Человек, проживший очень короткую жизнь и сделавший на десяток Нобелевских премий, человек, который открыл миру атомную энергию и подарил США атомную бомбу, великий итальянский американец Энрико Ферми - вот наш сегодняшний герой рубрики «Как получить Нобелевку».

Об Энрико Ферми писать очень сложно. Он входит в число тех великих физиков, простое перечисление достижений которых составит несколько лонгридов. К нобелевскому лауреату 1938 года это относится в полной мере, несмотря на слишком короткую - всего 53 года - жизнь.

Энрико Ферми

Нобелевская премия по физике 1938 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами» (for his demonstrations of the existence of new radioactive elements produced by neutron irradiation, and for his related discovery of nuclear reactions brought about by slow neutrons).

Энрико Ферми относится к тем людям, о которых говорят «ученый от Бога». У него было очень простое происхождение: мать - школьная учительница Ида де Гаттис, отец - потомок крестьян из Пьяченцы, железнодорожный служащий. Трое детей в семье, в которой Энрике был самым младшим. Старший брат Джулио, умерший, когда Энрико исполнилось 14, стал его первым коллаборатором: вместе они ставили опыты и конструировали физические «игрушки». Любимыми книжками Ферми стали книжки по физике и математике (первой, кстати, был почти тысячестраничный латинский трактат Андреа Караффо «Elementorum physicae mathematicae » (1840). Друг отца, Адольфо Амидеи, стал наставлять мальчика и помогать ему с книжками и обучением.

Высшее образование далось Ферми легко: в 17 лет он поступил в Высшую нормальную школу в Пизе, а в 21 уже получил степень в Пизанском университете за работы по рентгеновским лучам, параллельно опубликовав несколько работ по теории относительности. Уже здесь проявилась главная особенность Ферми - равная способность как к теоретической физике, так и к эксперименту. Он стажировался у Макса Борна и Пауля Эренфеста и уже в 24 года опубликовал, независимо от Дирака, работу по статистической физике частиц с полуцелым спином. Сейчас все такие частицы называют фермионами.

Эксперименты, которые привели нашего героя к Нобелевской премии (скажем сразу, номинировали Ферми и после присуждения высшей физической награды, например, за создание ядерного реактора), начались в 1930 году, когда физику было 29 лет, и он приступил к охоте на нейтрон - гипотетическую нейтральную частицу в составе атомного ядра (кстати, потом именно Ферми придумал итальянское название другой гипотетической нейтральной частице - нейтрино, что по-итальянски значит «нейтрончик»). В 1930 году немцы Вальтер Боте (о котором мы поговорим, когда доберемся до премии 1954 года) и Ханс Беккер обнаружили, что при бомбардировке некоторых легких элементов альфа-частицами возникает излучение, которые было принято за гамма-излучение. Но не все складывалось: когда бомбардировали пластинку бериллия, то в направлении от потока альфа-частиц излучение было интенсивнее, чем по направлению к потоку. При гамма-излучении так быть не должно: электромагнитные волны распространяются во все стороны одинаково.

Вальтер Боте

Wikimedia Commons

Эксперимент усложнили супруги Жолио-Кюри. Они разместили между бериллием и ионизационной камерой-регистратором различные вещества, изучая, насколько они ослабляют новое «гамма»-излучение. И снова неожиданный результат: когда за бериллием поставили тоненькую пластинку парафина (насыщенного углеводорода, молекула которого богата), то излучение не ослабло, а, наоборот, усилилось.

Джеймс Чедвик предположил, что альфа-частицы выбивают из атомов те самые нейтральные частицы, и, доказав это, получил Нобелевскую премию по физике 1935 года.

Помимо того, что из вещества вылетают нейтроны, выяснилось, что при этой бомбардировке образуются и позитроны - античастицы к электронам.

