Энрико Ферми ( итальянский: [enˈriːko ˈfermi] ; 29 сентября 1901 — 28 ноября 1954) был итальянским, а затем натурализованным американским физиком, известным как создатель первого в мире ядерного реактора , Чикагской сваи-1 , и член Манхэттенский проект . Его называли «архитектором ядерного века » [1] и «архитектором атомной бомбы». [2] Он был одним из очень немногих физиков, преуспевших как в теоретической, так и в экспериментальной физике . Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике 1938 года за работы по наведенной радиоактивности нейтронной бомбардировкой и за открытие трансурановых элементов . Вместе со своими коллегами Ферми подал несколько патентов, связанных с использованием ядерной энергии, все из которых были переданы правительству США. Он внес значительный вклад в развитие статистической механики , квантовой теории , физики ядра и элементарных частиц .
Первый крупный вклад Ферми был связан с областью статистической механики. После того, как Вольфганг Паули сформулировал свой принцип исключения в 1925 году, Ферми опубликовал статью, в которой он применил этот принцип к идеальному газу , используя статистическую формулировку, теперь известную как статистика Ферми-Дирака . Сегодня частицы, подчиняющиеся принципу исключения, называют « фермионами ». Позже Паули постулировал существование незаряженной невидимой частицы, испускаемой вместе с электроном во время бета-распада , чтобы удовлетворить закону сохранения энергии . Ферми подхватил эту идею, разработав модель, включающую постулируемую частицу, которую он назвал « нейтрино ». Его теория, позже названная взаимодействием Ферми , а теперь названная слабым взаимодействием , описала одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе. В ходе экспериментов по индукции радиоактивности с помощью недавно открытого нейтрона Ферми обнаружил, что медленные нейтроны легче захватываются атомными ядрами , чем быстрые, и разработал уравнение возраста Ферми , чтобы описать это. Бомбардировав торий и уран медленными нейтронами, он пришел к выводу, что создал новые элементы. Хотя за это открытие он был удостоен Нобелевской премии, позже выяснилось, что новые элементы являются продуктами ядерного деления .
Ферми покинул Италию в 1938 году, чтобы избежать новых итальянских расовых законов , которые затронули его еврейскую жену Лауру Капон . Он эмигрировал в США, где работал над Манхэттенским проектом во время Второй мировой войны. Ферми возглавлял группу в Чикагском университете , которая спроектировала и построила Чикагскую свалку-1, которая стала критической 2 декабря 1942 года, продемонстрировав первую созданную человеком самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию . Он был рядом, когда графитовый реактор X-10 в Ок-Ридже, штат Теннесси, вышел из строя в 1943 году, а также когда в следующем году случился кризис в реакторе B на Хэнфордской площадке . В Лос-Аламосе он возглавлял отдел F, часть которого работала над термоядерной бомбой « Супер » Эдварда Теллера . Он присутствовал на испытании Тринити 16 июля 1945 года, первом испытании полного взрыва ядерной бомбы, где он использовал свой метод Ферми для оценки мощности бомбы.
После войны Ферми работал под руководством Дж. Роберта Оппенгеймера в Генеральном консультативном комитете, который консультировал Комиссию по атомной энергии по ядерным вопросам. После взрыва первой советской атомной бомбы в августе 1949 года он решительно выступил против разработки водородной бомбы как по моральным, так и по техническим причинам. Он был среди ученых, которые давали показания от имени Оппенгеймера на слушаниях 1954 года , в результате которых Оппенгеймеру было отказано в допуске к секретной информации.
Ферми проделал важную работу в области физики элементарных частиц, особенно в области пионов и мюонов , и предположил, что космические лучи возникли, когда материал ускорялся магнитными полями в межзвездном пространстве. Многие награды, концепции и учреждения названы в честь Ферми , в том числе Премия Энрико Ферми , Институт Энрико Ферми , Национальная ускорительная лаборатория Ферми (Фермилаб) , Космический гамма-телескоп Ферми , парадокс Ферми и синтетический элемент фермий . что делает его одним из 16 ученых, в честь которых названы элементы .
Энрико Ферми родился в Риме, Италия, 29 сентября 1901 года. [3] Он был третьим ребенком Альберто Ферми, начальника отдела Министерства путей сообщения, и Иды де Гаттис, учительницы начальной школы. [3] [4] [5] Его сестра Мария была на два года старше, его брат Джулио на год старше. После того, как двух мальчиков отправили в сельскую общину на кормление грудью , Энрико воссоединился со своей семьей в Риме, когда ему было два с половиной года. [6] Хотя он был крещен католиком в соответствии с пожеланиями его бабушки и дедушки, его семья не была особенно религиозной; Энрико был агностиком на протяжении всей своей взрослой жизни. [7] В детстве он разделял те же интересы, что и его брат Джулио: строил электродвигатели и играл с электрическими и механическими игрушками. [8] Джулио умер во время операции по поводу абсцесса горла в 1915 году [9] , а Мария погибла в авиакатастрофе под Миланом в 1959 году . [10]
На местном рынке в Кампо деи Фьори Ферми нашел книгу по физике — 900-страничный Elementorum physicae mathematicae . Написанная на латыни отцом- иезуитом Андреа Караффой профессором Римской коллегии , она представила математику , классическую механику , астрономию , оптику и акустику в том виде, в котором они понимались на момент публикации в 1840 году. [11] [12] Вместе с другом, склонным к науке, Энрико Персико , [13] Ферми занимался такими проектами, как создание гироскопов и измерение ускорения гравитации Земли . [14]
В 1914 году Ферми, который часто встречался со своим отцом перед офисом после работы, встретил коллегу своего отца по имени Адольфо Амидеи, который часть пути домой шел вместе с Альберто. Энрико узнал, что Адольфо интересуется математикой и физикой, и воспользовался возможностью, чтобы задать Адольфо вопрос о геометрии. Адольфо понял, что молодой Ферми имел в виду проективную геометрию , и затем дал ему книгу по этой теме, написанную Теодором Рейе . Через два месяца Ферми вернул книгу, решив все предложенные в конце книги задачи, некоторые из которых Адольфо считал трудными. Убедившись в этом, Адольфо почувствовал, что Ферми был «вундеркиндом, по крайней мере, в отношении геометрии», и стал наставником мальчика, предоставив ему больше книг по физике и математике. Адольфо отметил, что у Ферми была очень хорошая память и поэтому он мог вернуть книги после их прочтения, поскольку он очень хорошо помнил их содержание. [15]
