Ферми, Энрико

(29.IX.1901 – 30.X.1954 )

 

Выдающийся итальянский физик, Энрико Ферми родился в Риме. Он был младшим из трех детей железнодорожного служащего Альберте Ферми и урожденной Иды де Гаттис, учительницы. Еще в детстве Ферми обнаружил большие способности к математике и физике. Его выдающиеся познания в этих науках, приобретенные в основном в результате самообразования, позволили ему в 1918 г. поступить одновременно в Высшую Нормальную школу и на физико-математический факультет Пизанского университета. Для поступления в Высшую школу нужно было выдержать очень трудный вступительный экзамен. Ученик Нормальной школы автоматически становился и студентом университета, причем обучение таких студентов в университете было бесплатным.

Будучи студентом, Ферми стремился познать новые отрасли физики, касающиеся строения материи и квантовой теории. Но эти разделы не культивировались в Италии, по ним не читались университетские курсы. Что касается классической физики и теории относительности, то их, как вспоминал позднее уже знаменитый Ферми, в те годы он знал так же, как и в 1934 г.

Еще будучи студентом, Ферми много работает в лаборатории университета. В 1922 г. он выполняет экспериментальную дипломную работу по оптике рентгеновских лучей, успешно защищает ее и получает диплом об окончании университета с высшей оценкой. В этом же году и с такой же оценкой он получает диплом об окончании Высшей Нормальной школы.

По возвращении в Рим Ферми получил от итальянского правительства стипендию, и по направлению Министерства образования уезжает для дальнейшего изучения современной физики в Германию, к Максу Борну, возглавлявшему в то время отделение теоретической физики Геттингенского университета. В Геттингене Ферми выполнил самостоятельно ряд работ. Одна из них, по теоретической физике, понравилась П.Эренфесту, и он написал об этом Ферми. Это привело к тому, что с сентября по декабрь 1924 г. Э.Ферми обучается в Лейдене (Голландия) у Эренфеста - известного физика-теоретика. Именно под влиянием Эренфеста Ферми приобретает уверенность в своих силах; у него появляются характерные черты серьезного исследователя: стремление к конкретности во всем, умение выделять главное, исключительный здравый смысл. И в дальнейшем почти все теории Ферми создает для того, чтобы объяснить поведение определенной экспериментальной кривой, "странность" какого-то экспериментального факта.

С января 1925 до осени 1926 г. Ферми работает временным профессором во Флоренции, читая лекции по теоретической механике и математической физике. В первые годы его исследования затрагивали проблемы общей теории относительности Альберта Эйнштейна, статистической механики, квантовой теории и теории электронов в твердом теле. В 1926 г. им была разработана новая разновидность статистической механики, подсказанная принципами запрета Вольфганга Паули. Она позволяла успешно описывать поведение электронов, а позднее была применена к протонам и нейтронам. Статистика Ферми позволила лучше понять электропроводность металлов и привела к построению более эффективной модели атома. Здесь же он получает свою первую ученую степень "свободного доцента" и пишет блестящую книгу "Введение в атомную физику", которая позднее стала основным учебником по теоретической физике для студентов университетов.

Когда в Римском университете в 1927 г. была учреждена первая кафедра теоретической физики, Ферми, успевший обрести международный авторитет, был избран ее главой и занимает должность профессора столичного университета, проработав в нем до 1938 г. Ферми основал первую в Италии школу современной физики. Начинает работу Ферми с создания исследовательского коллектива из сотрудников университета и своих наиболее способных учеников. Вскоре вокруг него сформировалось ядро этой школы: Разетти, Сегре, Амальди, Понтекорво, Майорана и др. - и вскоре в международных научных кругах ее стали называть группой Ферми.

Лекции Ферми в университете по квантовой механике, атомной физике, математической физике, термодинамике и его любимой геофизике отличались большой ясностью и стройностью изложения. В физике, по мнению Ферми, нет места для путаных мыслей, а физическая сущность любого, действительно понимаемого вопроса может быть объяснена без помощи сложных формул. И это Ферми прекрасно иллюстрировал своими собственными работами и своим стилем. Вот как об этом вспоминал Г.Бете: "Метод работы Ферми над теоретическими проблемами больше всего поражал меня своей простотой. Он мог проникнуть в существо любой задачи, какой бы сложной она не казалась. Он срывал с нее покров математических усложнений и ненужного формализма. С помощью такого метода он мог, часто не более чем за полчаса, решить весьма сложную физическую задачу. Он был мастером получения важных результатов минимальными усилиями и простейшим математическим аппаратом".