Кюри заменили бериллий на бор и алюминий. И оказалось, что после того, как от мишени убирали источник альфа-частиц (открытый Марией Кюри полоний), радиоактивность на некоторое время оставалась. Значит, в результате бомбардировки альфа-частицами атомов бора и алюминия получались новые элементы. Радиоактивные. Поглощая альфа-частицу, алюминий превращался в радиоактивный изотоп фосфора, а бор - в такой же радиоактивный азот. Как итог - Нобелевская премия по химии того же 1935 года еще двум представителем семьи Кюри.

Новых изотопов оказалось получено около сотни. Но когда дело дошло до урана, самого тяжелого элемента, известного на тот момент, продвинуться дальше не удалось. Точнее, подозрение на синтез возникло, и директор лаборатории Орсо Корбино даже возвестил об успехе, чем навлек на себя гнев Ферми, ведь подтвердить успех не удалось. Никто тогда не знал, что на самом деле Ферми впервые инициировал деление ядра урана, совершив, не зная того, открытие, которое потом повторят в 1938 году Отто Ган и Лиза Мейтнер.

А сам же Ферми совершил другое важнейшее для овладения атомной энергией открытие: в том же 1935 году, когда Чедвик и Жолио-Кюри получали свои премии, оказалось, что если замедлять нейтроны веществами, богатыми протонами (вода или парафин), то ядерные реакции медленными нейтронами инициируются гораздо эффективнее. Фактически Ферми открыл новый метод изучения ядра атома и синтеза новых ядер. Позже окажется, что именно медленные нейтроны инициируют цепную ядерную реакцию.

Церемония вручения Нобелевской премии 1938 года

Wikimedia Commons

«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», - так чествовали лауреата в Стокгольме в 1938 году.

Казалось бы, все хорошо, но на самом деле именно в это счастливое «нобелевское» время для Энрико настало время менять свою судьбу.

Фашисты во главе с Муссолини (а как мы помним, «настоящие» фашисты были именно в Италии) все больше и больше сближались с Гитлером, в Италии начали принимать антисемитские законы. Начала распадаться группа Ферми, да и самого его невзлюбили за то, что короля Швеции он приветствовал не вскинув руку, как положено, а дружеским рукопожатием.

Ферми уехал в США. Навсегда. Кстати, ему пришлось - по тогдашним правилам - пройти обязательный для всех эмигрантов тест на умственные способности и, несмотря на унизительность его для Нобелевского лауреата, ответить, сколько получится, если сложить 27 и 15 и разделить 29 пополам.

Фото Ферми на пропуск в лаборатории в Лос-Аламосе

Wikimedia Commons

Так сложилось, что именно эмигрант из враждебной страны и дал в руки США ядерное оружие (именно Ферми играл одну из самых ключевых ролей в Манхэттенском проекте, несмотря на то, что к тому времени еще не получил гражданства) и всему человечеству - атомную энергию.

Именно под руководством 41-летнего итальянца 2 декабря 1942 года под трибунами стадиона в Чикагском университете заработал первый в мире ядерный реактор. Да, он использовался в военных целях, но именно с него началась история атомной энергетики.

Энрико Ферми – выдающийся итальянский физик, лауреат Нобелевской премии за ключевые открытия в атомной физике.

Создатель научной школы в области ядерной и нейтронной физики США и Италии.

Происхождение

Родился Энрико Ферми в Риме, Италия, 29 сентября 1901 года. Отец Альберто Ферми - служащий, мать Ида де Гаттис - учительница. Его семья была далека от научных кругов, но мальчик с детства проявлял феноменальные способности к точным наукам.

Гений – самоучка

Друг отца вспоминал, что Энрике не расставался с учебниками по математике и физике, хотя его никто не заставлял этим заниматься. Окружающие были поражены, что тринадцатилетний подросток смог самостоятельно решить за несколько дней 200 труднейших задач по геометрии!

Но самым любимым предметом для Энрике была физика. Особенно его интересовали научные труды с описанием экспериментальных установок. В 17 лет талантливый юноша экстерном окончил лицей и решил продолжить обучение в университете Пизы.

Физика преподавалась там на довольно высоком уровне, но требовалось пройти обучение в высшей Нормальной школе в Пизе. Конкурс абитуриентов в школу был необычайно высоким, но Ферми получил наибольшее количество баллов и стал одновременно студентом университета и учащимся Нормальной школы.

