Prix Nobel de physique 1963 «pour leurs découvertes concernant la structure de la coque nucléaire».
Biographique J. Hans D. Jensen (1907-1973)
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Il est membre de l’Académie des sciences de Heidelberg depuis 1947, membre correspondant de la Max Planck Gesellschaft depuis 1960 et membre de la Sacri Romani Imperii Academia Naturae Coriosorum (Leopoldina, Halle) depuis 1964. Il a été professeur invité à l’Université du Wisconsin (1951), à l’Institute of Advanced Study de Princeton (1952), à l’Université de Californie à Berkeley (1952), au California Institute of Technology (1953), à l’Université de l’Indiana (1953), l’Université du Minnesota (1956) et l’Université de Californie à La Jolla (1961). Depuis 1955, il est, avec O. Haxel, coéditeur du Zeitschrift für Physik.
Johannes Hans Daniel Jensen était un physicien nucléaire allemand et co-lauréat du prix Nobel de physique. Il était membre de l’Uranium Club où il a travaillé sur le projet d’énergie nucléaire allemand pendant la Seconde Guerre mondiale. Ses travaux sur la séparation des isotopes de l’uranium sont bien connus. Jensen a été professeur à l’Université de Heidelberg et professeur invité à l’Université du Wisconsin-Madison, à l’Institute for Advanced Study, à l’Université de l’Indiana et au California Institute of Technology. Pendant la montée d’Hitler, Jensen a rejoint la Ligue nationale-socialiste allemande des conférenciers universitaires ou NSDDB même si l’adhésion n’était pas obligatoire. Il a également joué un rôle actif en tant que membre de la National Socialist Teachers League pendant deux ans. Jensen était membre du Parti national-socialiste des travailleurs allemands (NSDP).
En 1937, Jensen est nommé Privatdozent (conférencier non rémunéré) à l’Université de Hambourg. La même année, il commence à travailler avec Paul Harteck, directeur du département de chimie physique de l’université et conseiller du HWA, Army Ordnance Office sur les explosifs.
En 1939, après le lancement du contrôle militaire sur le projet d’énergie nucléaire allemand – Uranverein (Uranium Club), Jensen rejoint le projet à l’initiative de Harteck qui était l’une des figures majeures de l’Uranverein. Jensen a travaillé sur des centrifugeuses doubles pour la séparation des isotopes de l’uranium.
En 1941, Jensen est nommé professeur extraordinaire de physique théorique à l’Université de Hanovre. En 1946, il devient professeur ordinaire à la même université.
En 1950, J. Hans D. Jensen a co-écrit le « Über Gaszentrifugen : Anreicherung der Xenon-, Krypton- und der Selen-Isotope nach dem Zentrifugenverfahren » avec Konrad Beyerle, Wilhelm Groth, Paul Harteck.
En 1951, il a travaillé comme professeur invité à l’Université du Wisconsin.
En 1952, Jensen a travaillé comme professeur invité au California Institute of Technology et à l’Institute of Advanced Study de Princeton.
En 1953, il est professeur invité à l’Institute for Advanced Study de l’Université de l’Indiana et au California Institute of Technology.
En 1955, Jensen a collaboré avec Maria Goeppert-Mayer pour écrire « Théorie élémentaire de la structure de la coque nucléaire ».
En 1956, il est professeur invité à l’Université du Minnesota.
En 1961, Jensen a été nommé conférencier invité à l’Université de Californie à La Jolla.
Grands travaux
Le travail le plus célèbre de Jensen est sa théorie du modèle nucléaire en coquille. Lui et Maria Goeppert-Mayer l’ont proposé séparément en 1949. Le modèle nucléaire de la coquille stipule qu’un noyau atomique est une structure de coquilles avec des rayons différents, tout comme des couches d’oignon et chacune est remplie de neutrons et de protons.
Récompenses et réalisations
Alors qu’ils travaillaient sur le projet Nucléaire, Harteck et Jensen ont mis au point une double centrifugeuse basée sur un processus de basculement pour rendre possible l’effet de séparation.
En 1947, il a reçu un poste de professeur honoraire à l’Université de Hambourg.
En 1963, J. Hans. D. Jensen a reçu un prix Nobel de physique pour sa proposition du modèle nucléaire shell. Il a partagé la moitié du prix avec Maria Goeppert Mayer et l’autre moitié du prix a été décernée à Eugene P. Wigner pour un autre domaine de recherche.
En 1964, il a reçu un doctorat honorifique de la Technische Universität Hannover, aujourd’hui l’Université de Hanovre.
En 1969, Jensen s’est vu offrir la citoyenneté honoraire de Fort Lauderdale, en Floride.
Anecdotes
Au cours du processus de dénazification dans l’Allemagne de l’après-guerre, Werner Heisenberg a rédigé le Whitewash Certificat ou Persilschein expliquant que Jensen avait rejoint le Uranium Club pour éviter d’avoir à faire face à des problèmes dans le milieu universitaire. Cela a effacé toutes les charges retenues contre Jensen.
- Hans D. Jensen – Profil de recherche
Prix Nobel de physique 1963 avec Eugene Wigner et Maria Goeppert Mayer «pour leurs découvertes concernant la structure de la coque nucléaire».
La formulation théorique du modèle de coque nucléaire, que Hans Jensen a publié en 1949 en collaboration avec Haxel et Suess, et indépendamment de Maria Goeppert-Mayer, a offert la première explication cohérente d’une variété de propriétés et de structures de noyaux atomiques. En particulier, il expliquait tout naturellement l’existence des « nombres magiques » des protons et des neutrons, qui avaient été déterminés à partir d’expériences sur les propriétés de stabilité et d’abondances observées d’éléments chimiques pour les sources terrestres et non terrestres. Les noyaux atomiques constitués d’un tel nombre magique de nucléons sont plus stables vis-à-vis de la désintégration nucléaire et jouent ainsi un rôle décisif dans la synthèse des éléments dans les étoiles, ainsi que dans la synthèse artificielle des éléments les plus lourds, à la frontière du tableau périodique. Les abondances d’éléments sont principalement déterminées par la structure nucléaire, et donc par le modèle de coquille. Depuis lors, le modèle de la coque nucléaire est resté l’une des pierres angulaires de la physique nucléaire moderne, devenant un guide important dans l’interprétation des phénomènes nucléaires et a stimulé un travail approfondi sur le problème à plusieurs corps, fournissant plus tard la base intellectuelle du modèle des quarks.