Кипучая теоретическая деятельность Ферми в период с 1926 по 1933 г. шла по трем главным направлениям. Во-первых, в этот период, освоив квантовую механику, он успешно развивал ее, объяснял и пропагандировал в научных кругах. Но, как вспоминает Сегре, эти проповеди имели большой успех у молодежи и ничтожный у ученых старшего поколения. Второе направление деятельности Ферми было связано со статической механикой. В-третьих, своими теоретическими работами Ферми внес большой вклад в учение о структуре атомов и молекул. Совокупность работ в этой области составила книгу "Молекулы и кристаллы".

В начале 30-х гг. Ферми перенес свое внимание с внешних электронов атома на атомное ядро. В 1933 г. он предложил теорию бета-распада, позволившую объяснить, каким образом ядро спонтанно испускает электроны и роль нейтрино-частиц, лишенных электрического заряда и не поддававшихся тогда экспериментальному обнаружению. Существование таких частиц было постулировано Паули, а название придумано Ферми (нейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 г.). Теория бета-распада Ферми затрагивала новый тип сил, получивших название слабого взаимодействия. Такие силы действуют между нейтронами и протонами в ядре и обусловливают бета-распад, по интенсивности слабое взаимодействие значительно уступает сильному, удерживающему вместе нуклоны – частицы, из которых состоит ядро. Статья Ферми о бета-распаде была отвергнута из-за своей новизны английским журналом «Нейче», но опубликована в итальянском и в немецком журналах.

В 1934 г. Э.Ферми выполняет первые крупные экспериментальные работы в области ядерной физики, связанные с облучением элементов нейтронами. Сразу же после открытия И. и Ф. Жолио-Кюри искусственной радиоактивности Ферми пришел к выводу, что нейтроны, поскольку они не имеют заряда и не будут отталкиваться ядрами, должны быть наиболее эффективным орудием для получения радиоактивных элементов.

Бомбардируя ядра бора и алюминия альфа-частицами, они впервые создали новые радиоактивные изотопы известных элементов. Продолжая начатую этими исследованиями работу, Ферми и его сотрудники в Риме принялись бомбардировать нейтронами каждый элемент периодической таблицы в надежде получить новые радиоактивные изотопы с помощью присоединения нейтронов к ядрам. Первого успеха удалось достичь при бомбардировке фтора. Методически бомбардируя все более тяжелые элементы, Ферми и его группа получили сотни новых радиоактивных изотопов. При бомбардировке урана – 92-го элемента, самого тяжелого из встречающихся в природе, они получили сложную смесь изотопов. Химический анализ не обнаружил в ней ни изотопов урана, ни изотопов соседнего элемента (более того, результаты анализа исключали присутствие всех элементов с номерами от 86 до 91). Возникло подозрение, что экспериментаторам впервые удалось получить новый искусственный элемент с атомным номером 93. К неудовольствию Ферми, директор лаборатории Орсо Корбино, не дожидаясь контрольных анализов, объявил об успешном синтезе 93-го элемента. В действительности же Ферми не удалось его получить. Но он, сам того не зная, вызвал деление урана, расщепив тяжелое ядро на два или большее число осколков и других фрагментов. Деление урана было открыто в 1938 г. Отто Ганом, Лизе Майтнер и Фритцем Штрассманом.

22 октября 1934 года, поместив между источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром парафиновый клин, Ферми заметил, что клин не уменьшает активность нейтронов, а несколько увеличивает ее. Проведя опыт сначала с парафином, потом с водой, Ферми констатировал увеличение активности в сотни раз. Опыты Ферми обнаружили огромную эффективность медленных нейтронов. Замедление нейтронов обусловлено их столкновениями с ядрами водорода (протонами), в больших количествах содержащихся в этих средах. При столкновениях нейтронов и протонов значительная часть энергии нейтронов теряется, так как массы этих частиц почти равны.