По воспоминаниям самого ученого основные законы физики и теории относительности он прекрасно изучил самостоятельно и годы учебы в этом отношении не дали ему новых знаний. Его феноменальные способности, необыкновенная работоспособность, умение выбрать из большого объема научных трудов минимум, необходимый для пополнения знаний, принесли ему популярность не только среди сокурсников, но и преподавателей.

Уже через два года обучения его приглашают читать лекции по квантовой теории в Физическом институте.

Научная деятельность

Задатки ученого Ферми проявил, написав блестящую дипломную работу по оптике рентгеновских лучей. Но ему невозможно было проявить свои способности на родине, потому что в Италии отсутствовала серьезная школа современной физики. Начав работать преподавателем математики в Римском университете, Ферми оказался в научном вакууме.

В 1923 году при поддержке сенатора Корбино он уезжает на стажировку сначала в Геттинген, к Максу Борну, позднее в Голландию, к физику- теоретику Паулю Эренфесту. Возвратившись в Италию, Ферми собрал вокруг себя во Флорентийском и Римском университетах кружок молодых ученых единомышленников. Позднее, именно этот первоначальный костяк стал основой научной итальянской школы.

Самого Ферми интересовала прежде всего физика элементарных частиц и в частности методика расчетов многоэлектронных атомов. Этой теме и была посвящена его научная работа, выполненная в 1925 году и принесшая ему мировую известность. Его начинают приглашать на международные симпозиумы и даже пришедший к власти фашистский режим для поднятия собственного престижа вводит Ферми в состав Королевской Академии Италии.

Эмиграция в Америку

Научные работы по ядерной физике нейтронов, теоретические исследования получения бета - частиц и их применение для получения совершенно новой атомной энергии позволили Энрико Ферми стать Нобелевским лауреатом в 1938 году. Ферми после получения престижнейшей премии не вернулся в Италию, а вместе с семьей перебрался в Америку.

Для эмиграции были серьезны личные мотивы – его жена была еврейкой по национальности, что не приветствовалось режимом . В США его привлекают к государственной программе создания нового вида энергии - он занимается исследованиями реакции деления атомного ядра. Ферми разработал и создал первый ядерный реактор и смог получить на нем в 1942 году цепную ядерную реакцию.

Путь к созданию атомного оружия был открыт…Но Ферми, как и многих ученых до него и после, не слишком интересовал этический вопрос его открытия. Некоторые современники рассказывали, о циничном отзыве ученого на атомные что «все-таки это была прекрасная физика...».

После создания атомной бомбы Ферми сделал еще несколько значимых открытий – обосновал теорию пи-мезонов, адронного резонанса, происхождение космических лучей высокой энергии и если бы не ранняя смерть 28 ноября 1954 года, возможно его гениальный ум создал бы еще что-то выдающееся, без применения в милитаризме.

Энрико Ферми родился 29 сентября 1901 года в Риме. Он был младшим из трех детей железнодорожного служащего Альберто Ферми и урожденной Иды де Гаттис, учительницы. Несмотря на то что мать была моложе мужа на 14 лет, она обладала в семье большим авторитетом.

Еще в детстве Энрико обнаружил большие способности к математике и физике. Э. Персико, ставший позднее известным физиком, вспоминает:

«Когда я впервые встретился с Ферми, ему было 14 лет. Я с удивлением обнаружил, что мой новый товарищ не только «силен в науке», как говорилось на школьном жаргоне, но и обладает совершенно иной формой ума, чем знакомые мне мальчики, которых я считал умными ребятами и хорошими учениками…

Вспоминая чувство удивления и восхищения, которое интеллект Энрико возбуждал во мне, почти его сверстнике, я задаюсь вопросом: приходило ли мне когда-либо в голову по отношению к нему слово «гений»?.. Блистательность интеллекта Энрико была слишком непривычной для меня, чтобы я мог найти для нее верное определение».

