частицы ядром и 2) распад составного ядра. При этом делается предположение о независимости распада

составного ядра от способа его образования. В докладе Бор указывает на некоторые ограничения применимости предположения о независимости и всей концепции составного ядра.

Такая концепция позволяла объяснить основные эмпирические факты о взаимодействии медленных нейтронов с ядром, а также о ядерных реакциях под действием заряженных частиц и -квантов.

Выдвинутая Бором картина ядерных реакций оказала глубокое влияние на теоретический анализ ядерных реакций. Количественным воплощением этих идей Бора явились статистическая теория ядерных реакций и так называемая модель испарения, предложенная Я. И. Френкелем ¹ Концепции составного ядра и описанию реакций, как идущих в две стадии, не противоречит резонансная формула Брейта—Вигнера, предложенная практически одновременно с этим докладом Бора и независимо от него ². Эта формула хорошо представляет ход сечений вблизи резонансов для случая одного изолированного уровня. Обобщение этой формулы на случай произвольного числа резонансных уровней дали Бете и Плачек ³.

¹ Я. И. Френкель. Phys. Z. d. Sowjetunion, 1936, 9, 533.

² G. Breit, Е. Wigner. Phys. Rev., 1936, 49, 519.

³ H. Bethe, G. Placzek. Phys. Rev. 1937, 51, 450.

Последующее развитие ядерной физики и продвижение в область более высоких энергий, приведшее к накоплению обширного эмпирического материала, привело к уточнению первоначальной упроченной боровской картины ядерных реакций, установлению области применимости сделанных в ней предположений.

46 Законы сохранения в квантовой теории [64]

Заметка является послесловием к статье сотрудника копенгагенского Института теоретической физики возглавлявшегося Бором, Я. К. Якобсена «Корреляция между рассеянием и отдачей в эффекте Комптона» ⁴. Она содержит результаты выполненных в институте опытов по корреляции электронов отдачи и рассеянных квантов -излучения. Проведение этих опытов было вызвано работой Шенкленда ⁵, утверждавшего, что для фотонов высокой энергии опыты дают результаты, противоречащие теории Комптона и Дебая, основанной на допущении справедливости законов сохранения энергии и количества движения.

⁴ J. C. Jасоbsen. Nature, 1936, 138, 25.

⁵ R. S. Shankland. Phys. Rev., 1936, 49, 8.

Впервые идея о возможном нарушении закона сохранения энергии в единичных атомных процессах была высказана ещё в 1924 г. Бором, Крамерсом и Слетером (25), стремившимися устранить противоречия в двойственном, корпускулярно-волновом описании оптических явлений. Но тогда опыты Боте и Гейгера ⁶, Комптона и Саймона ⁷ не подтвердили выводов этой теории. После того как создание квантовой механики позволило разрешить указанные трудности без отказа от законов сохранения, эта идея была оставлена. Её обсуждение началось вновь в связи с попытками объяснения энергетического спектра электронов при -распаде [55], [58], но принятие гипотезы Паули о нейтрино и создание теории -распада Ферми опять привело к тому, что предположение Бора было отвергнуто. Поскольку в предыдущих опытах теория эффекта Комптона проверялась только для рентгеновских лучей, Шенкленд счел необходимым увеличить энергию фотонов, используя -излучение ThC'. Отношение к несколько неожиданным результатам его опытов было двояким. Дирак ⁸ считал возможным вернуться к идее Бора, Крамерса и Слетера для частиц высокой энергии, поскольку существовавшая квантовая механика давала удовлетворительные результаты только для нерелятивистской области. Он допускал, что в будущей релятивистской квантовой механике и в квантовой электродинамике можно будет отказаться от выполнимости законов сохранения энергии и импульса, но для перехода к разработке этой идеи предварительно необходимы дополнительные эксперименты. Пайерлс ¹ возражал против опрометчивых выводов, поскольку вследствии недостаточной изученности явлений при высоких энергиях возможно существование неучтённых источников энергетических потерь. Бор подчёркивал, что ситуация сильно отличается от той, которая была в 1924, когда

полностью отсутствовала теория, и что трудности квантовой электродинамики коренятся не в несовместимости основ квантовой механики и теории относительности, а скорее в атомистической природе электричества. Дилемму решили экспериментаторы Якобсен, Боте и Майер-Лейбниц, Пиккар и Стаэль, Вильямс и Пиккап ², которые повторили опыты Шенкленда и получили результаты, полностью подтвердившие обычную теорию эффекта Комптона. Ошибка Шенкленда состояла в том, что он применил недостаточно однородные по энергии -кванты. После повторной серии измерений Шенкленд ³ признал некорректность своих первых опытов.