Работа группы Ферми получила очень высокую оценку в научном мире. Если коротко оценить итоги этих исследований, то следует сказать, что они явились началом новой области физики - нейтронной. Открытие эффекта замедления нейтронов (эффект Ферми), по словам Понтекорво, открыло "новую главу ядерной физики, а также новую область техники, как мы говорим сегодня,- атомную технику".

Еще в 1928 г. Ферми вступил в брак с Лаурой Капон, принадлежавшей к известной в Риме еврейской семье. У супругов Ферми родились сын и дочь. После принятия итальянским правительством в сентябре 1938 года антисемитских гражданских законов Ферми и его жена решили эмигрировать в США. В Соединенных Штатах сразу пять университетов предложили ему позицию профессора физики. Выбирав Колумбийский университет в Нью-Йорке, Ферми информировал итальянские власти о том, что он уезжает в Америку на полгода.

В 1938 году Ферми была присуждена Нобелевская премия по физике «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». «Наряду с выдающимися открытиями Ферми всеобщее признание получили его искусство экспериментатора, поразительная изобретательность и интуиция... позволившая пролить новый свет на структуру ядра и открыть новые горизонты для будущего развития атомных исследований», – заявил, представляя лауреата, Ханс Плейель из Шведской королевской академии наук.

Во время церемонии вручения премии, состоявшейся в декабре 1938 г. в Стокгольме, Ферми обменялся рукопожатием с королем Швеции, вместо того чтобы приветствовать того фашистским салютом, за что подвергся нападкам в итальянской печати. Сразу же после торжеств Ферми отправился за океан. По прибытии в Соединенные Штаты, Ферми, как и всем эмигрантам того времени, пришлось пройти тест на проверку умственных способностей. Нобелевского лауреата попросили сложить 15 и 27 и разделить 29 на 2.

В это же время в США из Копенгагена прибыл Нильс Бор, чтобы провести несколько месяцев в принстонском Институте фундаментальных исследований. Бор сообщил об открытии Ганом, Майтнер и Штрассманом расщепления урана при бомбардировке его нейтронами. Многие физики начали обсуждать возможность цепной реакции. Если всякий раз, когда нейтрон расщепляет атом урана, испускались новые нейтроны, то они могли бы, сталкиваясь с другими атомами урана, порождать новые нейтроны и тем самым вызвать незатухающую цепную реакцию. Так как при каждом делении урана высвобождается большое количество энергии, цепная реакция могла бы сопровождаться колоссальным ее выделением. Если бы удалось «взнуздать» цепную реакцию, то уран стал бы взрывчатым веществом неслыханной силы. С целью осуществить цепную реакцию Ферми приступил к планированию экспериментов, которые позволили бы определить, возможна ли такая реакция и управляема ли она.

На переговорах с Управлением военно-морского флота в 1939 году Ферми упомянул о возможности создания атомного оружия на основе цепной реакции с мощным выделением энергии. Он получил финансирование для продолжения своих исследований. В ходе работы Ферми и итальянский физик Эмилио Сегре, бывший его студент, установили возможность использования в качестве «взрывчатки» для атомной бомбы тогда еще не открытого элемента плутония. Хотя плутоний (Pu), элемент с порядковым номером 94, еще не был известен, оба ученых были убеждены в том, что элемент с массовым числом 239 (²³⁹Pu) должен расщепляться и может быть получен в урановом реакторе при захвате нейтрона ураном-238.

В январе 1939 г. Э.Ферми высказывает мысль, что при делении урана следует ожидать испускания быстрых нейтронов и что, если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, путь к цепной реакции будет открыт. Поставленный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов, хотя их число на один акт деления осталось не очень определенным. В это время Ферми начинает работать над теорией цепной реакции в уран-графитовой системе. К весне 1941 г. эта теория была разработана, и летом началась серия экспериментов, главной задачей которых являлось измерение нейтронного потока. В 1942 году, когда в США был создан Манхэттенский проект для работ по созданию атомной бомбы, ответственность за исследование цепной реакции и получение плутония была возложена на Ферми, имевшего с юридической точки зрения статус "иностранца - подданного враждебной державы".