Выдающиеся познания Энрико, приобретенные в основном в результате самообразования, позволили ему поступить осенью 1918 года одновременно в Высшую Нормальную школу Пизы и на физико-математический факультет старинного Пизанского университета. В 1934 году Ферми, уже будучи знаменитым ученым, говорил: «Когда я поступил в университет, классическую физику и теорию относительности я знал почти так же, как и теперь».

Большую часть времени Ферми отводил на изучение предметов, выбранных им самим. Он писал Персико в феврале 1919 года: «Сейчас, поскольку для занятий в школе мне почти что ничего не надо делать, а я располагаю множеством книг, то я пытаюсь расширить свои знания математической физики и постараюсь сделать то же самое в области чистой математики, так как чем дальше я продвигаюсь, тем больше убеждаюсь, что для меня необходимы обе эти науки. Кроме того, изучая одну из них, изучаешь и другую тоже, и я из книг по физике несомненно почерпнул больше математики, чем из математических книг».

В июле 1922 года Ферми получил университетский диплом, и, конечно, «cum laude» (с похвалой). Приблизительно тогда же и с той же оценкой им была защищена дипломная работа в Высшей Нормальной школе.

Несмотря на огромный авторитет в Пизанском университете, Энрико там работы не предложили. Он вернулся в Рим, где, по протекции директора Физического института Римского университета сенатора Корбино, молодой талантливый ученый получил временную должность преподавателя математики в Римском университете.

В 1923 году он поехал командировку в Германию, в Геттинген, к Максу Борну. У Борна Ферми встретился с такими блестящими молодыми физиками-теоретиками, как Паули, Гейзенберг и Йордан. Но, как это ни странно, много лет спустя Ферми вспоминал об этом времени без особой радости. Геттингенские профессора ходили, по выражению физика, с видом всеведения, и им не приходило в голову, что они могли бы приободрить молодого итальянца.

По возвращении в Италию Ферми с января 1925 года до осени 1926 года работал во Флорентийском университете. Здесь он получил свою первую ученую степень «свободного доцента» и – что самое главное – создал свою знаменитую работу по квантовой статистике. В декабре 1926 года он занял должность профессора вновь учрежденной кафедры теоретической физики в Римском университете. Здесь он организовал коллектив молодых физиков: Разетти, Амальди, Сегре, Понтекорво и других, составивших итальянскую школу современной физики.

Когда в Римском университете в 1927 году была учреждена первая кафедра теоретической физики, Ферми, успевший обрести международный авторитет, был избран ее главой.

В 1928 году Ферми вступил в брак с Лаурой Капон, принадлежавшей к известной в Риме еврейской семье. У супругов Ферми родились сын и дочь.

Здесь, в столице Италии, Ферми сплотил вокруг себя несколько выдающихся ученых и основал первую в стране школу современной физики. В международных научных кругах ее стали называть группой Ферми. Через два года ученый был назначен Бенито Муссолини на почетную должность члена вновь созданной Королевской академии Италии.

Вспоминает Э. Сегре, один из членов группы Ферми:

«Между 1930 и 1934 годами физики римской группы посетили ряд заграничных лабораторий с целью овладения экспериментальными методиками, неизвестными в то время в Италии… После бурного столкновения различных мнений было решено – главным образом, под влиянием Ферми, – что лаборатория должна заняться ядерной физикой…

Случай для перехода к действительно новому направлению в ядерной физике представился в 1934 году, когда И. Кюри и Ф. Жолио открыли искусственную радиоактивность. Ферми сразу же увидел, что перед этим направлением могут открыться огромные возможности, если для бомбардировки ядер использовать нейтроны…

Опыты с нейтронами начались в 1934 году. Ферми решил проверить на опыте свою идею о том, что нейтроны способны быть мощными снарядами для осуществления ядерных превращений. Собственными руками он сделал из алюминия несколько примитивных счетчиков Гейгера–Мюллера, которые выглядели безобразно, но для поставленной цели служили исправно; затем он приступил к облучению нейтронами (от радон-бериллиевого источника) всех элементов в порядке возрастания атомного веса. Первый его источник был совсем слабый – всего 50 милликюри. В течение нескольких дней опыты не приносили успеха, но Ферми был человеком систематичным. Он начал с водорода, затем последовали литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород – и все безуспешно. Наконец, однако, он добился успеха, получив ожидаемый результат на фторе.