Premières visites à Niels Bohr à Copenhague
Johannes Hans Daniel Jensen est né à Hambourg en 1907 et fut, dès son plus jeune âge, un brillant élève. Après avoir obtenu son diplôme en 1926, il a poursuivi ses études de physique, de mathématiques, de chimie physique et de philosophie aux universités de Fribourg et de Hambourg. Il a obtenu son doctorat en physique en 1932, et est resté à l’Université de Hambourg en tant qu’assistant scientifique. Ses premières recherches, là-bas, concernaient les études de mécanique quantique des réseaux ioniques et en général les propriétés des matériaux sous des pressions extrêmement élevées. Au cours des années 1930, les intérêts scientifiques de Jensen étaient également particulièrement concentrés sur le modèle statistique Thomas-Fermi de l’atome, l’un des moyens les plus puissants d’étudier le système de nombreux électrons dans un atome, les traitant comme s’ils étaient une collection d’interactions faibles. les fermions,
Dès le début de sa carrière, Jensen s’est également familiarisé avec le domaine émergent de la physique nucléaire ; en particulier les nombreux modèles d’une structure nucléaire de protons et de neutrons proposés après que Chadwick ait démontré l’existence du neutron en 1932 – la première particule subatomique non chargée à être identifiée. Un développement vigoureux de la physique nucléaire expérimentale commençait à cette époque. C’était en partie dû à la possibilité de réaliser des expériences avec des neutrons, ainsi qu’à l’achèvement des premiers accélérateurs et à de grandes améliorations dans les techniques de mesure et de comptage. Pour Jensen, ce sont les années de ses premières visites à Copenhague, à l’Institut de physique théorique de Niels Bohr. Lors de ses séjours là-bas, il a participé aux discussions stimulantes sur les derniers résultats et a été témoin de nombreuses tentatives d’interprétation théorique des données expérimentales qui s’accumulaient rapidement, essayant de comprendre le contexte d’où émergeaient les premiers concepts de structure nucléaire. Comme beaucoup d’autres, Jensen a été particulièrement influencé par Bohr, qu’il a toujours considéré comme l’un de ses professeurs.
« Nombres magiques » et premiers modèles de structure nucléaire
Le tableau périodique montre que la similitude du comportement chimique se reproduit dans les cycles, ou les périodes, à mesure que le numéro atomique augmente. La stabilité récurrente à certains numéros atomiques a été expliquée à partir d’un système de niveaux d’énergie, chacun identifié par un ensemble de quatre nombres quantiques, auxquels s’ajoute la restriction du principe d’exclusion de Wolfgang Pauli : un seul électron peut occuper un quantum état d’un ensemble donné de nombres quantiques. Les grandes étapes d’énergie liées aux principaux niveaux d’énergie se produisent en groupes d’étapes plus petites. Ces amas étaient appelés coquilles et chacun d’eux ne peut contenir qu’un nombre fixe d’électrons. 
Les couches électroniques de l’atome sont la couche K à 2 électrons, la couche L à 8 électrons, la couche M à 18 électrons, etc. Chaque coque est composée d’une ou plusieurs sous-couches liées au nombre quantique azimutal, déterminé par son moment cinétique orbital l. Chaque sous-shell est contraint de contenir 2(2l +1) électrons au plus, de sorte que la récurrence des propriétés chimiques liées au remplissage des coquilles et à l’apparition de nouvelles découle naturellement des principes de la physique quantique appliqués aux niveaux d’énergie électronique. On dit que l’élément chimique, dans l’atome duquel l’électron le plus externe occupe le dernier niveau avant une grande étape d’énergie, « ferme la coquille ». L’élément de numéro atomique supérieur suivant (un électron de plus + un proton de plus) commence la couche suivante. Les coquilles ouvertes sont des coquilles de valence, n’étant pas complètement remplies. De même, une configuration en coquille fermée, contenant le nombre maximal d’électrons autorisé par le principe d’exclusion de Pauli, signifie stabilité chimique, puisque les réactions chimiques sont associées à la perte, au gain ou au partage d’électrons. Ces atomes particuliers sont les gaz nobles, tels que l’hélium, le néon, l’argon, le xénon et le radon, qui sont chimiquement presque inertes, car leurs coquilles fermées contiennent autant d’électrons que possible. Ils ont des propriétés très particulières, à savoir : des rayons atomiques particulièrement petits et bien sûr des énergies d’ionisation très élevées.
Les premières idées sur la structure de la coquille nucléaire ont été avancées par analogie avec les coquilles d’électrons dans les atomes. Celles-ci étaient basées sur les premières observations montrant que les noyaux avec certains nombres spéciaux de protons ou de neutrons – 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 – semblaient être exceptionnellement stables, c’est-à-dire qu’il est peu probable qu’ils se transforment en d’autres noyaux par des émissions radioactives ou s’engager dans des réactions nucléaires. Cela signifie que ces noyaux sont également relativement abondants, car les noyaux stables ont tendance à persister et à s’accumuler. Les spéculations concernant la possibilité d’une structure en coquille dans les noyaux remontent à la découverte du neutron en 1932. La même année, Heisenberg a établi un modèle nucléaire du noyau composé de protons et de neutrons et James Bartlett a immédiatement introduit l’idée de protons et de neutrons. Coquilles dans les noyaux légers (hélium-4 et oxygène-16).