Ферми было сделано около тридцати опытов, и в июне 1942 году был получен коэффициент размножения нейтронов больше единицы. Это означало возможность получения цепной реакции в достаточно большой решетке из урана и графита и послужило началом разработки конструкции реактора. Ферми, как всегда, сделал поправку к полученному значению коэффициента размножения и учел это в размерах планируемого котла. Кроме того, боясь, что атмосферный азот будет хорошо поглощать нейтроны, ученый настоял на том, чтобы все огромное устройство было помещено в гигантскую палатку из материи для оболочек аэростатов. Так появилась возможность поддерживать соответствующий состав атмосферы, окружающей реактор. В рамках Манхеттенского проекта исследования были перенесены из Колумбийского в Чикагский университет, где в Металлургической лаборатории в октябре и началась постройка реактора.

Он строился на площадке для игры в сквош под трибунами университетского футбольного стадиона Стэгг-Филд. Воздвигаемый реактор на техническом жаргоне называли «кучей», так как он был сложен из брусков графита (чистого углерода), которые должны были сдерживать скорость цепной реакции (замедлять нейтроны). Уран и оксид урана размещались между графитовыми брусками. 2 декабря 1942 г. кадмиевые регулирующие стержни, поглощающие нейтроны, были медленно выдвинуты, чтобы запустить первую в мире самоподдерживающуюся цепную реакцию.

«Было ясно, – писал впоследствии Джон Кокрофт, – что Ферми открыл дверь в атомный век». Несколько позднее Ферми был назначен руководителем отдела современной физики в новой лаборатории, созданной под руководством Роберта Оппенгеймера для создания атомной бомбы в строго засекреченном местечке Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико). Ферми и его семья стали гражданами Соединенных Штатов в июле 1944 г., а в следующем месяце они переехали в Лос-Аламос. Ферми был свидетелем первого взрыва атомной бомбы 16 июля 1945 г. близ Аламогордо (штат Нью-Мексико).

В 1946 году он возвращается в Чикаго в качестве профессора в Институте ядерных исследований, который сейчас носит его имя — Институт Ферми. Он продолжает свои исследования в области ядерной физики и физики элементарных частиц. Ферми был великолепным педагогом и славился как непревзойденный лектор. Среди его аспирантов можно назвать Марри Гелл-Манна, Янга Чжэньнина, Ли Цзун-дао и Оуэна Чемберлена. После завершения в 1945 г. в Чикаго строительства циклотрона (ускорителя частиц) Ферми начал эксперименты по изучению взаимодействия между незадолго до того открытыми пи-мезонами и нейтронами. Ферми принадлежит также теоретическое объяснение происхождения космических лучей и источника их высокой энергии. Помимо этого, с 1950 года он становится одним из первых членов Комитета советников при Комиссии по атомной энергии.

В науке науке Ферми всегда оставался молодым, энергичным и одержимым. В возрасте около 50 лет, имея богатейший запас знаний в области ядерной энергетики и прекрасную базу для исследований, Ферми изменяет направление своей научной деятельности и начинает заниматься областью частиц высоких энергий и астрофизикой. И здесь он достиг замечательных результатов.

Одной из особенностей физических идей Ферми является их долголетие. Ряд последних работ великого ученого был оценен лишь после его смерти. Одной из них является совместная работа Ферми и Ч.Янга по составным моделям элементарных частиц. Когда она появилась, то многие, даже маститые физики-теоретики были удивлены ее "бессодержательностью". Но прошло время, и на основе работы Ферми-Янга появились новые модельные схемы, сыгравшие большую роль в развитии физики элементарных частиц. Одной из последних таких моделей является модель кварков.

На склоне лет Ферми, по словам Сегре, собирался написать книгу, посвященную тем трудным вопросам физики, о которых часто говорят "как хорошо известно", "как нетрудно показать" и т.п. Он начал даже собирать вопросы, лишь кажущиеся элементарными. Но, к сожалению, у него не осталось на это времени. Когда в 1946 г. Ферми оценивал, что им уже сделано, он сказал Сегре: "Одна треть". Две трети он собирался еще сделать, до предела уплотняя свой рабочий день. Ферми с олимпийским спокойствием работал до самого конца своей жизни.

Человек выдающегося интеллекта и безграничной энергии, Ферми увлекался альпинизмом, зимними видами спорта и теннисом. Он умер от рака желудка у себя дома в Чикаго вскоре после того, как ему исполнилось пятьдесят три года. На следующий год в честь него новый, 100-й элемент был назван фермием.

 

Использованы материалы свободной энциклопедии Википедия и электронных библиотек "Наука и техника" и "Эрудиция"