Tài liệu Tìm hiểu Giải Nobel Vật lý pdf

Tìm hiểu

Giải Nobel Vật lý









Giải Nobel Vật lý
Huy chương giải Nobel vật lý
Giải Nobel về vật lý là một trong những
giải Nobel được trao hàng năm cho các nhà vật
lý và thiên văn có những khám phá và những đóng góp nổi trội trong lĩnh vực vật lý hàng

năm.
Diễn tiến về các sự nghiên cứu và phát minh dẫn đến các giải Nobel về vật lý được tóm
tắt dưới đây. Trong khi tất cả các nhà vật lý đã đoạt giải này từ 1901 đến nay được liệt kê
tại Danh sách những người đoạt giải Nobel Vật lý.
Lịch sử
Bối cảnh giải Nobel Vật lý
Alfred Nobel đã viết trong di chúc cuối cùng rằng ông để dành tài sản và lấy lãi hàng
năm để lập nên 5 giải Nobel (vật lý, hóa học, hay y học, văn học, và hòa bình) cho
"những ai, trong những năm trước khi giải được trao đó, đã đưa đến những lợi ích nhất
cho con người.", và …Giải thưởng cho vật lý và hóa học sẽ do viện Hàn lâm Thụy Điển
trao tặng.
[1][2]
Dù Nobel đã viết nhiều di chúc trong suốt cuộc đời của ông, bản di chúc
cuối cùng được viết gần 1 năm trước khi ông qua đời, và ký tại Câu lạc bộ Na Uy-Thụy
Điển ở
Paris ngày 27 tháng 11 năm 1895.
[3][4]
Nobel dành 94% tổng giá trị tài sản của
mình, 31 triệu
krona Thụy Điển (tương đương 186 triệu USD thời điểm năm 2008), để
thiết lập 5 Giải Nobel.
[5]
Do mức độ hoài nghi quanh di chúc này, mãi đến ngày 26 tháng
4 năm 1897 thì |Storting (Quốc hội Na Uy) mới phê duyệt.
[6][7]
Từ vật lý cổ điển đến vật lý lượng tử

Wilhelm Röntgen, người đầu tiên đạt giải Nobel Vật lý năm 1901
Năm 1901, khi giải Nobel đầu tiên được trao thì các lĩnh vực của vật lý cổ điển đã dựa
trên một nền tảng vững chắc do các nhà vật lý và hóa học vĩ đại của thế kỉ 19 tạo nên.

Tuy vậy, sự thỏa mãn về bức tranh vật lý đó kéo dài không được bao lâu. Thời điểm bước
sang thế kỉ mới là thời điểm quan sát các hiện tượng mà vật lý lúc bấy giờ không lý giải
được và những ý tưởng cực mới về cơ sở của vật lý lý thuyết được đưa ra.
Tia X và phóng xạ
Một trong những hiện tượng không giải thích được của vài năm cuối cùng của thế kỉ 19
đó là việc Wilhelm Conrad Röntgen, người được trao giải Nobel vật lý đầu tiên (1901)
phát hiện ra tia X vào năm 1895. Năm 1896 Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng
phóng xạ
và hai vợ chồng nhà bác học Marie và Pierre Curie tiếp tục nghiên cứu bản chất
của hiện tượng này. Nhờ công trình về hiện tượng phóng xạ, Becquerel và vợ chồng
Curie được trao giải Nobel năm 1903. Cùng với công trình của Ernest Rutherford (người
đạt giải Nobel về hóa học năm
1908) người ta hiểu rằng thực ra nguyên tử bao gồm một
hạt nhân rất nhỏ chứ không phải như từng được nghĩ như trước đây là một phần tử không
có cấu trúc.
Cấu trúc nguyên tử
Năm 1897, J.J. Thomson (Joseph John Thomson) phát hiện các tia phát ra từ ca-tốt trong
một ống chân không là những hạt có mang điện tích. Ông đã chứng minh rằng các tia này
gồm những hạt rời rạc mà sau này chúng ta gọi là các hạt điện tử (hay electron). Ông đã
đo tỉ số giữa khối lượng của hạt với điện tích (âm) của hạt đó và thấy rằng giá trị đó chỉ
bằng một phần rất nhỏ so với giá trị dự đoán của các
nguyên tử mang điện. Và ngay sau
đó người ta thấy rằng các hạt có khối lượng nhỏ bé mang
điện tích âm đó phải là những
viên gạch cùng với hạt nhân mang điện tích dương đã tạo nên tất cả các loại nguyên tử.
Thomson nhận giải Nobel năm 1906. Trước đó một năm (1905), Philipp E.A. von Lenard
đã làm sáng tỏ rất nhiều tính chất thú vị của những tia phát ra từ ca-tốt như là khả năng đi
sâu vào những tấm kim loại và tạo ra huỳnh quang. Sau đó, vào năm 1912, Robert A.
Millikan lần đầu tiên đo chính xác điện tích của điện tử bằng phương pháp giọt dầu (tiếng
Anh: oil-drop), và việc này dẫn ông đến giải Nobel năm 1923. Millikan cũng được trao