⁶ H. Geiger, W. Bothe. Z. Phys., 1925, 32, 639.

⁷ A. Compton, F. Simon. Phys. Rev., 1925, 26, 289.

⁸ P. A. M. Dirac. Nature, 1936, 137, 298.

¹ R. Реiеrls. Nature, 1936, 137, 904.

² W. Bothe, Н. Maier-Leibnitz. Phys. Rev., 1936, 50, 187; A. Piccard, E. St ah el. Naturwiss., 1936, 24, 413; Z. Phys., 1936, 102, 143; E. J. Williams, E. Pickup. Nature, 1936, 138, 461.

³ R. S. Shankland. Phys. Rev., 1937, 52, 414.

47 Причинность и дополнительность [66]

В статье проводится мысль, что новая ситуация в физике, возникшая в связи с открытием кванта действия, заставляет отказаться от классического представления о причинности и заменить его более общим — принципом дополнительности. Отказ этот вызван лишь тем, что в атомной физике мы не можем говорить о самостоятельном поведении физического объекта вследствие неизбежного неконтролируемого взаимодействия его с измерительным прибором. Надежды, что существенно статистический характер квантовомеханического описания может быть устранен посредством предположения о некотором причинном механизме, лежащем в основе атомных явлений, но пока недоступном для наблюдения, бесплодны.

Эти же идеи развиваются в последующих статьях Бора вплоть до последних, в которых вопрос о причинности в квантовой теории решается уже по-другому: становится ясным, что Бор возражает против механического (лапласовского) детерминизма.

48 О превращениях атомных ядер при их соударении с материальными частицами [67]

В работе развиваются идеи, сформулированные в (45). Подробно рассматриваются вопросы, связанные с реализацией этих идей. Для получения теоретического выражения для плотности энергетических уровней ядра и её зависимости от энергии необходимо использовать конкретную модель ядра. Бете, Оппенгеймер и Сервер ⁴ исходили из модели свободных частиц в ядре, считая полную энергию ядра равной сумме энергий отдельных частиц; ядро при этом подобно газу. Я. И. Френкель ⁵, как и Бор и Калькар, исходили из модели жидкой капли, считая, что энергия взаимодействия между нуклонами велика по сравнению с кинетической энергией частиц. Бардин ¹ использовал промежуточную модель, в которой ядерные частицы ведут себя подобно электронам в металле, т. е. они рассматриваются как почти свободные.

⁴ H. Bethe. Phys. Rev., 1936, 50, 332; J. R. Openheimer, R. Serber. Phys. Rev., 1936, 50, 391.

⁵ Я. И. Френкель. Phys. Z. d. Sowjetunion, 1936, 9, 533.

¹ Bardeen. Phys. Rev. 1937, 51, 799.

В работе излагаются также основные идеи модели испарения, предложенной Я. И. Френкелем ^{2, 3}. Френкель рассматривал ядро как систему многих частиц и применил к нему методы статистической физики. Он впервые ввёл понятие о температуре ядра как о параметре, характеризующем возбуждение системы. Распад составного ядра уподоблялся при этом испарению молекул из конденсированной фазы. Развивая идеи Френкеля и Бора, Бете ⁴ разработал на основе модели жидкой капли количественную теорию ядерных реакций. Следствия, вытекающие из теорий Френкеля и Бора—Калькара, были всесторонне рассмотрены во многих работах ⁵.

² Я. И. Френкель. Изв. АН СССР, сер. физич., 1936.

³ См. примечание 5 на стр. 628.

⁴ Н. Bethe. Rev. Mod. Phys., 1937, 9, 69 (Русск. перевод: Г. Бете. Физика ядра, ч. II, М.—Л., 1948).

⁵ V. Weisskopf, Phys. Rev., 1937, 52, 295. Л. Д. Ландау. ЖЭТФ, 1937, 7, 819; Н. Bethe, G. Placzek. Phys. Rev. 1937, 51, 450; W. Weisskopf, D. H. Ewing., Phys. Rev., 1940, 57, 472; P. L. Kapur, R. E. Peirls. Proc. Roy. Soc., 1938, AI66, 277; G. Breit. Phys. Rev., 1940, 58, 1068.