Ферми окончил среднюю школу в июле 1918 года, полностью пропустив третий год обучения. По настоянию Амидея Ферми выучил немецкий язык , чтобы иметь возможность читать множество научных статей, опубликованных на этом языке в то время, и подал заявление в Scuola Normale Superiore в Пизе . Амидей чувствовал, что Скуола обеспечит лучшие условия для развития Ферми, чем Римский университет Сапиенца в то время. Потеряв одного сына, родители Ферми лишь неохотно разрешили ему жить в школьном общежитии вдали от Рима в течение четырех лет. [16] [17] Ферми занял первое место на сложном вступительном экзамене, который включал в себя сочинение на тему «Особенные характеристики звуков»; 17-летний Ферми решил использовать анализ Фурье для вывода и решения уравнения в частных производных для вибрирующего стержня, и после интервью с Ферми экзаменатор заявил, что он станет выдающимся физиком. [16] [18]
В Scuola Normale Superiore Ферми шутил с однокурсником Франко Разетти ; они стали близкими друзьями и сотрудниками. Ферми консультировал Луиджи Пуччианти , директор физической лаборатории, который говорил, что мало чему может научить Ферми, и часто просил Ферми вместо этого научить его чему-нибудь. Знания Ферми в области квантовой физики были такими, что Пуччианти попросил его организовать семинары по этой теме. [19] За это время Ферми изучил тензорное исчисление , ключевой метод общей теории относительности . [20] Ферми первоначально выбрал математику в качестве своей специальности, но вскоре переключился на физику. Он оставался в основном самоучкой, изучая общую теорию относительности, квантовую механику и атомную физику . [21]
В сентябре 1920 года Ферми поступил на физический факультет. Поскольку на кафедре было всего три студента — Ферми, Разетти и Нелло Каррара , — Пуччианти разрешил им свободно использовать лабораторию для любых целей, которые они пожелают. Ферми решил, что им следует изучить рентгеновскую кристаллографию , и все трое работали над созданием фотографии Лауэ — рентгеновской фотографии кристалла. [22] В 1921 году, на третьем курсе университета, Ферми опубликовал свои первые научные работы в итальянском журнале Nuovo Cimento . Первый назывался «О динамике жесткой системы электрических зарядов в поступательном движении» ( Sulla dinamica di un sistemarigido di cariche elettriche in moto traslatorio ). Признаком грядущих событий стало то, что масса была выражена в виде тензора — математической конструкции, обычно используемой для описания чего-то движущегося и изменяющегося в трехмерном пространстве. В классической механике масса является скалярной величиной, но в теории относительности она меняется со скоростью. Второй доклад назывался «Об электростатике однородного гравитационного поля электромагнитных зарядов и о весе электромагнитных зарядов» ( Sull'elettrostatica di un Campo Gravitazionale Uniforme e sul Peso delle Masse ElettroMagnetiche ). Используя общую теорию относительности, Ферми показал, что заряд имеет вес, равный U/c 2 , где U — электростатическая энергия системы, а c — скорость света . [21]
Первая статья, казалось, указывала на противоречие между электродинамической теорией и релятивистской теорией, касающейся расчета электромагнитных масс, поскольку первая предсказывала значение 4/3 U/c 2 . Ферми обратился к этому вопросу в следующем году в статье «О противоречии между электродинамической и релятивистской теорией электромагнитной массы», в которой он показал, что кажущееся противоречие является следствием теории относительности. Эта статья получила настолько высокую оценку, что была переведена на немецкий язык и опубликована в немецком научном журнале Physikalische Zeitschrift в 1922 году . [23] В том же году Ферми представил свою статью «О явлениях, происходящих вблизи мировой линии » ( Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria ) в итальянский журнал I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei . В этой статье он рассмотрел принцип эквивалентности и ввел так называемые « координаты Ферми ». Он доказал, что на мировой линии, близкой к временной, пространство ведет себя так, как если бы оно было евклидовым пространством . [24] [25]
Ферми представил свою диссертацию «Теорема о вероятности и некоторые из ее приложений» ( Un teorema di Calcolo delle Probilità ed alcune sue applicazioni ) в Scuola Normale Superiore в июле 1922 года и получил свою премию в необычно молодом возрасте, в 20 лет. Диссертация была посвящена рентгеновским дифракционным изображениям. Теоретическая физика еще не считалась дисциплиной в Италии, и единственной диссертацией, которая могла быть принята, была экспериментальная физика . По этой причине итальянские физики медленно воспринимали новые идеи, такие как теория относительности, пришедшие из Германии. Поскольку Ферми чувствовал себя в лаборатории, занимаясь экспериментальной работой, вполне как дома, это не представляло для него непреодолимых проблем. [25]
При написании приложения к итальянскому изданию книги Августа Копфа « Основы относительности Эйнштейна» в 1923 году Ферми первым указал на то, что внутри уравнения Эйнштейна ( E = mc 2 ) скрыто огромное количество ядерной потенциальной энергии, которая должна быть эксплуатируется. [26] «Кажется невозможным, по крайней мере в ближайшем будущем, — писал он, — найти способ высвободить эти ужасающие количества энергии — что все к лучшему, потому что первый эффект взрыва такой силы ужасное количество энергии могло бы разнести вдребезги физика, имевшего несчастье найти способ сделать это». [25]
В 1924 году Ферми был посвящен в масонскую ложу «Адриано Лемми» Великого Востока Италии . [27]