giải cho những công trình về hiệu ứng quang điện.
Sự phá sản của ê-te
Vào đầu thế kỉ 20, Albert Abraham Michelson đã phát triển một phương pháp giao thoa,
theo phương pháp này thì khoảng cách giữa hai vật thể có thể được đo bằng số các bước
sóng ánh sáng (hoặc là những phần nhỏ của chúng). Điều này làm cho việc xác định
chiều dài chính xác hơn trước đó rất nhiều. Dùng chiếc giao thoa kế đó, Michelson và
Edward Morley đã tiến hành một thí nghiệm nổi tiếng (Thí nghiệm Michelson-Morley,
thí nghiệm đó kết luận rằng vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động tương
đối của nguồn ánh sáng và người quan sát. Thí nghiệm này bác bỏ giả thuyết trước đó coi
ê-te là môi trường truyền ánh sáng. Michelson nhận giải Nobel năm 1907.
Nguyên tử và từ trường
Các cơ chế phát xạ ánh sáng bởi các hạt tải điện đã được Hendrik Lorentz nghiên cứu.
Ông cũng là người đầu tiên áp dụng các
phương trình Maxwell vào việc dẫn điện trong
vật chất. Lý thuyết của ông có thể được áp dụng vào bức xạ gây ra bởi dao động giữa các
nguyên tử, và vào bối cảnh đó, lý tuyết có thể giải thích một thí nghiệm cực kì quan
trọng. Vào năm 1896, Pieter Zeeman khi nghiên cứu về các hiệu ứng điện từ của ánh
sáng đã tìm ra một hiện tượng quan trọng, đó là các vạch phổ của natri khi bị đốt cháy
trong một
từ trường mạnh bị tách thành một vài thành phần. Hiện tượng này có thể được
giải thích rất chi tiết bằng lý thuyết của Lorentz khi lý thuyết này được áp dụng cho các
dao động của các điện tử. Lorentz và Zeeman chia nhau giải Nobel năm
1902. Sau đó,
Johannes Stark chứng minh ảnh hưởng trực tiếp của điện trường lên phát xạ ánh sáng nhờ
việc phát ra một chùm các nguyên tử (chùm tia a-nốt gồm các nguyên tử hoặc phân tử)
trong một điện trường mạnh. Ông đã quan sát được sự tách phức tạp của các vạch phổ
cũng như dịch chuyển Doppler phụ thuộc và vận tốc của nguồn phát. Stark nhận giải
Nobel năm 1919.
Ứng dụng của tia X và xác định cấu trúc lớp điện tử
Bắt đầu từ giữa thế kỉ 19, người ta đã có một tài liệu thực nghiệm đó là những vạch phổ