En examinant les énergies de liaison nucléaire et en reprenant la suggestion de Bartlett, le physicien allemand Walter Elsasser, alors réfugié de l’Allemagne nazie travaillant à Paris, publie une série d’articles entre 1933 et 1934 (« Sur le principe de Pauli dans les noyaux ») présentant une étude plus détaillée et approfondie dans laquelle les neutrons et les protons, par analogie avec les électrons, étaient supposés se déplacer indépendamment dans un champ nucléaire moyen défini par tous les autres nucléons. On pourrait alors leur attribuer un moment cinétique orbital ainsi qu’un spin afin que chaque nucléon ait son propre nombre quantique distinct. 
Les protons et les neutrons, étant des fermions, obéissent au principe d’exclusion de Pauli, de sorte qu’ils s’arrangent en coquilles, suivant des règles quantiques, remplissant les niveaux par ordre d’énergie croissante. Chaque fois qu’un obus était terminé, on pouvait s’attendre à un noyau particulièrement stable, les coquilles fermées étant caractérisées par de grandes énergies de liaison. Lorsqu’une nouvelle coque est démarrée, l’énergie de liaison des particules nouvellement ajoutées doit être inférieure à celle des particules complétant la coque précédente.
Les travaux d’Elsasser s’appuyaient également sur les travaux systématiques du physicien Kurt Guggenheimer, lui aussi réfugié à Paris, qui avait étudié la stabilité des isotopes en fonction du nombre de protons Z et du nombre de neutrons N, qui montrait une étonnante variabilité périodique liée avec les nombres 28, 50 et 82.
Cependant, comme le remarquait une revue faisant autorité de 1936 par Bethe et Bacher, même si les schémas de niveau d’Elsasser, Bartlett et Guggenheimer semblaient être en accord avec les résultats expérimentaux, ils manquaient définitivement de « fondement théorique ». Dans cette revue, qui, avec les deux articles suivants publiés dans les Reviews of Modern Physics, est rapidement connue sous le nom de « bible de Bethe », des arguments très convaincants ont été présentés pour montrer que les forces nucléaires présentent une très faible dépendance en spin ; en particulier, le couplage spin-orbite devrait être très faible.
La première phase des enquêtes sur les obus nucléaires s’est terminée en 1936, en relation avec la proposition réussie de Niels Bohr du noyau composé modèle des réactions nucléaires, un modèle d’interaction forte basé sur l’hypothèse que tous les nucléons participent plus ou moins également à tout processus nucléaire, ce qui semblait incompatible avec l’approche de base du modèle en coquille, basé sur l’idée de mouvement libre de l’individu nucléons dans un potentiel moyen. Ce changement de point de vue est une conséquence des expériences sur l’absorption neutronique réalisées en 1934-1935 par Enrico Fermi et ses collaborateurs à Rome, suite à leur découverte de la radioactivité artificielle produite par bombardement neutronique de différents éléments. Deux phénomènes, découverts en relation avec la diffusion et la capture des neutrons lents, ont été particulièrement importants pour le développement des concepts sur la structure nucléaire : les sections efficaces relativement élevées pour la diffusion nucléon-nucléon, et surtout les résonances aiguës et rapprochées, c’est-à-dire des énergies bien choisies, pour lesquelles un neutron était sûr d’être capté par le noyau. Selon le principe d’incertitude, une énergie bien définie est associée à un temps long. 
Il s’ensuit donc qu’une fois qu’un neutron pénètre dans un noyau dans des conditions de résonance, il doit y rester longtemps – beaucoup plus longtemps qu’il ne lui en faudrait pour traverser une région de la taille d’un noyau. Fermi et ses collègues ainsi que Hans Bethe ont tenté de comprendre pourquoi les neutrons lents pouvaient être facilement capturés par de nombreux noyaux. Ils ont développé des théories basées sur une image de particule indépendante qui étaient en accord avec certains aspects des données expérimentales, mais pas avec d’autres preuves fortement contradictoires, de sorte qu’à cette époque, les modèles basés sur l’image d’une seule particule semblaient être un échec complet pour lequel un neutron était sûr d’être capté par le noyau. Selon le principe d’incertitude, une énergie bien définie est associée à un temps long. Il s’ensuit donc qu’une fois qu’un neutron pénètre dans un noyau dans des conditions de résonance, il doit y rester longtemps – beaucoup plus longtemps qu’il ne lui en faudrait pour traverser une région de la taille d’un noyau. Fermi et ses collègues ainsi que Hans Bethe ont tenté de comprendre pourquoi les neutrons lents pouvaient être facilement capturés par de nombreux noyaux. Ils ont développé des théories basées sur une image de particule indépendante qui étaient en accord avec certains aspects des données expérimentales, mais pas avec d’autres preuves fortement contradictoires, de sorte qu’à cette époque, les modèles basés sur l’image d’une seule particule semblaient être un échec complet pour lequel un neutron était sûr d’être capté par le noyau.
Selon le principe d’incertitude, une énergie bien définie est associée à un temps long. Il s’ensuit donc qu’une fois qu’un neutron pénètre dans un noyau dans des conditions de résonance, il doit y rester longtemps – beaucoup plus longtemps qu’il ne lui en faudrait pour traverser une région de la taille d’un noyau. Fermi et ses collègues ainsi que Hans Bethe ont tenté de comprendre pourquoi les neutrons lents pouvaient être facilement capturés par de nombreux noyaux. Ils ont développé des théories basées sur une image de particule indépendante qui étaient en accord avec certains aspects des données expérimentales, mais pas avec d’autres preuves fortement contradictoires, de sorte qu’à cette époque, les modèles basés sur l’image d’une seule particule semblaient être un échec complet. Il s’ensuit donc qu’une fois qu’un neutron pénètre dans un noyau dans des conditions de résonance, il doit y rester longtemps – beaucoup plus longtemps qu’il ne lui en faudrait pour traverser une région de la taille d’un noyau. Fermi et ses collègues ainsi que Hans Bethe ont tenté de comprendre pourquoi les neutrons lents pouvaient être facilement capturés par de nombreux noyaux.![Australian nuclear submarine speculation - helpful chart [2000x2083] : r/WarshipPorn](https://i.redd.it/yywappbnmon71.png)
Ils ont développé des théories basées sur une image de particule indépendante qui étaient en accord avec certains aspects des données expérimentales, mais pas avec d’autres preuves fortement contradictoires, de sorte qu’à cette époque, les modèles basés sur l’image d’une seule particule semblaient être un échec complet. Il s’ensuit donc qu’une fois qu’un neutron pénètre dans un noyau dans des conditions de résonance, il doit y rester longtemps – beaucoup plus longtemps qu’il ne lui en faudrait pour traverser une région de la taille d’un noyau. Fermi et ses collègues ainsi que Hans Bethe ont tenté de comprendre pourquoi les neutrons lents pouvaient être facilement capturés par de nombreux noyaux. Ils ont développé des théories basées sur une image de particule indépendante qui étaient en accord avec certains aspects des données expérimentales, mais pas avec d’autres preuves fortement contradictoires, de sorte qu’à cette époque, les modèles basés sur l’image d’une seule particule semblaient être un échec complet. Fermi et ses collègues ainsi que Hans Bethe ont tenté de comprendre pourquoi les neutrons lents pouvaient être facilement capturés par de nombreux noyaux. 