В 1923–1924 годах Ферми провел семестр, обучаясь у Макса Борна в Гёттингенском университете , где познакомился с Вернером Гейзенбергом и Паскуалем Йорданом . Затем Ферми учился в Лейдене у Пауля Эренфеста с сентября по декабрь 1924 года по стипендии Фонда Рокфеллера, полученной благодаря заступничеству математика Вито Вольтерры . Здесь Ферми познакомился с Хендриком Лоренцем и Альбертом Эйнштейном , а также подружился с Сэмюэлем Гаудсмитом и Яном Тинбергеном . С января 1925 года до конца 1926 года Ферми преподавал математическую физику и теоретическую механику во Флорентийском университете , где вместе с Разетти провел серию экспериментов по влиянию магнитных полей на пары ртути. Он также участвовал в семинарах в Римском университете Сапиенца, читая лекции по квантовой механике и физике твердого тела . [28] Читая лекции по новой квантовой механике, основанной на поразительной точности предсказаний уравнения Шрёдингера, Ферми часто говорил: «Оно не имеет права так хорошо соответствовать!» [29]
После того, как Вольфганг Паули объявил о своем принципе исключения в 1925 году, Ферми ответил статьей «О квантовании идеального одноатомного газа» ( Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico ), в которой он применил принцип исключения к идеальному газу. Статья особенно примечательна статистической формулировкой Ферми, которая описывает распределение частиц в системах многих одинаковых частиц , подчиняющихся принципу исключения. Вскоре это независимо разработал британский физик Поль Дирак , который также показал, как это связано со статистикой Бозе-Эйнштейна . Соответственно, теперь она известна как статистика Ферми – Дирака . [30] После Дирака частицы, подчиняющиеся принципу исключения, сегодня называются « фермионами », а те, которые этого не делают, называются « бозонами ». [31]
Профессорские должности в Италии предоставлялись по конкурсу ( concorso ) на вакантную кафедру, при этом соискатели оценивались по своим публикациям комитетом профессоров. Ферми подал заявку на должность кафедры математической физики в Университете Кальяри на Сардинии , но ему отказали в пользу Джованни Джорджи . [32] В 1926 году, в возрасте 24 лет, он подал заявление на должность профессора в Римском университете Сапиенца. Это была новая кафедра, одна из трех первых кафедр теоретической физики в Италии, созданная министром образования по настоянию профессора Орсо Марио Корбино , профессора университетской экспериментальной физики, директора Института физики. Физика и член кабинета Бенито Муссолини . Корбино, который также возглавлял отборочную комиссию, надеялся, что новый председатель повысит уровень и репутацию физики в Италии. [33] Комитет выбрал Ферми перед Энрико Персико и Альдо Понтремоли , [34] и Корбино помог Ферми набрать свою команду, к которой вскоре присоединились известные студенты, такие как Эдоардо Амальди , Бруно Понтекорво , Этторе Майорана и Эмилио Сегре , а также Франко Разетти, которого Ферми назначил своим помощником. [35] Вскоре их прозвали « Виа Панисперна мальчики » в честь улицы, на которой располагался Институт физики. [36]
Ферми женился на Лауре Капон , студентке университета, 19 июля 1928 года. [37] У них было двое детей: Нелла, родившаяся в январе 1931 года, и Джулио, родившийся в феврале 1936 года . [38] 18 марта 1929 года Ферми был назначен Муссолини членом Королевской академии Италии , а 27 апреля вступил в фашистскую партию . Позже он выступал против фашизма, когда в 1938 году Муссолини обнародовал расовые законы , чтобы идеологически приблизить итальянский фашизм к немецкому нацизму . Эти законы угрожали Лауре, которая была еврейкой, и лишили работы многих научных сотрудников Ферми. [39] [40] [41] [42] [43]
Во время своего пребывания в Риме Ферми и его группа внесли важный вклад во многие практические и теоретические аспекты физики. В 1928 году он опубликовал свое «Введение в атомную физику» ( Introduzione alla fisicaatomica ), которое предоставило студентам итальянских университетов актуальный и доступный текст. Ферми также читал публичные лекции и писал популярные статьи для ученых и преподавателей, чтобы как можно шире распространить знания о новой физике. [44] Частью его метода преподавания было собрать вместе своих коллег и аспирантов в конце дня и обсудить проблему, часто основанную на его собственных исследованиях. [44] [45] Признаком успеха стало то, что иностранные студенты теперь начали приезжать в Италию. Самым известным из них был немецкий физик Ганс Бете [46] , который приехал в Рим в качестве сотрудника Фонда Рокфеллера и сотрудничал с Ферми в работе 1932 года «О взаимодействии двух электронов» ( нем . Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen). ). [44]
В это время физики были озадачены бета-распадом , при котором электрон вылетал из атомного ядра . Чтобы удовлетворить закону сохранения энергии , Паули постулировал существование невидимой частицы без заряда и небольшой массы или вообще без нее, которая испускалась в то же время. Ферми подхватил эту идею, которую он развил в предварительной статье в 1933 году, а затем в более длинной статье в следующем году, включавшей постулируемую частицу, которую Ферми назвал « нейтрино ». [47] [48] [49] Его теория, позже названная взаимодействием Ферми , а еще позже как теория слабого взаимодействия , описала одну из четырех фундаментальных сил природы . Нейтрино было обнаружено после его смерти, и его теория взаимодействия показала, почему его так трудно обнаружить. Когда он представил свою статью в британский журнал Nature , редактор этого журнала отклонил ее, поскольку она содержала предположения, которые «слишком далеки от физической реальности, чтобы представлять интерес для читателей». [48] Таким образом, Ферми увидел, что теория опубликована на итальянском и немецком языках до того, как она была опубликована на английском языке. [35]
Во введении к английскому переводу 1968 года физик Фред Л. Уилсон отметил, что:
Теория Ферми, помимо поддержки идеи Паули о нейтрино, имеет особое значение в истории современной физики. Следует помнить, что на момент создания теории были известны только встречающиеся в природе β-излучатели. Позже, когда был открыт распад позитрона, этот процесс легко был включен в первоначальную концепцию Ферми. На основе его теории был предсказан и в конечном итоге обнаружен захват орбитального электрона ядром. Со временем экспериментальные данные накопились значительно. Хотя особенности в β-распаде наблюдались много раз, теория Ферми всегда была на высоте.