đặc trưng phát ra trong những vùng khả kiến từ những loại nguyên tử khác nhau. Bức xạ
tia X đặc trưng do Charles Glover Barkla (giải Nobel năm 1917) phát hiện bổ sung thêm
cho tài liệu đó. Barkla phát hiện điều đó sau khi Max von Laue (giải Nobel năm 1914)
xác định bản chất sóng của bức xạ và nhiễu xạ tia X. Phát hiện của von Laue trở thành
một nguồn thông tin quan trọng về cấu trúc bên trong của nguyên tử. Karl Manne Georg
Siegbahn nhận thấy rằng đo phổ tia X đặc trưng của tất cả các nguyên tố sẽ cho biết một
cách có hệ thống các lớp điện tử kế tiếp được thêm vào như thế nào khi đi từ các nguyên
tố nhẹ tới các nguyên tố nặng. Ông đã thiết kế các quang phổ kế cực kì chính xác cho
mục đích này. Và nhờ đó sự khác nhau về năng lượng của các lớp điện tử khác nhau cũng
như các qui tắc cho việc dịch chuyển bức xạ giữa các lớp đó được xác định. Ông nhận
giải Nobel vật lý năm
1924. Tuy vậy, hóa ra là để hiểu sâu hơn cấu trúc của nguyên tử,
người ta cần nhiều hơn rất nhiều những khái niệm thông thường của vật lý cổ điển mà lúc
bấy giờ, khó ai có thể tưởng tượng nổi.
Sự ra đời của thuyết lượng tử
Vật lý cổ điển coi chuyển động là liên tục cũng như việc trao đổi năng lượng cũng là liên
tục. Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra những bức xạ có một đỉnh cực đại? Wilhelm
Wien nghiên cứu về bức xạ của vật đen (tiếng Anh: black body) từ những vật rắn nóng
(tương phản với bức xạ của các nguyên tử khí có phân bố tần số liên tục). Sử dụng điện
động học cổ điển
, ông đi tới một biểu thức cho phân bố tần số của bức xạ này và cho sự
dịch chuyển của bước sóng có cường độ cực đại khi nhiệt độ của một vật đen bị thay đổi
(
định luật dịch chuyển Wien, rất hiệu quả trong việc xác định nhiệt độ của Mặt Trời
chẳng hạn). Ông được trao giải Nobel năm 1911.

Max Planck, cha đẻ thuyết lượng tử
Tuy vậy, Wien không thể rút ra một công thức phân bố phù hợp với thực nghiệm cho cả
hai vùng bước sóng dài và bước sóng ngắn. Vấn đề đó không được giả quyết cho đến khi
Max Planck đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới là năng lượng phát xạ chỉ phát ra từng

lượng gián đoạn có một giá trị nhất định gọi là
lượng tử. Một lượng tử năng lượng bằng
hằng số Planck nhân với tần số của lượng tử đó. Đây được coi là sự ra đời của vật lý
lượng tử. Wien nhận giải Nobel năm 1911 và Planck nhận giải Nobel năm 1918. Các
bằng chứng quan trọng chứng minh ánh sáng phát ra theo từng lượng tử năng lượng cũng
được củng cố bằng lời giải thích của Albert Einstein về hiệu ứng quang điện (được
Heinrich Rudolf Hertz quan sát lần đầu tiên vào năm 1887), hiệu ứng này cho thấy ánh
sáng không chỉ được phát ra theo từng lượng tử mà còn được hấp thụ theo từng lượng tử.
Hiệu ứng quang điện bao gồm phần mở rộng của lý thuyết Planck. Einstein nhận giải
Nobel vật lý năm 1921 về hiệu ứng quang điện và về những đóng góp cho vật lý lý
thuyết.
Trong các thí nghiệm sau này, James Franck và Gustav Ludwig Hertz đã chứng minh
hiệu ứng quang điện ngược (tức là khi một điện tử va chạm với một nguyên tử thì cần
một năng lượng tối thiểu để sinh ra các lượng tử ánh sáng với năng lượng đặc trưng phát
ra từ va chạm đó) và chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết Planck và hằng số Planck.
Franck and Hertz cùng nhận giải Nobel năm 1926. Cũng vào khoảng thời gian đó, Arthur
Compton (người nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1927) nghiên cứu sự mất mát năng
lượng của quang tử (lượng tử sóng điện từ) tia X khi tán xạ lên các hạt vật chất và cho
thấy rằng các lượng tử của chùm tia X có năng lượng lớn hơn năng lượng của ánh sáng
nhìn thấy 10.000 lần và chúng cũng tuân theo các qui tắc lượng tử. Charles Thomson
Rees Wilson (xem dưới đây) nhận một nửa giải Nobel năm 1927 vì tạo ra dụng cụ quan
sát tán xạ năng lượng cao có thể được dùng để chứng minh tiên đoán của Compton.
Mô hình nguyên tử của Bohr
Mô hình của Dalton, Thompson, Rutherford, Bohr
và mô hình lượng tử về nguyên tử
Niels Bohr làm việc với mô hình hành tinh nguyên tử trong đó các điện tử quay xung
quanh hạt nhân. Ông thấy rằng các vạch phổ sắc nét phát ra từ các nguyên tử có thể được
giải thích nếu cho rằng điện tử quay xung quanh hạt nhân trên các quĩ đạo tĩnh đặc trưng
bởi một
mô-men góc bị lượng tử hóa. Ông cũng cho thấy năng lượng phát xạ chính bằng