Это произошло 25 марта 1934 года, и в «Ricerca Scientifica» было сразу послано письмо с сообщением об этом результате…»

В первом сообщении, датированном 25 марта 1934 года, Ферми сообщил, что, бомбардируя алюминий и фтор, получил изотопы натрия и азота, испускающие электроны (а не позитроны, как у Жолио-Кюри). Метод нейтронной бомбардировки оказался очень эффективным, и Ферми писал, что эта высокая эффективность в осуществлении расщепления «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников по сравнению с источниками альфа-частиц и протонов». Ему удалось этим методом активизировать 47 из 68 изученных элементов.

Воодушевленный успехом, он в сотрудничестве с Ф. Разетти и О. д"Агостино предпринял нейтронную бомбардировку тяжелых элементов: тория и урана. «Опыты показали, что оба элемента, предварительно очищенные от обычных активных примесей, могут сильно активизироваться при бомбардировке нейтронами».

22 октября 1934 года Ферми сделал фундаментальное открытие. Сначала в очередном эксперименте между источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром помещался свинцовый клин. Бруно Понтекорво, помогавший Ферми в нейтронных экспериментах, рассказывает: «Утром 22 октября 1934 года Ферми решил измерить радиоактивность серебряного цилиндра, «пропуская» нейтроны от источника не через свинцовый, а через парафиновый клин тех же размеров, который он сам быстро изготовил. Результат был ясным: парафиновый «поглотитель» не уменьшал активности, а определенно (хотя и мало) увеличивал ее. Ферми вызвал всех нас и сказал: «Это происходит, вероятно, из-за водорода в парафине; если немного парафина дает заметный эффект, посмотрим, как будет действовать большое его количество». Опыт был сразу же выполнен сначала с парафином, а затем с водой. Результаты были потрясающими: активность серебра в сотни раз превысила ту, с которой мы имели дело ранее! Ферми прекратил шум и волнение сотрудников знаменитой фразой, которую, как говорят, он повторил через 8 лет при пуске первого реактора: «Пошли обедать».

Итак, был обнаружен эффект Ферми (замедление нейтронов), открывший новую главу ядерной физики, а также новую область техники, как мы говорим сегодня, – атомную технику.

Я столь подробно рассказал об открытии медленных нейтронов потому, что здесь очень существенными были как случайные обстоятельства, так и глубина и интуиция великого ума. Когда мы спросили Ферми, почему он поставил парафиновый, а не свинцовый клин, он улыбнулся и насмешливо произнес: «С. I. F.» (Con Intuito Fenomenale). По-русски это звучало бы примерно как ПФИ (по феноменальной интуиции)…»

Помимо замечательных экспериментальных результатов в том же году Ферми достиг замечательных теоретических достижений. Уже в декабрьском номере 1933 года в итальянском научном журнале были опубликованы его предварительные соображения о бета-распаде. В начале 1934 года была опубликована его классическая статья «К теории бета-лучей». Авторское резюме статьи гласит: «Предлагается количественная теория бета-распада, основанная на существовании нейтрино: при этом испускание электронов и нейтрино рассматривается по аналогии с эмиссией светового кванта возбужденным атомом в теории излучения. Выведены формулы из времени жизни ядра и для формы непрерывного спектра бета-лучей, полученные формулы сравниваются с экспериментом».

Ферми в этой теории дал жизнь гипотезе нейтрино и протонно-нейтронной модели ядра, приняв также гипотезу изотонического спина, предложенную Гейзенбергом для этой модели. Опираясь на высказанные Ферми идеи, Хидеки Юкава предсказал в 1935 году существование новой элементарной частицы, известной ныне под названием пи-мезона, или пиона.