Последствия теории Ферми огромны. Например, β-спектроскопия зарекомендовала себя как мощный инструмент для изучения структуры ядра. Но, возможно, наиболее влиятельным аспектом этой работы Ферми является то, что его особая форма β-взаимодействия установила закономерность, пригодную для изучения других типов взаимодействий. Это была первая успешная теория создания и уничтожения материальных частиц. Раньше было известно, что создаются и уничтожаются только фотоны. [49]
В январе 1934 года Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио объявили, что они бомбардировали элементы альфа-частицами и вызвали в них радиоактивность . [50] [51] К марту помощник Ферми Джан-Карло Вик предоставил теоретическое объяснение, используя теорию Ферми о бета-распаде. Ферми решил перейти к экспериментальной физике, используя нейтрон , который Джеймс Чедвик открыл в 1932 году . [52] В марте 1934 года Ферми захотел проверить, сможет ли он вызвать радиоактивность с помощью полоний - бериллиевого источника нейтронов Разетти . Нейтроны не имели электрического заряда и поэтому не могли отклоняться положительно заряженным ядром. Это означало, что им требовалось гораздо меньше энергии для проникновения в ядро, чем заряженным частицам, и поэтому не требовался ускоритель частиц , которого не было у ребят с Виа Панисперна. [53] [54]
У Ферми возникла идея прибегнуть к замене полоний-бериллиевого источника нейтронов на радон -бериллиевый, который он создал, наполнив стеклянную колбу порошком бериллия, откачав воздух, а затем добавив 50 м Ки газообразного радона, поставленного Джулио. Чезаре Трабакки. [55] [56] Это создало гораздо более мощный источник нейтронов, эффективность которого снизилась с периодом полураспада радона 3,8 дня. Он знал, что этот источник также будет излучать гамма-лучи , но, исходя из своей теории, полагал, что это не повлияет на результаты эксперимента. Он начал с бомбардировки платины , элемента с высоким атомным номером , который был легко доступен, но безуспешно. Он обратился к алюминию , который испустил альфа-частицу и произвел натрий , который затем распался на магний в результате испускания бета-частиц. Он попробовал свинец , но безуспешно, а затем фтор в форме фторида кальция , который испустил альфа-частицу и произвел азот , распадающийся на кислород путем испускания бета-частиц. Всего он вызвал радиоактивность в 22 различных элементах. [57] Ферми быстро сообщил об открытии нейтронно-индуцированной радиоактивности в итальянском журнале La Ricerca Scientifica 25 марта 1934 года. [56] [58] [59]
Естественная радиоактивность тория и урана затрудняла определение того, что происходило, когда эти элементы подвергались бомбардировке нейтронами, но после правильного исключения присутствия элементов легче урана, но тяжелее свинца, Ферми пришел к выводу, что они создали новые элементы, которые он называются гесперием и аузонием . [60] [54] Химик Ида Ноддак предположила, что в некоторых экспериментах могли быть получены более легкие элементы, чем свинец, а не новые, более тяжелые элементы. В то время ее предложение не было воспринято всерьез, поскольку ее команда не проводила никаких экспериментов с ураном и не создавала теоретической основы для такой возможности. В то время деление считалось маловероятным, если не невозможным с теоретической точки зрения. В то время как физики ожидали, что элементы с более высокими атомными номерами образуются в результате нейтронной бомбардировки более легких элементов, никто не ожидал, что нейтроны будут обладать достаточной энергией, чтобы разделить более тяжелый атом на два фрагмента легкого элемента, как предположил Ноддак. [61] [60]
Ребята с Виа Панисперна также заметили некоторые необъяснимые эффекты. Похоже, эксперимент сработал лучше на деревянном столе, чем на мраморной столешнице. Ферми вспомнил, что Жолио-Кюри и Чедвик заметили, что парафин эффективно замедляет нейтроны, поэтому он решил попробовать это. Когда нейтроны пропускались через парафин, они вызывали в серебре в сто раз больше радиоактивности , чем при бомбардировке без парафина. Ферми предположил, что это произошло из-за атомов водорода в парафине. Те, кто занимался деревом, аналогичным образом объяснили разницу между деревянными и мраморными столешницами. Это было подтверждено повторением эффекта с водой. Он пришел к выводу, что столкновения с атомами водорода замедляют нейтроны. [62] [54] Чем меньше атомный номер ядра, с которым оно сталкивается, тем больше энергии теряет нейтрон при столкновении и, следовательно, тем меньше столкновений требуется, чтобы замедлить нейтрон на заданную величину. [63] Ферми понял, что это вызывает большую радиоактивность, потому что медленные нейтроны легче захватываются , чем быстрые. Для описания этого он разработал уравнение диффузии , которое стало известно как уравнение возраста Ферми . [62] [54]
В 1938 году Ферми получил Нобелевскую премию по физике в возрасте 37 лет за «демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, образующихся при нейтронном облучении, и за связанное с этим открытие ядерных реакций , вызываемых медленными нейтронами». [64] После того, как Ферми получил премию в Стокгольме , он не вернулся домой в Италию, а продолжил путь в Нью-Йорк со своей семьей в декабре 1938 года, где они подали заявление на постоянное место жительства. Решение переехать в Америку и стать гражданом США было обусловлено прежде всего расовыми законами Италии. [39] [65]
Ферми прибыл в Нью-Йорк 2 января 1939 года. [66] Ему сразу же предложили должности в пяти университетах, и он принял одну из них в Колумбийском университете , [67] где он уже читал летние лекции в 1936 году. [68] Он получил известие что в декабре 1938 года немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман обнаружили элемент барий после бомбардировки урана нейтронами, [69] который Лиза Мейтнер и ее племянник Отто Фриш правильно интерпретировали как результат ядерного деления . Фриш подтвердил это экспериментально 13 января 1939 года. [70] [71] Новость о интерпретации Мейтнер и Фришем открытия Хана и Штрассмана пересекла Атлантику вместе с Нильсом Бором , который должен был читать лекции в Принстонском университете . Исидор Исаак Раби и Уиллис Ламб , два физики Колумбийского университета, работавшие в Принстоне, узнали об этом и привезли его обратно в Колумбию. Лави сказал, что рассказал об этом Энрико Ферми, но позже Ферми отдал должное Лэмбу: [72]