Ils ont développé des théories basées sur une image de particule indépendante qui étaient en accord avec certains aspects des données expérimentales, mais pas avec d’autres preuves fortement contradictoires, de sorte qu’à cette époque, les modèles basés sur l’image d’une seule particule semblaient être un échec complet. Fermi et ses collègues ainsi que Hans Bethe ont tenté de comprendre pourquoi les neutrons lents pouvaient être facilement capturés par de nombreux noyaux. Ils ont développé des théories basées sur une image de particule indépendante qui étaient en accord avec certains aspects des données expérimentales, mais pas avec d’autres preuves fortement contradictoires, de sorte qu’à cette époque, les modèles basés sur l’image d’une seule particule semblaient être un échec complet.
La manière de résoudre ces contradictions apparentes a été indiquée par Bohr. Il a reconnu qu’il n’était pas juste de penser qu’un neutron ne traverse qu’un champ de force général, car le noyau est densément rempli de particules qui exercent chacune de fortes forces sur le neutron supplémentaire ainsi que les unes sur les autres. L’observation que l’absorption lente des neutrons était étonnamment forte et qu’elle dépendait fortement de l’énergie, a conduit Bohr à reconnaître que les résonances étroites découvertes dans les expériences de réaction nucléaire sont essentiellement un effet à plusieurs particules. Il a clairement vu que les découvertes expérimentales concernant les interactions des neutrons avec les noyaux exigeaient une révision radicale de l’image de base de la dynamique nucléaire. À la fin de 1935, Bohr avait développé sa théorie du noyau composé en tant que système de particules en interaction forte, où il soulignait que chaque processus nucléaire devait être traité comme un problème à plusieurs corps, en particulier dans le cas des noyaux lourds. En raison du fort couplage intime entre les nucléons, lorsqu’une particule entrante heurte le noyau cible lors d’une réaction nucléaire, elle partage rapidement son énergie avec les autres nucléons, de sorte qu’un noyau dit composé se forme dans lequel l’identité du la particule entrante est complètement perdue. Au cours de la deuxième étape, totalement indépendante,
Ces points de vue excluaient tout traitement en termes de particules en mouvement indépendant, de sorte que le concept d’enveloppes nucléaires semblait perdre sa validité. Dans son article intitulé « Capture de neutrons et constitution nucléaire » publié dans Nature au début de 1936, Bohr lui-même a souligné la différence fondamentale entre les propriétés typiques des noyaux, pour lesquelles les échanges d’énergie entre les particules nucléaires individuelles sont un facteur décisif, et les électrons atomiques, qui , dans une assez bonne approximation, peuvent être traitées comme des particules faiblement interagissantes : -les problèmes corporels, si efficaces dans le premier cas, perdent toute validité dans le second où nous.
Jensen, qui était à Copenhague à l’époque, a décrit le grand impact de la formule qui rendait compte quantitativement de la variation avec l’énergie de la section efficace de la réaction malgré la complexité du noyau composé : chaque tableau noir de l’institut de Niels Bohr. L’image intuitive et semi-classique de Bohr a été mathématisée et mise en accord avec les postulats de la mécanique quantique par la formule dite de Breit-Wigner pour la section efficace de réaction, un mécanisme proposé en 1936 par Gregory Breit et Eugene Wigner, alors qu’ils travaillaient à Princeton. . Ce travail a contribué à promouvoir la vision de Bohr de la dynamique nucléaire, qui a été rapidement acceptée dans la communauté de la physique nucléaire. Principalement en raison du succès de la théorie de Bohr,
En 1937, avec le brillant jeune physicien danois Fritz Kalckar, Bohr suggéra une analogie pour les noyaux, qui était une goutte de liquide, adaptant sous une forme étendue l’idée de George Gamow de 1928 pour les noyaux constitués de particules alpha. En envisageant le noyau comme une entité homogène, dont le comportement pouvait être appréhendé sur une base statistique sans caractéristique individuelle, le modèle de la goutte liquide exprime à nouveau l’importance des caractéristiques collectives dans un système où la cohésion est le résultat d’une forte interaction mutuelle. L’attraction des particules, contrebalançant les forces électromagnétiques répulsives entre les protons.