(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 (239 Pu) 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

После открытия искусственной радиоактивности работы по ее исследованию и получению новых изотопов развернулись широким фронтом. Наиболее плодотворными в этом направлении оказались опыты Энрико Ферми (1901-1954) . "Великий итальянский физик Э. Ферми, писал Бруно Понтекорво, занимает особое место среди современных ученых: в наше время, когда узкая специализация в научных исследованиях стала типичной, трудно указать столь же универсального физика, каким был Ферми. Можно даже сказать, что появление на научной арене XX в. человека, который внес такой громадный вклад в развитие теоретической и экспериментальной физики, астрономии и технической физики, - явление скорее уникальное, чем редкое. " Ферми родился 29 сентября 1901 года в Риме, в семье служащего. У Энрико очень рано проявились большие способности к точным наукам, в частности к физике и математике. Осенью 1919 г. Ферми поступил 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 стремится 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 - 2 году и с такой же оценкой он получает диплом об окончании Высшей Нормальной школы. В январе 1923 г. Ферми по направлению Министерства образования уезжает для совершенствования в Геттинген к М. Борну. 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 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. Здесь он получает свою первую ученую степень "свободного доцента", создает знаменитую работу по квантовой статистике и пишет блестящую книгу "Введение в атомную физику", которая позднее стала основным учебником по теоретической физике для студентов университетов. В 1926 г. в Римском университете, собственно, специально для Ферми создается кафедра теоретической физики. Осенью 1926 г. 25-летний Э. Ферми успешно выдерживает конкурс и занимает должность профессора столичного университета, проработав в нем до 1938 г. Одним из главных итогов деятельности Ферми в этот период было созданием им итальянской школы физики. Когда Ферми в 1926 г. начал работать в Римском университете, там не было никакого исследовательского коллектива. Ферми сразу же начал создавать такой коллектив из сотрудников университета и своих наиболее способных учеников. Вскоре вокруг него сформировалось ядро этой школы: Разетти, Сегре, Амальди, Понтекорво, Майорана и др. 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 теоретически - 4 ми работами Ферми внес большой вклад в учение о структуре атомов и молекул. Совокупность работ в этой области составила книгу "Молекулы и кристаллы". После 1933 г. Ферми целиком погружается в проблемы ядерной физики. В 1934 г. он создает теорию распада. Суть ее состояла в том, что при распаде кроме электрона испускается еще нейтрино маленький нейтрон. Эта теория Ферми явилась прототипом современной теории взаимодействия элементарных частиц. "Построенная им теория оказалась способной выдержать почти без изменения два с половиной десятилетия революционного развития ядерной физики. Можно было бы заметить, что физическая теория редко рождается в столь окончательной форме", - писал о теории распада Ф. Разетти. 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. И если все физики после открытия И. и Ф. Жолио-Кюри заторопились повторить их опыты, то "только у Ферми, по словам О. Фриша, хватило ума выбрать оригинальное направление, оказавшееся на редкость плодотворным". Ферми со свойственной ему кипучей энергией начал облучать нейтронами почти все элементы. В результате этих экспериментов было получено более 60 новых радиоактивных изотопов и открыто замедление нейтронов. 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". За серию работ по получению радиоактивных элементов путем нейтронной бомбардировки и за открытие ядерных реакций под действием медленных нейтронов в 1938 г. Э. Ферми была присуждена Нобелевская премия. Выехав за ее получением в Стокгольм вместе с семьей, Ферми не вернулся в Италию, где фашистская диктатура Муссолини по существу ликвидировала условия для нормальной научной работы. 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. Было сделано около тридцати опытов, и в июне 1942 г. 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, Ферми 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. Постройка реактора началась в Чикаго в октябре, а закончилась 2 декабря 1942 г. После запуска реактора Ферми работает над проблемами мирного и военного использования атомной энергии. В 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. Ферми умер 28 ноября 1954 г., в возрасте всего лишь 53 лет. Трудно представить, что мог бы сделать великий физик, если бы он прожил еще лет 15-20. Но и та "одна треть", которую успел сделать Ферми из намеченного им плана и которая, по словам Понтекорво, достойна 6-8 Нобелевских премий, навсегда сохранит в науке имя этого исключительного одаренного ученого.