Я очень хорошо помню первый месяц, январь 1939 года, когда я начал работать в лабораториях Пупина, потому что все стало происходить очень быстро. В тот период Нильс Бор читал лекции в Принстонском университете, и я помню, как однажды днем Уиллис Ламб вернулся очень взволнованный и сказал, что Бор сообщил отличные новости. Великой новостью, которая просочилась, было открытие деления и, по крайней мере, основные принципы его интерпретации. Затем, несколько позже в том же месяце, состоялась встреча в Вашингтоне, на которой впервые в полушутливой форме всерьез обсуждалась возможная важность недавно открытого явления деления как возможного источника ядерной энергии . [73]
В конце концов, Ноддак оказался прав. Ферми отверг возможность деления на основе своих расчетов, но он не учел энергию связи , которая появится, когда нуклид с нечетным числом нейтронов поглотит дополнительный нейтрон. [61] Для Ферми эта новость стала глубоким смущением, поскольку трансурановые элементы , за открытие которых он частично был удостоен Нобелевской премии, были вовсе не трансурановыми элементами, а продуктами деления . Он добавил сноску по этому поводу в свою речь на вручении Нобелевской премии. [72] [74]
Ученые из Колумбии решили, что им следует попытаться обнаружить энергию, выделяющуюся при ядерном делении урана при бомбардировке нейтронами. 25 января 1939 года в подвале Пупин-холла в Колумбии экспериментальная группа, в которую входил Ферми, провела первый в Соединенных Штатах эксперимент по расщеплению ядерного оружия. Другими членами команды были Герберт Л. Андерсон , Юджин Т. Бут , Джон Р. Даннинг , Дж. Норрис Глэйсо и Фрэнсис Г. Слэк . [75] На следующий день в Вашингтоне, округ Колумбия, началась Пятая Вашингтонская конференция по теоретической физике под совместной эгидой Университета Джорджа Вашингтона и Вашингтонского института Карнеги . Там новости о ядерном делении распространились еще дальше, что способствовало появлению множества экспериментальных демонстраций. [76]
Французские ученые Ганс фон Хальбан , Лью Коварский и Фредерик Жолио-Кюри продемонстрировали, что уран, бомбардированный нейтронами, испускает больше нейтронов, чем поглощает, что предполагает возможность цепной реакции. [77] Ферми и Андерсон сделали то же самое несколько недель спустя. [78] [79] Лео Сцилард получил 200 килограммов (440 фунтов) оксида урана от канадского производителя радия Eldorado Gold Mines Limited , что позволило Ферми и Андерсону проводить эксперименты с делением в гораздо большем масштабе. [80] Ферми и Сцилард сотрудничали в разработке устройства для достижения самоподдерживающейся ядерной реакции — ядерного реактора . Из-за скорости поглощения нейтронов водородом в воде маловероятно, что самоподдерживающаяся реакция может быть достигнута с использованием природного урана и воды в качестве замедлителя нейтронов . Ферми, основываясь на своей работе с нейтронами, предположил, что реакцию можно осуществить, используя блоки оксида урана и графит в качестве замедлителя вместо воды. Это уменьшит скорость захвата нейтронов и теоретически сделает возможной самоподдерживающуюся цепную реакцию. Сцилард придумал работоспособную конструкцию: груду блоков оксида урана с вкраплениями графитовых кирпичей. [81] Сцилард, Андерсон и Ферми опубликовали статью «Производство нейтронов в уране». [80] Но их рабочие привычки и характеры были разными, и Ферми было трудно работать с Силардом. [82]
Ферми был одним из первых, кто предупредил военных лидеров о потенциальном воздействии ядерной энергии, прочитав лекцию на эту тему в Военно-морском ведомстве 18 марта 1939 года. Реакция не оправдала того, на что он надеялся, хотя ВМС согласились предоставить 1500 долларов. к дальнейшим исследованиям в Колумбии. [83] Позже в том же году Сцилард, Юджин Вигнер и Эдвард Теллер отправили письмо, подписанное Эйнштейном , президенту США Франклину Д. Рузвельту , предупреждая, что нацистская Германия , вероятно, создаст атомную бомбу . В ответ Рузвельт сформировал Консультативный комитет по урану для расследования этого вопроса. [84]
Консультативный комитет по урану предоставил Ферми деньги на покупку графита [85] , и он построил кучу графитовых кирпичей на седьмом этаже лаборатории Пупин-холла. [86] К августу 1941 года у него было шесть тонн оксида урана и тридцать тонн графита, которые он использовал для строительства еще большей кучи в Шермерхорн-холле в Колумбии. [87]
Секция S-1 Управления научных исследований и разработок , как теперь назывался Консультативный комитет по урану, встретилась 18 декабря 1941 года, когда США в то время были вовлечены во Вторую мировую войну , что сделало ее работу срочной. Большая часть усилий, спонсируемых комитетом, была направлена на производство обогащенного урана , но член комитета Артур Комптон определил, что реальной альтернативой является плутоний , который можно будет массово производить в ядерных реакторах к концу 1944 года. [88] Он решил сосредоточить работу по производству плутония в Чикагском университете . Ферми неохотно переехал, и его команда стала частью новой металлургической лаборатории . [89]
Возможные результаты самоподдерживающейся ядерной реакции были неизвестны, поэтому казалось нецелесообразным строить первый ядерный реактор в кампусе Чикагского университета в центре города. Комптон нашел место в лесном заповеднике Аргонн-Вудс, примерно в 20 милях (32 км) от Чикаго. Компания Stone & Webster заключила контракт на разработку этого объекта, но работы были остановлены из-за трудового спора. Затем Ферми убедил Комптона, что он может построить реактор на корте для сквоша под трибунами Стэгг Филд Чикагского университета . Строительство сваи началось 6 ноября 1942 года, а 2 декабря свая-1 в Чикаго стала критической . [90] Форма сваи должна была быть примерно сферической, но по ходу работы Ферми подсчитал, что критичность может быть достигнута без завершения всей сваи, как планировалось. [91]
Этот эксперимент стал важной вехой в поисках энергии и был типичным для подхода Ферми. Каждый шаг был тщательно спланирован, и каждый расчет был тщательно выполнен. [90] Когда была достигнута первая самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция, Комптон сделал закодированный телефонный звонок Джеймсу Б. Конанту , председателю Комитета исследований национальной обороны .