Implication politique
Jensen était un scientifique quand Hitler montait au pouvoir, et choisir son camp était nécessaire pour les Allemands, en particulier pour ceux qui pouvaient apporter des contributions scientifiques au mouvement. L’adhésion au Nationalsozialistischer Deutscher Dozentenbund (Ligue nationale-socialiste allemande des conférenciers universitaires ou NSDDB) était avantageuse pour ceux qui cherchaient à poursuivre leur carrière universitaire. Bien que toutes les universités allemandes aient été sous l’influence de la politique, certaines n’étaient pas aussi strictes lorsqu’il s’agissait d’imposer l’adhésion nécessaire au NSDDB, et heureusement ce fut le cas à l’Université de Hambourg. Jensen était cependant toujours membre du NSDDB pendant trois ans. À la fin de la Seconde Guerre mondiale, le processus de dénazification a commencé et quand il était temps pour Jensen de faire face à des poursuites, il a demandé de l’aide à Werner Heisenberg. Heisenberg était l’un des membres les plus éminents de l’Uranium Club, et Heisenberg a témoigné en faveur du caractère de Jensen. Ce témoignage était nécessaire pour l’acquisition de son certificat de badigeon ou Persilschein. Heisenberg avait été un homme puissant à approcher lorsque ce document était nécessaire, car il n’a jamais été membre du Parti national-socialiste des travailleurs allemands ou du NSDAP. Pour Jensen, Heisenberg a rédigé la documentation nécessaire et a déclaré que Jensen avait effectivement rejoint les organisations du parti afin qu’il puisse éviter les difficultés posées par les affiliations politiques ou leur absence pour quelqu’un dans le milieu universitaire.
Trois ans plus tard, au début de 1939, le modèle de la goutte de liquide a été utilisé par Otto Frisch et Lise Meitner pour expliquer la fission nucléaire, un terme utilisé depuis lors pour le phénomène de scission des noyaux lourds en éléments plus légers. Avec John Wheeler, Bohr a immédiatement amélioré le modèle de goutte de liquide en fournissant une étude quantitative du mécanisme des processus de fission, qui a transformé le modèle statique en un modèle dynamique capable de déformation de surface, ce qui a finalement conduit à d’importants développements ultérieurs.
La renaissance du modèle de coque nucléaire
En 1941, Jensen avait accepté un poste de professeur à la Technische Hochschule de Hanovre et pendant la guerre, lorsque les physiciens allemands vivaient dans ce que Jensen lui-même a décrit comme un « isolement étouffant », il a commencé à avoir de nombreuses discussions avec le physicien nucléaire expérimental Otto Haxel, et avec le géochimiste Hans E. Suess, sur les preuves empiriques qui ont distingué des noyaux inhabituellement stables avec certains nombres. Dans ses études cosmochimiques, Suess connaissait bien le travail extraordinaire et systématique du géochimiste norvégien d’origine suisse Victor Goldschmidt, qu’il avait également rencontré personnellement pendant la guerre. Déjà en 1932, George Hevesy avait souligné l’importance de l’étude de l’abondance relative des noyaux dans l’univers car elle pourrait fournir des informations sur la stabilité et la structure des noyaux. Ce point de vue était entièrement partagé par Goldschmidt.Z et le nombre de neutrons N, en plus de la classification standard par nombre de masse A, il avait découvert que des maxima d’abondance pouvaient être observés à des valeurs spécifiques : Z = 28, 40, 50, 74, 82 et 90, et N = 30 , 50, 82 et 108. La conclusion était que les abondances devaient être définitivement une conséquence de la structure nucléaire elle-même. Après la guerre, Suess était définitivement devenu convaincu que les données d’abondance isotopique de Goldschmidt montraient des preuves d’un certain schéma, et a commencé une analyse approfondie de ces données en traçant des résultats empiriques dans toutes les situations possibles, essayant également de développer des règles tenant compte du phénomène de stabilité nucléaire. . Il a identifié comme « numéros spéciaux » N =20, 28, 50, 82 et Z=26 ou 28, 50, ayant des preuves moins convaincantes pour N =58 et Z =20.
De manière tout à fait indépendante, Haxel avait observé un comportement nucléaire inhabituel dans les mêmes isotopes, rencontrant les mêmes nombres. En discutant de la question ensemble, ils ont remarqué comment l’abondance et la stabilité nucléaire coïncidaient dans les noyaux qui avaient des nombres magiques de protons ou de neutrons. Comme Suess l’a rappelé plus tard, « j’étais tellement impressionné que je n’ai pas pu dormir pendant plusieurs nuits. »
Ils se sont efforcés de convaincre Jensen que ces chiffres pourraient être une clé pour comprendre la structure nucléaire. À l’époque, cependant, Jensen ne savait pas quoi penser de cette idée, même s’il pensait que le nom de « nombre magique » était très approprié. Quelques années après la guerre, il a pu visiter Copenhague pour la première fois. Là, dans un numéro récent de la Physical Review, il trouva un article de Maria Goeppert-Mayer, « Sur les coquilles fermées dans les noyaux », soumis en avril 1948, où elle aussi avait recueilli de nombreuses preuves empiriques montrant que « 20, 50, 80 ou 126 neutrons ou protons sont particulièrement stables. Vers 1947, Maria Goeppert-Mayer avait travaillé à Chicago avec Edward Teller sur l’origine des éléments et était ainsi partie de l’analyse des données sur les abondances isotopiques, découvrant le phénomène des nombres magiques. À cette époque, il y avait beaucoup plus d’informations disponibles qu’il n’y en avait eu au début des années 1930 et le tableau était plus clair. La physique nucléaire avait atteint un stade où une image plus détaillée de la structure du noyau atomique commençait à émerger et où il devenait possible de calculer ses propriétés de manière quantitative. Comme Haxel et Suess, Goeppert-Mayer a été intrigué par les régularités se répétant dans une grande variété d’isotopes différents et a recueilli toutes les preuves possibles en analysant les énergies de liaison nucléaire, les énergies de désintégration radioactive et en particulier les abondances isotopiques fournies par le travail monumental de Goldschmidt. Poursuivant les arguments de Guggenheimer et d’Elsasser, elle signale également de nouvelles données issues de la fission et de la physique des neutrons. Ce modèle suggérait que les nucléons remplissaient les niveaux d’énergie nucléaire de la même manière que les électrons remplissaient les niveaux d’énergie atomique. Elle a conclu en disant que la situation était bien sûr très différente même s’il apparaissait que l’effet de coquilles fermées dans les noyaux semblait très prononcé. Dans son premier article, Goeppert-Mayer a souligné la stabilité particulière des nombres 20, 50, 82 et 126, également basée sur les petites sections efficaces d’absorption des neutrons pour les cibles à 82 et 126 neutrons, telles que mesurées par DJ Hughes au laboratoire Argonne.