sự khác nhau giữa các trạng thái năng lượng bị lượng tử hóa đó. Giả thiết ông đưa ra có
xuất phát điểm từ vật lý cổ điển hơn là từ lý thuyết của Plank. Mặc dầu giả thiết trên chỉ
giải thích được một số đặc điểm đơn giản của quang phổ và nguồn gốc của nó nhưng
người ta cũng sớm chấp nhận nó vì phương pháp của Bohr là một điểm khởi đầu đúng
đắn, ông nhận giải Nobel năm 1922.
Lưỡng tính sóng-hạt
Năm 1923, Louis de Broglie (Louis-Victor P. R. de Broglie) đã phát biểu rằng các hạt vật
chất cũng có những tính chất sóng và rằng sóng điện từ cũng thể hiện những tính chất của
các hạt dưới dạng các quang tử. Ông đã phát triển các công thức toán học cho tính lưỡng
tính này, trong đó có một công thức mà sau này gọi là bước sóng de Broglie cho các hạt
chuyển động. Các thí nghiệm ban đầu của
Clinton Davisson đã chỉ ra rằng thực ra các
điện tử thể hiện tính chất phản xạ giống như các sóng khi đập vào một
tinh thể và các thí
nghiệm này được lặp lại nhiều lần chứng minh giả thiết lưỡng tính của de Broglie. Một
thời gian sau George Paget Thomson (con trai của J.J. Thomson) đã đưa ra nhiều thí
nghiệm đã được cải tiến rất nhiều cho biết hiện tượng tán xạ khi các điện tử năng lượng
cao đi sâu vào trong các tấm kim loại. De Broglie nhận giải Nobel năm 1929 và sau đó
Davisson và Thomson chia nhau giải Nobel năm 1937. Erwin Schrödinger phát triển
thêm ý tưởng của de Broglie và viết một bài báo cơ bản về Lượng tử hóa như là một bài
toán trị riêng vào đầu năm 1926. Ông đã tạo ra một cái gọi là cơ học sóng. Nhưng một
năm trước đó Werner Heisenberg đã bắt đầu một phương pháp toán học hoàn toán khác
gọi là cơ học ma trận và bằng cách đó ông cũng thu được các kết quả tương tự như các
kết quả mà Schrödinger đưa ra sau đó. Lý thuyết này cũng ngụ ý rằng có những giới hạn
tự nhiên trong việc xác định chính xác đồng thời các đại lượng vật lý Hệ thức bất định
Heisenberg. Heisenberg được trao giải Nobel năm 1932 cho sự phát triển của cơ học
lượng tử, trong khi đó Schrödinger và Paul Dirac cùng nhận giải vào năm sau đó. Dirac
sửa đổi các công thức khi tính đến lý thuyết tương đối hẹp của Einstein và cho thấy rằng
một lý thuyết như vậy không chỉ bao gồm những thông số tương ứng cho sự tự quay của
điện tử xung quanh mình, gọi là spin, mà còn tiên đoán sự tồn tại của một loại hạt hoàn