Я взял телефон и позвонил Конанту. С ним связались в офисе президента Гарвардского университета . «Джим, — сказал я, — тебе будет интересно узнать, что итальянский мореплаватель только что приземлился в новом мире». Затем, наполовину извиняясь, поскольку я заставил комитет Sl поверить в то, что пройдет еще неделя или больше, прежде чем груда будет завершена, я добавил: «Земля была не такой большой, как он предполагал, и он прибыл к новому мир раньше, чем он ожидал».
«Вот так?» — был взволнованный ответ Конанта. — Туземцы были дружелюбны?
«Все приземлились целыми и счастливыми». [92]
Чтобы продолжить исследования там, где они не представляли бы опасности для здоровья населения, реактор был разобран и перевезен на площадку Аргонн-Вудс. Там Ферми руководил экспериментами по ядерным реакциям, наслаждаясь возможностями, предоставляемыми реактором обильным производством свободных нейтронов. [93] Вскоре лаборатория перешла от физики и техники к использованию реактора для биологических и медицинских исследований. Первоначально Аргонн управлялся Ферми как часть Чикагского университета, но в мае 1944 года он стал отдельной организацией, директором которой стал Ферми. [94]
Когда 4 ноября 1943 года графитовый реактор Х-10 с воздушным охлаждением в Ок-Ридже вышел из строя, Ферми был рядом на случай, если что-то пойдет не так. Техники разбудили его пораньше, чтобы он мог увидеть, как это происходит. [95] Введение в эксплуатацию Х-10 стало еще одной вехой в плутониевом проекте. Он предоставил данные о конструкции реактора, обучил персонал DuPont эксплуатации реактора и произвел первые небольшие количества полученного в реакторе плутония. [96] Ферми стал американским гражданином в июле 1944 года, самой ранней дате, разрешенной законом. [97]
В сентябре 1944 года Ферми вставил первую порцию уранового топлива в реактор B на Хэнфордской площадке , производственный реактор, предназначенный для производства плутония в больших количествах. Как и X-10, он был спроектирован командой Ферми в Металлургической лаборатории и построен компанией DuPont, но он был намного больше и имел водяное охлаждение. В течение следующих нескольких дней было загружено 838 трубок, и реактор стал критическим. Вскоре после полуночи 27 сентября операторы начали вынимать стержни управления , чтобы начать производство. Поначалу все казалось хорошо, но около 03:00 уровень мощности начал падать, и к 06:30 реактор полностью остановился. Армия и DuPont обратились за ответами к команде Ферми. Охлаждающую воду исследовали на наличие утечек или загрязнений. На следующий день реактор внезапно запустился снова, но через несколько часов снова отключился. Проблема была связана с отравлением нейтронов ксеноном -135 или Хе-135, продуктом деления с периодом полураспада от 9,1 до 9,4 часа. Ферми и Джон Уилер пришли к выводу, что Хе-135 был ответственен за поглощение нейтронов в реакторе, тем самым саботируя процесс деления. Коллега Эмилио Сегре порекомендовал Ферми обратиться к Чиен-Шиунг Ву , поскольку она готовила печатный проект по этой теме для публикации в Physical Review . [98] Прочитав проект, Ферми и учёные подтвердили свои подозрения: Хе-135 действительно поглощал нейтроны, на самом деле он имел огромное нейтронное сечение. [99] [100] [101] Компания DuPont отклонилась от первоначального проекта Металлургической лаборатории, в котором реактор имел 1500 трубок, расположенных по кругу, и добавила 504 трубки для заполнения углов. Первоначально ученые считали такое чрезмерное проектирование пустой тратой времени и денег, но Ферми понял, что если все 2004 трубки будут загружены, реактор сможет достичь необходимого уровня мощности и эффективно производить плутоний. [102] [103]
В апреле 1943 года Ферми обсудил с Робертом Оппенгеймером возможность использования радиоактивных побочных продуктов обогащения для загрязнения немецких продуктов питания. В основе лежали опасения, что немецкий проект атомной бомбы уже находился на продвинутой стадии, и Ферми в то время также скептически относился к тому, что атомную бомбу можно будет разработать достаточно быстро. Оппенгеймер обсудил «многообещающее» предложение с Эдвардом Теллером, который предложил использовать стронций-90 . Джеймс Б. Конант и Лесли Гроувс также были проинформированы, но Оппенгеймер хотел приступить к реализации плана только в том случае, если с помощью оружия можно будет заразить достаточно еды, чтобы убить полмиллиона человек. [104]
В середине 1944 года Оппенгеймер убедил Ферми присоединиться к его проекту Y в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико . [105] Приехав в сентябре, Ферми был назначен заместителем директора лаборатории с широкой ответственностью за ядерную и теоретическую физику и возглавил отдел F, названный в его честь. Подразделение F имело четыре отделения: F-1 Super и General Theory под руководством Теллера, которые исследовали «Супер» (термоядерную) бомбу ; Водогрейный котел F-2 под руководством ЛДП Кинга, который присматривал за водным гомогенным исследовательским реактором «водяной котел» ; Суперэксперименты F-3 под руководством Эгона Бретшера ; и исследования деления F-4 под руководством Андерсона. [106] Ферми наблюдал за испытанием «Тринити» 16 июля 1945 года и провел эксперимент по оценке мощности бомбы, бросая полоски бумаги в взрывную волну. Он измерил расстояние, на которое их разнес взрыв, и рассчитал мощность в десять килотонн в тротиловом эквиваленте; фактическая мощность составила около 18,6 килотонн. [107]