L’article, qui a montré des preuves impressionnantes en faveur des nombres magiques, a ravivé l’intérêt de Jensen pour le sujet et il a discuté de l’article, ainsi que des résultats provenant de Suess et Haxel, lors d’un séminaire théorique à l’Institut Bohr de Copenhague. Les discussions animées avec Bohr sont restées dans son esprit pour le reste de sa vie. A partir de cet après-midi, Jensen « a commencé à envisager sérieusement la possibilité d’une démagification des ‘nombres magiques' ».
Tout cela s’est passé pendant l’été 1948. L’établissement bien fondé des valeurs particulières des nombres indiquant les coques fermées avait été la première contribution majeure de Goeppert-Mayer au modèle de coque nucléaire. Les preuves accablantes ont convaincu même les sceptiques, mais pourtant il n’y avait aucune théorie qui expliquait pourquoi on obtenait ces valeurs particulières pour les nombres de coquilles fermées. L’identification de la structure de la coquille elle-même, basée sur les preuves de la stabilité nucléaire, avait conduit à l’hypothèse de base selon laquelle un modèle à une seule particule peut décrire le noyau. Les valeurs les plus basses 2, 8 et 20 pourraient être obtenues en mettant les nucléons dans un potentiel de particule unique raisonnable dû aux autres nucléons, dans lequel ils se déplacent presque indépendamment, et qui – sous une forme extrêmement simplifiée – peut être représenté par un puits rectangulaire. Le potentiel de puits carré infini a des niveaux inégalement espacés chacun avec 2 (2l + 1) nucléons, ce qui, selon les règles quantiques, prédit des fermetures au nombre total de particules (neutrons ou protons): 2, 8, 18, 20, 34, 40 , 58.
Ce ne sont pas les nombres magiques nucléaires. Si les nucléons sont remplis dans un puits de potentiel d’oscillateur harmonique, les plus petits nombres magiques 2, 8, 20 peuvent être reproduits. Le chiffre magique 8 correspond au remplissage de tous les niveaux jusqu’à la coque de l’oscillateur n=1 ; et le nombre magique 20 est toujours expliqué comme remplissant la coque de l’oscillateur jusqu’à n=2. Mais au-delà de cela, le système tombe en panne et il n’y a aucune trace d’un écart indiquant des obus dans le système de niveaux à 28, 50 ou 82. Ce modèle simple ne fonctionne pas pour les nombres magiques supérieurs, car pour un A supérieur, on obtient en fait 40, 70, 112 et 168, qui ne sont pas magiques. Ce ne sont pas les nombres magiques nucléaires. Si les nucléons sont remplis dans un puits de potentiel d’oscillateur harmonique, les plus petits nombres magiques 2, 8, 20 peuvent être reproduits. Le chiffre magique 8 correspond au remplissage de tous les niveaux jusqu’à la coque de l’oscillateur n=1 ; et le nombre magique 20 est toujours expliqué comme remplissant la coque de l’oscillateur jusqu’à n=2. Mais au-delà de cela, le système tombe en panne et il n’y a aucune trace d’un écart indiquant des obus dans le système de niveaux à 28, 50 ou 82.
Ce modèle simple ne fonctionne pas pour les nombres magiques supérieurs, car pour un A supérieur, on obtient en fait 40, 70, 112 et 168, qui ne sont pas magiques. Ce ne sont pas les nombres magiques nucléaires. Si les nucléons sont remplis dans un puits de potentiel d’oscillateur harmonique, les plus petits nombres magiques 2, 8, 20 peuvent être reproduits. Le chiffre magique 8 correspond au remplissage de tous les niveaux jusqu’à la coque de l’oscillateur n=1 ; et le nombre magique 20 est toujours expliqué comme remplissant la coque de l’oscillateur jusqu’à n=2. Mais au-delà de cela, le système tombe en panne et il n’y a aucune trace d’un écart indiquant des obus dans le système de niveaux à 28, 50 ou 82. Ce modèle simple ne fonctionne pas pour les nombres magiques supérieurs, car pour un A supérieur, on obtient en fait 40, 70, 112 et 168, qui ne sont pas magiques et le nombre magique 20 est toujours expliqué comme remplissant la coque de l’oscillateur jusqu’à n=2. Mais au-delà de cela, le système tombe en panne et il n’y a aucune trace d’un écart indiquant des obus dans le système de niveaux à 28, 50 ou 82. Ce modèle simple ne fonctionne pas pour les nombres magiques supérieurs, car pour un A supérieur, on obtient en fait 40, 70, 112 et 168, qui ne sont pas magiques et le nombre magique 20 est toujours expliqué comme remplissant la coque de l’oscillateur jusqu’à n=2. Mais au-delà de cela, le système tombe en panne et il n’y a aucune trace d’un écart indiquant des obus dans le système de niveaux à 28, 50 ou 82. Ce modèle simple ne fonctionne pas pour les nombres magiques supérieurs, car pour un A supérieur, on obtient en fait 40, 70, 112 et 168, qui ne sont pas magiques.
Le cas des coquilles fermées dans les noyaux présents certainement des similitudes avec ceux des atomes, et plusieurs groupes ont travaillé sur ce problème en 1948, essayant de modifier le potentiel nucléaire pour que les coquilles fermées apparaissent pour 28, 50, 82 et 126. Cependant, le des nombres plus élevés ont continué à être un véritable défi à expliquer. Il est devenu clair qu’un changement dans la forme du potentiel ne pouvait pas expliquer les nombres magiques, mais l’attitude générale était que « on en sait si peu sur les forces nucléaires… ».
Cependant, les nombres magiques, ainsi que de nombreuses autres pièces ont été là, démontrant avec force les mouvements indépendants des nucléons individuels, mais une pièce clé de plus était nécessaire pour résoudre le puzzle.