toàn mới gọi là các
phản hạt có khối lượng bằng khối lượng của điện tử nhưng mang điện
tích dương. Phản hạt đầu tiên của điện tử do Carl David Anderson (được trao một nửa
giải Nobel năm 1936) phát hiện năm 1932 được gọi là phản điện tử (positron).
Nguyên lý loại trừ
Max Born, thầy của Heisenberg vào những năm đầu của thập niên 1920 có những đóng
góp quan trọng về miêu tả toán học và giải thích vật lý. Ông nhận một nửa giả Nobel vào
năm 1954 cho công trình của ông về ý nghĩa thống kê của hàm sóng. Wolfgang Pauli đã
đưa ra nguyên lý loại trừ (mỗi trạng thái lượng tử chỉ có thể có một điện tử mà thôi) dựa
trên cơ sở lý thuyết bán cổ điển của Bohr. Sau này, người ta cũng thấy nguyên lý Pauli
liên quan đến tính đối xứng của hàm sóng của các hạt có spin bán nguyên nói chung gọi
là các fermion để phân biệt với các hạt boson có spin là một số nguyên lần của hằng số
Plank chia cho 2*pi. Nguyên lý loại trừ có nhiều hệ quả quan trọng trong nhiều lĩnh vực
của vật lý và Pauli nhận giải Nobel năm 1945.
Năm 1947, Polykarp Kusch tìm ra rằng mô-men từ của một điện tử không có giá trị đúng
như Dirac tiên đoán mà khác với một đại lượng rất nhỏ. Vào cùng thời gian đó Willis
Lamb cũng nghiên cứu một vấn đề tượng tự về spin của điện tử tương tác với các trường
điện từ bằng việc nghiên cứu cấu trúc siêu tinh tế của quang phổ phát ra từ nguyên tử
hydrogen. Ông quan sát thấy rằng sự tách cấu trúc siêu tinh tế luôn luôn sai khác với giá
trị của Dirac một lượng đáng kể. Kusch và Lamb cùng nhận giải Nobel năm 1955.
Điện động lực học lượng tử và sắc động lực học lượng tử
Richard Feynman, người có đóng góp đáng kể cho điện động lực học
lượng tử
Trong điện động lực học lượng tử (còn được biết theo chữ viết tắt tiếng Anh là QED -
quantum electrodynamics), lý thuyết nhiễu loạn lượng tử miêu tả các hạt tích điện tương
tác thông qua trao đổi các quang tử. Mô hình cũ của điện động lực học lượng tử chỉ bao
gồm trao đổi quang tử riêng lẻ, nhưng Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard
Feynman nhận ra rằng tình huống lại phức tạp hơn rất nhiều vì tán xạ điện tử-điện tử có
thể bao gồm trao đổi một vài quang tử. Một
điện tích điểm trần trụi không tồn tại trong

bức tranh của họ. Điện tích luôn tạo ra một đám các cặp hạt-phản hạt ảo ở xung quanh
nó, do đó,
mô men từ hiệu dụng của nó thay đổi và thế năng Coulomb cũng bị biến đổi tại
các khoảng cách ngắn. Các tính toán từ mô hình này đã tái tạo lại các dữ liệu thực
nghiệm của Kusch và Lamb với một độ chính xác ngạc nhiên và mô hình điện động lực
học lượng tử mới được coi là một lý thuyết chính xác nhất đã từng có. Tomonaga,
Schwinger và Feynman cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1965. Phát triển này của điện
động lực học lượng tử lại có một tầm quan trọng vĩ đại nhất cho cả việc miêu tả các hiện
tượng vật lý năng lượng cao. Khái niệm sinh cặp từ trạng thái chân không của một trường
lượng tử là một khái niệm cơ sở trong lý thuyết trường hiện đại của các tương tác mạnh
và của
sắc động lực học lượng tử (quantum chromodynamics).
Khám phá về tính đối xứng
Khía cạnh cơ bản khác của cơ học lượng tử và lý thuyết trường lượng tử là tính đối xứng
của các hàm sóng và các trường. Năm 1956, Lý Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) và Dương
Chấn Ninh (Chen Ning Yang) đã chỉ ra rằng các tương tác vật lý có thể không tuân theo
đối xứng gương. Điều này có nghĩa là tính chất chẵn lẻ của hàm sóng, kí hiệu là P, không
được bảo toàn khi hệ bị đặt dưới một tương tác như vậy và tính chất đối xứng gương có
thể bị thay đổi. Lý và Dương cùng nhận giải Nobel năm 1957. James Watson Cronin và
Val Logsdon Fitch phát hiện sự phân rã của hạt meson K vi phạm nguyên lý bảo toàn
điện tích và tính chẵn lẻ năm 1964 và họ cùng nhau nhận giải Nobel năm 1980.
Năm 1960, khi Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg đưa ra lý thuyết
thống nhất
tương tác yếu và tương tác điện từ. Họ cùng nhau chia giải Nobel năm 1979
về lý thuyết thống nhất này và đặc biệt là tiên đoán của họ về một loại tương tác yếu đặc
biệt được điều hòa bởi dòng neutron đã được thực nghiệm kiểm chứng mới gần đây. Giải
Nobel vật lý cuối cùng của thế kỷ 20 được trao cho Gerardus 't Hooft và Martinus J. G.
Veltman
. Họ đã tìm ra cách để tái chuẩn hóa lý thuyết điện-yếu, và loại bỏ các điểm kỳ dị
trong các tính toán lượng tử.

Từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô
Thuyết tương đối
Albert Einstein, Cha đẻ của Thuyết tương đối,
nhưng lại được trao giải Nobel về Hiệu ứng quang điện
Một mối liên hệ khác liên kết các thực thể nhỏ nhất và lớn nhất trong vũ trụ của chúng ta
là lý thuyết tương đối của Albert Einstein. Einstein đưa ra thuyết tương đối hẹp của mình
lần đầu tiên vào năm 1905 với phương trình cho biết mối liên hệ giữa khối lượng và năng
lượng E = mc². Và vào thập kỷ tiếp theo, ông tiếp tục đưa ra thuyết tương đối rộng liên hệ
lực hấp dẫn với cấu trúc của không gian và thời gian. Tất cả các tính toán khối lượng hiệu
dụng của các hạt năng lượng cao, của các biến đổi năng lượng trong phân rã phóng xạ
cũng như các tiên đoán của Dirac về sự tồn tại của phản hạt, đều dựa trên lý thuyết tương
đối của ông. Lý thuyết tương đối rộng là cơ sở cho các tính toán chuyển động trên thang
vĩ mô của vũ trụ, kể cả giả thiết về tính chất của
hố đen. Einstein nhận giải Nobel vào
năm
1922 lại do công trình về hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của ánh sáng.
Các đồng vị
Ernest Rutherford và Frederick Soddy (Nobel hóa học 1921) đưa ra lý thuyết biến tố. Họ
đã theo dõi rất chi tiết một chuỗi các phân rã phóng xạ khác nhau và so sánh năng lượng
phát ra với sự thay đổi về khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con. Họ tìm thấy rằng
hạt nhân thuộc một nguyên tố hóa học có thể có các khối lượng khác nhau và họ đã tìm ra
các đồng vị. Một giải Nobel cũng được trao vào năm 1922 cho Francis William Aston về
việc tách quang phổ - khối lượng của một số lớn các đồng vị của các nguyên tố không
phóng xạ. Cùng lúc đó Marie Curie cũng nhận giải Nobel lần thứ hai (lần này về hóa học)
về phát hiện ra các nguyên tố hóa học radi và poloni.
Khối lượng của các đồng vị đều là một số nguyên lần khối lượng của
proton, hạt proton
do Rutherford phát hiện lần đầu tiên khi ông chiếu tia alpha và hạt nhận nguyên tử
nitơ.
Nhưng các đồng vị không thể chỉ được tạo thành từ các proton được vì mỗi nguyên tố