Вместе с Оппенгеймером, Комптоном и Эрнестом Лоуренсом Ферми входил в состав научной группы, которая консультировала Временный комитет по выбору цели. Комиссия согласилась с комитетом, что атомные бомбы будут применены без предупреждения против промышленных объектов. [108] Как и другие сотрудники Лос-Аламосской лаборатории, Ферми узнал об атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки из системы громкой связи в технической зоне. Ферми не верил, что атомные бомбы удержат страны от начала войн, и не думал, что настало время для создания мирового правительства . Поэтому он не присоединился к Ассоциации ученых Лос-Аламоса . [109]
Ферми стал заслуженным профессором физики Чикагского университета имени Чарльза Х. Свифта 1 июля 1945 года, [110] хотя он покинул Лос-Аламосскую лабораторию вместе со своей семьей только 31 декабря 1945 года. [111] Он был избран членом Национальная академия наук США в 1945 году. [112] 1 июля 1946 года Металлургическая лаборатория стала Аргоннской национальной лабораторией , первой из национальных лабораторий , созданных в рамках Манхэттенского проекта. [113] Небольшое расстояние между Чикаго и Аргонной позволило Ферми работать в обоих местах. В Аргонне он продолжил экспериментальную физику, исследуя рассеяние нейтронов вместе с Леоной Маршалл . [114] Он также обсуждал теоретическую физику с Марией Майер , помогая ей развить понимание спин-орбитального взаимодействия , что привело бы к ее получению Нобелевской премии. [115]
1 января 1947 года Манхэттенский проект был заменен Комиссией по атомной энергии (AEC) . [116] Ферми входил в состав Генерального консультативного комитета AEC, влиятельного научного комитета под председательством Роберта Оппенгеймера. [117] Ему также нравилось проводить несколько недель каждый год в Лос-Аламосской национальной лаборатории, [118] где он сотрудничал с Николасом Метрополисом , [119] и с Джоном фон Нейманом по нестабильности Рэлея-Тейлора , науке о том, что происходит при граница между двумя жидкостями разной плотности. [120]
После взрыва первой советской атомной бомбы в августе 1949 года Ферми вместе с Исидором Раби написали для комитета резкий отчет, в котором выступали против разработки водородной бомбы по моральным и техническим причинам. [121] Тем не менее, Ферми продолжал участвовать в работе над водородной бомбой в Лос-Аламосе в качестве консультанта. Вместе со Станиславом Уламом он подсчитал, что не только количество трития , необходимое для модели термоядерного оружия Теллера, будет непомерно высоким, но и невозможно гарантировать распространение реакции термоядерного синтеза даже при таком большом количестве трития. [122] Ферми был среди ученых, которые давали показания от имени Оппенгеймера на слушаниях по делу безопасности Оппенгеймера в 1954 году, в результате которых Оппенгеймеру было отказано в допуске к секретной информации. [123]
В более поздние годы Ферми продолжал преподавать в Чикагском университете, где он был основателем того, что позже стало Институтом Энрико Ферми . Среди его аспирантов в послевоенный период были Оуэн Чемберлен , Джеффри Чу , Джером Фридман , Марвин Голдбергер , Цунг-Дао Ли , Артур Розенфельд и Сэм Трейман . [124] [74] Джек Стейнбергер был аспирантом, а Милдред Дрессельхаус находилась под сильным влиянием Ферми в течение года, когда она работала с ним в качестве аспиранта. [125] [126] Ферми провел важные исследования в области физики элементарных частиц, особенно связанных с пионами и мюонами . Он сделал первые предсказания пион- нуклонного резонанса, [119] опираясь на статистические методы , поскольку считал, что точные ответы не требуются, когда теория и так неверна. [127] В статье, написанной в соавторстве с Чэнь Нин Яном , он предположил, что пионы на самом деле могут быть составными частицами. [128] Идею разработал Сёичи Саката . С тех пор она была вытеснена кварковой моделью , в которой пион состоит из кварков, что дополнило модель Ферми и подтвердило его подход. [129]
Ферми написал статью «О происхождении космического излучения », в которой предположил, что космические лучи возникают в результате ускорения материала магнитными полями в межзвездном пространстве, что привело к разногласиям с Теллером. [127] Ферми исследовал проблемы, связанные с магнитными полями в рукавах спиральной галактики . [130] Он размышлял о том, что сейчас называют « парадоксом Ферми »: противоречие между предполагаемой вероятностью существования внеземной жизни и фактом, что контакт не был установлен. [131]
Ближе к концу своей жизни Ферми усомнился в своей вере в то, что общество в целом сможет сделать мудрый выбор в отношении ядерных технологий. Он сказал:
Некоторые из вас могут спросить, какой смысл так усердно работать, просто чтобы собрать несколько фактов, которые не принесут удовольствия никому, кроме нескольких длинноволосых профессоров, которые любят собирать такие вещи, и которые никому не принесут пользы, потому что лишь немногие специалисты в лучшем случае смогут их понять? В ответ на такой вопрос я могу сделать довольно безопасный прогноз.