L’inattendu : le rôle du couplage spin-orbite dans les noyaux
Le 4 février 1949, Maria Goeppert-Mayer envoie une nouvelle courte lettre à la Physical Review, « Sur les coquilles fermées dans les noyaux. II » où elle a présenté sa solution au puzzle des nombres magiques. Une reconnaissance des plus importantes était écrite à la fin de la lettre : « Merci à Enrico Fermi pour la remarque : ‘Y a-t-il une indication de couplage spin-orbite ?’ qui a été à l’origine de cet article. A cette époque, Enrico Fermi s’était intéressé aux nombres magiques, et ils avaient souvent des discussions sur ce sujet à Chicago. Goeppert-Mayer avait de grandes compétences en mécanique quantique et était extrêmement familier avec l’interprétation des données spectroscopiques atomiques et moléculaires en termes de structures de couches d’électrons. En particulier, elle était spécialiste de l’approximation orbitale individuelle qu’elle avait utilisée dans ses calculs sur les atomes et molécules lourds dans laquelle l’énergie de l’interaction spin-orbite pour les électrons est comparable à celle de l’interaction de Coulomb. Dans les atomes légers, les moments cinétiques orbitaux de tous les électrons se combinent en un total L et tous les spins en un total S, et L et S se combinent pour former J, car les interactions entre les moments cinétiques orbitaux des électrons individuels sont plus fortes que l’interaction de le spin de chaque électron avec son propre moment cinétique orbital, le soi-disantcouplage spin-orbite . Cependant, pour les éléments plus lourds, les interactions spin-orbite deviennent aussi fortes que les interactions entre les spins individuels ou les moments cinétiques orbitaux. Dans ces cas, ils ont tendance à se coupler pour former des moments cinétiques électroniques individuels donnés par la somme des deux ( j=l+s ) de sorte que l’on a ce qu’on appelle le couplage jj entre les électrons individuels, un petit effet qui, après la découverte de spin, a pu expliquer la division des niveaux d’énergie et l’observation conséquente de la structure fine dans le spectre des atomes alcalins, comme le fameux « doublet de sodium ».
Goeppert-Mayer a immédiatement reconnu qu’une forte interaction spin-orbite dans la même coquille, mais sans interaction avec les nucléons d’autres coquilles, expliquerait en fait les nombres magiques. Elle a immédiatement répondu à la question de Fermi : « Oui, et tout s’expliquera. » Fermi était sceptique, mais en quelques heures, elle a pu effectuer les bons calculs et tout s’est parfaitement déroulé.
L’hypothèse clé était donc que le spin de tout nucléon est fortement couplé à son propre moment cinétique orbital, conduisant à une forte scission d’un terme de moment cinétique l en deux termes distincts j = l +1/2 et j = l -1 /2, en raison de l’orientation différente du moment cinétique total, et donnant invariablement le niveau j = l +1/2 une énergie considérablement plus faible, de sorte qu’elle sera remplie avant celle pour j = l -1/2. En effet, le couplage spin-orbite est de signe opposé à celui des atomes. Les nombres magiques s’enchaînent aussitôt dans l’hypothèse d’un dédoublement particulièrement marqué du terme de moment cinétique le plus élevé j = l +1/2, aboutissant à une structure en coque fermée dans laquelle chaque groupe se rapporte aux niveaux caractérisés par le nombre quantique de l’oscillateur n fusionne avec le terme j le plus élevé du groupe n suivant.
Un couplage spin-orbite suffisamment fort surmonte ainsi l’espacement des niveaux de l’oscillateur et les coquilles se ferment aux bons nombres magiques 2, 8, 20, 28, 50, 82 et 126.
Pendant ce temps, Jensen avait continué à s’en tenir au puzzle des nombres magiques. Au début, il a essayé de rester autant que possible dans l’ancien cadre et n’a considéré que le spin du noyau entier, car il semblait exister une simple corrélation entre les nombres magiques de nucléons et la séquence des spins nucléaires et leurs multiplicités. Cependant, en suivant des suggestions antérieures selon lesquelles le spin d’un noyau est dû au spin du dernier nucléon (impair), Suess avait tracé les valeurs de spin expérimentales pour les noyaux impairs-pairs et pairs-impairs en fonction du nombre de nucléons et avait obtenu la bonne valeur magique nombres en inversant la séquence des valeurs de spin et en incluant la valeur la plus élevée j = l+1/2 dans le shell précédent. Lorsque Jensen l’a vu, les choses sont devenues claires et il a rapidement été en mesure d’expliquer l’indice sous-jacent du schéma obtenu : un fort couplage spin-orbite. Comme Jensen l’a dit, heureusement, il ne se souvenait pas des anciens arguments contre un fort couplage spin-orbite décrit dans la « Bible de Bethe ». Au cours d’une discussion avec Haxel et Suess, ils ont essayé d’inclure tous les faits empiriques disponibles dans le schéma du modèle à une seule particule avec un fort couplage spin-orbite. Dans sa conférence Nobel, Jensen s’est en fait rappelé avoir été ravi quand ils ont trouvé des indices dans les données encore maigres qui étaient disponibles à l’époque que le nombre de protons et de neutrons 28 devrait également être quelque chose comme un nombre magique confirmant l’explication spin-orbite.
Leur première note a été rejetée par Nature, déclarant : « … ce n’est pas vraiment de la physique mais plutôt un jeu avec les chiffres. » Ce n’est qu’en raison du vif intérêt pour les nombres magiques affichés par Niels Bohr que Jensen a envoyé la même lettre à Victor Weisskopf, qui l’a transmise à la Physical Review où elle a été soumise le 18 avril et publié dans le numéro de juin 1949 avec le titre «Sur les« nombres magiques »dans la structure nucléaire». Deux semaines plus tard, la note susmentionnée de Maria Goeppert-Mayer expliquant indépendamment les nombres magiques avec couplage spin-orbite est apparue dans le numéro de juin suivant du même journal. Entre-temps, Jensen Haxel et Suess ont eu plus de succès avec Die Naturwissenschaften, où ils ont publié une série de trois articles sur la théorie des niveaux d’énergie nucléaire liés aux moments cinétiques orbitaux et à l’effet du spin du nucléon. Dans leur vaste article envoyé le 5 mai 1950 à Zeitschrift für Physik, ils ont clairement fourni une explication théorique des nombres 2, 8, 28, 50, 82, 126, initialement proposée par Goeppert-Mayer. La séquence de couplage spin-orbite est à peu près la même pour les neutrons et les protons jusqu’à ce que N = Z =50 soit atteint au niveau 1g9/2, au-delà duquel les neutrons et les protons suivent des séquences différentes du fait de l’effet croissant de la répulsion coulombienne.