hóa học chỉ có một giá trị tổng điện tích hạt nhân. Thông thường các proton chỉ chiếm
không đến một nửa khối lượng hạt nhân, điều đó có nghĩa là một số thành phần không
mang điện cũng có mặt trong hạt nhân. James Chadwick lần đầu tiên tìm thấy chứng cứ
cho hạt đó, gọi là hạt neutron khi ông nghiên cứu các phản ứng hạt nhân năm 1932. Ông
nhận giải Noebel vật lý năm 1935.
Ngay sau phát hiện của Chadwick, Enrico Fermi và một số người khác cũng bắt tay vào
nghiên cứu neutron như là một phương pháp để tạo ra các phản ứng hạt nhân mà có thể
gây ra phóng xạ "nhân tạo". Fermi thấy rằng xác suất của các phản ứng hạt nhân cảm ứng
(không bao gồm biến đổi nguyên tố) tăng lên khi neutron bị làm chậm đi và điều này
cũng đúng cho các nguyên tố nặng giống như với các nguyên tố nhẹ, trái ngược với phản
ứng của các hạt mang điện (ví dụ như proton) cảm ứng. Ông nhận giải Nobel vật lý năm
1938.
Vật lý hạt nhân
Một nhánh của vật lý gọi là vật lý hạt nhân đã được hình thành dựa trên giả thiết hạt nhân
được tạo thành từ các proton và neutron và một vài thành tựu quan trọng đã được ghi
nhận bằng các giải Nobel.
Ernest Lawrence, người nhận giải Nobel vật lý năm 1939 đã
xây máy gia tốc đầu tiên trong đó các hạt được gia tốc dần dần bằng việc gia tăng năng
lượng cho hạt sau mỗi vòng quay trong từ trường. Sir
John Cockcroft và Ernest Walton
đã gia tốc các hạt bằng việc tác động trực tiếp một điện thế rất cao và các ông cũng được
trao giải vào năm
1951 cho công trình nghiên cứu về biến tố.
Otto Stern nhận giải Nobel vật lý năm 1943 cho các phương pháp thực nghiệm của ông
để nghiên cứu tính chất từ của hạt nhân, đặc biệt là xác định mô men từ của proton. Isidor
I. Rabi
làm tăng độ chính xác lên hai bậc trong việc xác định mô men từ của hạt nhân
bằng kỹ thuật
cộng hưởng tần số vô tuyến, và do đó, ông nhận giải Nobel vật lý năm
1944. Sau đó, vào nửa cuối của thế kỷ một vài nhà vật lý lý thuyết được trao giải cho

những công trình về mô hình hóa lý thuyết các hệ nhiều hạt như: Eugene Wigner, Maria
Goeppert-Mayer và J. Hans D. Jensen vào năm 1963 và Aage Niels Bohr, Ben Roy
Mottelson
và Leo James Rainwater vào năm 1975.
Vật lý năng lượng cao
Ngay từ năm 1912 Victor F. Hess (giải Nobel năm 1936 cùng với Carl David Anderson)
thấy rằng các bức xạ có khả năng đi sâu vào vật chất có thể đến với chúng ta từ khoảng
không ngoài vũ trụ. Bức xạ vũ trụ này được ghi nhận bằng các buồng ion hóa và sau này
là buồng mây Wilson. Các tính chất của các hạt có thể phỏng đoán từ các vạch cong của
các hạt để lại trong buồng ion hóa dưới tác dụng của từ trường ngoài rất lớn. Theo cách
đó, Anderson đã phát hiện ra phản điện tử (positron). Anderson và Patrick Blackett cho
thấy rằng, tia gamma có thể sinh ra các cặp điện tử-phản điện tử (electron-positron) và
ngược lại, điện tử và phản điện tử có thể hủy nhau tạo ra chính tia gamma bị mất đi.
Blackett nhận giải Nobel vật lý năm 1948 cho việc phát triển buồng mây sau này và các
phát minh mà ông đã thực hiện để làm việc đó.
Mặc dù sau này, các
máy gia tốc được phát triển nhiều, bức xạ vũ trụ vẫn là nguồn chủ
yếu của các hạt năng lượng cao trong vài thập kỷ (và hạt từ bức xạ vũ trụ có năng lượng
lớn hơn năng lượng của các hạt tạo ra từ các máy gia tốc lớn nhất trên trái đất, mặc dù
cường độ của bức xạ vũ trụ rất nhỏ) và nó đã cung cấp những hình ảnh ban đầu của một
thế giới
hạ hạt nhân mà lúc bấy giờ con người hoàn toàn chưa biết. Một loại hạt mới gọi
là
meson được phát hiện năm 1937 có khối lượng xấp xỉ 200 lần khối lượng điện tử
(nhưng nhẹ hơn proton 10 lần). Năm 1946, Cecil Frank Powell đã làm sáng tỏ hiện tượng
trên và cho rằng thực ra là có có hơn một loại hạt như vậy tồn tại. Một trong số đó có tên
là
meson pi phân rã thành một hạt khác gọi là meson muy. Powell nhận giải Nobel vật lý
năm 1950.