История науки и техники постоянно учит нас, что научные достижения в базовых знаниях рано или поздно приводят к техническим и промышленным применениям, которые революционизируют наш образ жизни. Мне кажется невероятным, чтобы эта попытка понять структуру материи стала исключением из этого правила. Менее достоверно, и на что мы все горячо надеемся, так это то, что человек вскоре вырастет достаточно взрослым, чтобы эффективно использовать власть, которую он приобретает над природой. [132]
Ферми перенес так называемую « исследовательскую » операцию в Мемориальной больнице Биллингса в октябре 1954 года, после чего вернулся домой. Пятьдесят дней спустя он умер от неоперабельного рака желудка в своем доме в Чикаго. Ему было 53 года. [2] Ферми подозревал, что работа рядом с ядерным котлом связана с большим риском, но он настаивал, потому что чувствовал, что выгоды перевешивают риски для его личной безопасности. Двое его ассистентов-аспирантов, работавших возле кучи, также умерли от рака. [133]
В часовне Чикагского университета прошла поминальная служба , на которой коллеги Сэмюэл К. Эллисон , Эмилио Сегре и Герберт Л. Андерсон выступили, чтобы оплакать потерю одного из «самых блестящих и продуктивных физиков мира». [134] Его тело было похоронено на кладбище Оук-Вудс , где под председательством лютеранского капеллана прошла частная служба над могилой ближайших родственников. [135]
Ферми получил множество наград в знак признания своих достижений, в том числе медаль Маттеуччи в 1926 году, Нобелевскую премию по физике в 1938 году, медаль Хьюза в 1942 году, медаль Франклина в 1947 году и премию Рамфорда в 1953 году. Он был награжден медалью за Заслуга в 1946 году за вклад в Манхэттенский проект. [136] Ферми был избран членом Американского философского общества в 1939 году и иностранным членом Королевского общества (FRS) в 1950 году . [137] [138] Базилика Санта-Кроче во Флоренции , известная как Храм итальянской славы из-за многочисленных могил художников, ученых и выдающихся деятелей итальянской истории, имеет мемориальную доску в честь Ферми. [139] В 1999 году журнал Time включил Ферми в свой список 100 лучших людей двадцатого века. [140] Ферми широко считался необычным примером физика 20-го века, который преуспел как в теории, так и в экспериментах. Химик и писатель К. П. Сноу писал: «Если бы Ферми родился на несколько лет раньше, можно было бы вполне представить, что он открыл атомное ядро Резерфорда, а затем разработал теорию атома водорода Бора . Если это звучит как гипербола, то все, что касается Ферми, является вероятно, прозвучит как гипербола». [141]
Ферми был известен как вдохновляющий преподаватель и отличался вниманием к деталям, простотой и тщательной подготовкой своих лекций. [142] Позже его конспекты лекций были переписаны в книги. [143] Его бумаги и записные книжки сегодня находятся в Чикагском университете. [144] Виктор Вайскопф отмечал, что Ферми «всегда удавалось найти самый простой и прямой подход, с минимумом усложнений и изощренностей». [145] Он не любил сложные теории и, хотя у него были большие математические способности, он никогда не использовал их, когда работу можно было выполнить гораздо проще. Он был известен тем, что получал быстрые и точные ответы на проблемы, которые могли поставить в тупик других людей. Позже его метод получения приблизительных и быстрых ответов посредством приблизительных вычислений стал неофициально известен как « метод Ферми » и широко преподается. [146]
Ферми любил отмечать, что, когда Алессандро Вольта работал в своей лаборатории, Вольта понятия не имел, к чему приведет изучение электричества. [147] Ферми обычно помнят за его работу в области ядерной энергетики и ядерного оружия, особенно создание первого ядерного реактора и разработку первых атомных и водородных бомб. Его научная деятельность выдержала испытание временем. Сюда входит его теория бета-распада, его работа с нелинейными системами, его открытие эффектов медленных нейтронов, его исследование пион-нуклонных столкновений и его статистика Ферми-Дирака. Его предположение о том, что пион не является фундаментальной частицей, указало путь к изучению кварков и лептонов . [148]
Как человек Ферми казался самой простотой. Он был необычайно энергичен, любил игры и спорт. В таких случаях его амбициозный характер становился очевидным. Он очень яростно играл в теннис и при восхождении на горы выступал скорее в роли проводника. Его можно было бы назвать великодушным диктатором. Помню, однажды на вершине горы Ферми встал и сказал: «Ну, без двух минут два, давайте все уйдем в два часа»; и, конечно, все встали преданно и послушно. Это лидерство и самоуверенность дали Ферми прозвище «Папа», чьи заявления были непогрешимы в физике. Однажды он сказал: «Я могу вычислить что угодно в физике с точностью до 2 на нескольких листах; чтобы правильно поставить числовой коэффициент перед формулой, физику вполне может потребоваться год на расчеты, но меня это не интересует». Его руководство могло зайти так далеко, что это представляло опасность для независимости работающего с ним человека. Я помню, как однажды на вечеринке у него дома, когда моя жена резала хлеб, Ферми подошел и сказал, что у него другая философия в отношении резки хлеба, выхватил нож из руки моей жены и приступил к работе, потому что он был убежден, что его собственный метод был лучше. Но все это нисколько не оскорбило, а, скорее, очаровало Ферми всех. У него было очень мало интересов за пределами физики, и когда он однажды услышал, как я играю на фортепиано Теллера, он признался, что его интерес к музыке ограничивался простыми мелодиями.
- Эгон Бретшер [138]
Многие вещи носят имя Ферми. К ним относятся ускоритель частиц и физическая лаборатория Фермилаб в Батавии, штат Иллинойс , переименованный в его честь в 1974 году [149] и космический гамма-телескоп Ферми , названный в его честь в 2008 году в знак признания его работ по космическим исследованиям. лучи. [150] В его честь названы три ядерные реакторные установки: атомные электростанции «Ферми-1» и «Ферми-2» в Ньюпорте, штат Мичиган , атомная электростанция «Энрико Ферми» в Трино Верчеллезе в Италии, [151] и исследовательская установка Энрико Ферми RA-1. Реактор в Аргентине . [152] Синтетический элемент, выделенный из обломков ядерного испытания Айви Майк в 1952 году , был назван фермием в честь вклада Ферми в научное сообщество. [153] [154] Это делает его одним из 16 учёных, в честь которых названы элементы . [155]
С 1956 года Комиссия по атомной энергии США называет в его честь свою высшую награду — Премию Ферми . Среди лауреатов премии были Отто Хан, Роберт Оппенгеймер, Эдвард Теллер и Ганс Бете. [156]
Полный список его статей см. на стр. 75–78 в ссылке. [138]