Une fois de plus, l’analogie en physique avait joué un rôle décisif. Le modèle de coquille a été accepté immédiatement, malgré le conflit apparent avec le modèle composé de Bohr. Il s’est immédiatement révélé être un modèle raisonnable de structure nucléaire, capable d’expliquer et de prédire des propriétés nucléaires autres qu’une demi-douzaine de nombres. Non seulement il pouvait rendre compte de nombreuses valeurs récemment mesurées des spins nucléaires et des moments magnétiques nucléaires, mais il fournissait des fonctions d’onde pour les états nucléaires, qui pourraient être utilisées pour faire des prédictions qui pourraient être testées par des observations utilisant de nouvelles techniques expérimentales. Le modèle expliquait en particulier plusieurs régularités de spins et de parités nucléaires, et indiquait que de nombreux isomères nucléaires devraient exister pour les noyaux avec de grandes valeurs de moment cinétique. Son succès a démontré que la connaissance de la structure nucléaire pouvait progresser modèle par modèle. Bohr, lui aussi, a été convaincu par les nouveaux résultats et a fait valoir qu’une compréhension plus approfondie du problème de la mécanique quantique à plusieurs corps était certainement nécessaire pour concilier les deux points de vue.
Goeppert-Mayer et Jensen se sont finalement rencontrés en Allemagne, sont devenus de très bons amis et ont ensuite collaboré à un livre, Elementary Theory of Nuclear Shell Structure., qui a été publié en 1955.
À cette époque, avec Walther Bothe, Jensen était devenu à Heidelberg une force motrice dans la reconstruction de la recherche en physique après la Seconde Guerre mondiale. Huit ans plus tard, en 1963, il reçut conjointement avec Goeppert-Mayer la moitié du prix Nobel de physique « pour leurs découvertes concernant la structure de la coque nucléaire ». L’autre moitié a été décernée à Eugene P. Wigner « pour ses contributions à la théorie du noyau atomique et des particules élémentaires, notamment par la découverte et l’application des principes fondamentaux de symétrie ». Maria Goeppert-Mayer était à l’époque la seule femme vivante au monde avec un prix Nobel de science, et elle et Marie Curie, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1903 avec son mari Pierre Curie, étaient les seules femmes à avoir a remporté un prix Nobel de physique.
Le modèle de la coquille a représenté un grand pas en avant dans la compréhension du noyau, cependant, il a été très vite découvert que certaines propriétés ne peuvent pas être expliquées par ce modèle, la plus frappante étant peut-être l’écart marqué de la distribution de charge par rapport à la symétrie sphérique, qui était observé dans plusieurs cas. Personne n’a été en mesure de donner une explication raisonnable du phénomène. La solution à un tel problème était d’accepter la complémentarité de la particule indépendante et du modèle statistique, chacun ne pouvant expliquer que certains phénomènes.
Plusieurs tentatives ont été faites pour développer un modèle collectif qui traitait le mouvement des nucléons dans leur ensemble, ainsi que les mouvements des nucléons individuels à l’extérieur des coquilles fermées, combinant ainsi les caractéristiques essentielles des deux modèles. Une première proposition fut présentée par James Rainwater en avril 1950, et indépendamment, un mois plus tard, par Aage Bohr, le quatrième fils de Niels Bohr, qui fut bientôt rejoint par Ben Mottelson pour poursuivre les conséquences de l’interaction des particules individuelles et collectives mouvement pour la grande variété de phénomènes nucléaires qui relevaient alors du domaine des études expérimentales. Ils ont développé une étude approfondie du couplage des oscillations de la surface nucléaire au mouvement des nucléons individuels et ont ainsi pu prédire les différents types d’excitations collectives : vibrations et rotations. Leur modèle a conservé la plupart des caractéristiques du modèle de goutte liquide et du modèle de coque, et a également pu expliquer des phénomènes supplémentaires, tels que les moments quadripolaires électriques, les probabilités de transition du rayonnement gamma, etc. Le développement explosif de la spectroscopie nucléaire au cours de ces années a rapidement a conduit à un vaste corpus de données sur les spectres de rotation nucléaire et est allé de pair avec de nouvelles clarifications et un élargissement de la base théorique. Malheureusement, Niels Bohr n’était plus en vie lorsque son fils Aage reçut conjointement avec James Rainwater et Ben Mottelson le prix Nobel de physique en 1975, « pour la découverte du lien entre le mouvement collectif et le mouvement des particules dans les noyaux atomiques et le développement de la théorie de la structure du noyau atomique basée sur cette connexion.
Hans D. Jensen (1907-1973)
Johannes Hans Daniel Jensen était un physicien allemand qui a proposé la théorie de la structure nucléaire des nucléons – protons et neutrons – regroupés en couches concentriques en forme d’oignon. Il a suggéré que les nucléons tournaient sur leur propre axe pendant qu’ils se déplaçaient sur une orbite à l’intérieur de leur coquille et que certains schémas du nombre de nucléons par coquille rendaient le noyau plus stable. Les scientifiques savaient déjà que les électrons en orbite autour du noyau étaient disposés dans différentes coquilles. Pour son modèle du noyau, Jensen a partagé le prix Nobel de physique de 1963 (avec Maria Goeppert-Mayer, qui est arrivée à la même hypothèse de manière indépendante aux États-Unis ; et Eugene P. Wigner pour un travail sans rapport.) Au cours des années 1950, Jensen a travaillé sur radioactivité.
https://www.thefamouspeople.com/profiles/j-hans-d-jensen-7166.php
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1963/jensen/biographical/