Энрико ферми - биография. Отец атомной энергии

Энрико Ферми краткая биография итальянского физика изложена в этой статье.

Энрико Ферми биография кратко

Родился 29 сентября 1901 г. в Риме, в семье служащего и рано, проявил склонность к точным наукам.

В 1922 г. он окончил университет в г. Пиза, а затем отправился на стажировку в Германию и Нидерланды.
После возвращения на родину в 1925 г. Ферми, работая во Флорентийском университете, занялся исследованиями в области квантовой физики, а в 1926 г. занял должность профессора кафедры теоретической физики университета в Риме. Здесь он занялся исследованием искусственной радиоактивности.

Энрико Ферми решил повторить опыты супругов и по бомбардировке образцов разных веществ, заменив альфа-частицы, выступающие в роли «снарядов», нейтронами. В то время физики не считали нейтроны пригодными для расщепления атомов. Признавая, что работа с нейтронами трудна из-за низкой активности источников, излучающих эти частицы, Ферми догадывался, что этот недостаток компенсируется эффективным действием нейтронов на атомы, способные к ядерным превращениям.
В 1934 г. Энрико Ферми также сформулировал теорию бета-распада, которая до сих пор активно используется физиками для объяснения явлений микромира.

В 1938 г. Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике — «за открытие искусственной радиоактивности, вызванной медленными нейтронами». Он создал теории бета-распада, замедления нейтронов.

В 1938 Ферми эмигрировал в США и стал профессором Колумбийского университета и руководителем исследований в области исследования ядерной энергии

В 1939 году ввёл понятие цепной реакции и участвовал в создании проекта атомной бомбы.

Под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 г. в США был запущен первый в мире ядерный реактор.

А в 1946 г. Ферми стал профессором Чикагского университета и в последние годы жизни занимался физикой высоких энергий.
Энрико Ферми член многих академий наук и научных общества.

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.

] Под общей редакцией Бруно Понтекорво.
(Москва: Издательство «Наука», 1971. - Серия «Классики науки»)
Скан: AAW, обработка, формат: mor, 2010

• СОДЕРЖАНИЕ:
  От редакции (5).
  Энрико Ферми (В. Понтекорво) (9).
  1921
  1. О динамике системы жестко связанных электрических зарядов, движущейся поступательно (46).
  2. Об электростатике однородного гравитационного поля и о весе электромагнитной массы (54).
  1922
  3. О явлениях, происходящих вблизи от мировой линии (64).
  1923
  4. Разрешение существующего противоречия между электродинамической и релятивистской теориями электромагнитной массы (72).
  5. Масса в теории относительности (82).
  6. Образование изображений при помощи рентгеновских лучей (84).
  7. О весе упругих тел (90).
  8. К увлечению плоскости поляризации вращающейся средой (104).
  9. О массе излучения в пустом пространстве. (Совместно с А. Понтремоли) (108).
  10. Адиабатический принцип и системы, не допускающие введения угловых координат (111).
  11. I. Доказательство того, что нормальная механическая система в общем случае является квазиэргодической (115).
  II. О существовании квазиэргодических систем (123).
  12. Некоторые теоремы аналитической механики, важные для теории квантов (125).
  13. Ричардсоновская статистическая теория фотоэлектрического эффекта (135).
  14. К штерновскому способу вычисления константы энтропии одноатомного идеального газа (142).
  1924
  15. О вероятности квантовых состояний (146).
  16. Об отражении и рассеянии резонансного излучения (150).
  17. О квантовании систем, содержащих тождественные элементы (154).
  18. О равновесной термической ионизации (160).
  19. К теории столкновений атомов с электрически заряженными частицами (166).
  1925
  20. Об интенсивности линий мультиплета (178).
  21. О соударениях атомов с ядрами водорода (183).
  22. Об одном соотношении между постоянными инфракрасных полос трехатомных молекул (186).
  23. Влияние переменного магнитного поля на поляризацию резонансного светового излучения. (Совместно с Ф. Разетти) (188).
  24. Еще о влиянии переменного магнитного поля на поляризацию резонансного светового излучения. (Совместно с Ф. Разетти) (195).
  1926
  25. О квантовании идеального одноатомного газа (199).
  26. Об интенсивности запрещенных линий в сильных магнитных полях (214).
  27. О вращающемся электроне. (Совместно с Ф. Разетти) (220).
  28. О волновой механике процесса столкновений (227).
  29. Адиабатический принцип и понятие живой силы в новой волновой механике. (Совместно с Э. Персико) (231).
  30. Об одной формуле теории вероятностей (237).
  31. Квантовая механика и магнитный момент атома (243).
  1927
  32. Измерение отношения h/k по аномальной дисперсии паров таллия. (Совместно с Ф. Разетти) (246).
  33. Электро- и магнитооптические эффекты и их интерпретация (251).
  34. О механизме излучения в волновой механике (271).
  35. Статистический метод определения некоторых свойств атома (278).
  1928
  36. О статистическом выводе некоторых свойств атома. Приложение к теории периодической системы элементов (284).
  37. О применении статистического метода в проблеме строения атома (288).
  1929
  38. О квантовой электродинамике (302).
  39. О движении тела переменной массы (309).
  40. О комплексе 4d молекулы гелия (312).
  1930
  41. О соотношении интенсивностей в дублетах щелочных металлов (315).
  42. О магнитных моментах атомных ядер (322).
  43. Интерпретация принципа причинности в квантовой механике (337).
  44. Современная физика (343).
  45. К расчету спектров ионов (351).
  46. О квантовой электродинамике (359).
  1931
  47. Электромагнитная масса в квантовой электродинамике (364).
  1932
  48. Квантовая теория излучения (375).
  49. О взаимодействии двух электронов. (Совместно с Г. Бете) (428).
  50. Раман-эффект в молекулах и кристаллах (439).
  51. Современное состояние физики атомного ядра (458).
  52. О колебательных и вращательных полосах аммиака (474).
  1933
  53. Действие магнитного поля Земли на проникающее излучение. (Совместно с Б. Росси) (481).
  54. К теории сверхтонкой структуры. (Совместно с Э. Севре) (485).
  55. О рекомбинации электронов и позитронов. (Совместно с Дж. Уленбеком) (510).
  56. Кристалл висмута как спектрограф гамма-лучей. (Совместно с Ф. Разетти) (515).
  57. Мельчайшие частицы материи (519).
  1934
  58. К теории β-лучей (525).
  59. Орбиты ∞s элементов. (Совместно с Э. Амальди) (542).
  60. Статистическая механика (571).
  61. Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой. I. (601).
  62. Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой. II. (603).
  63. Возможное образование элементов с атомным номером выше 92 (605).
  64. О смещении высших спектральных линий под действием давления (611).
  65. Искусственная радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой. (Совместно с Э. Амальди, О. Д"Агостино, Ф. Разетти и Э. Сегре) (620).
  66. Естественный бета-распад (637).
  67. Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами. I. (Совместно с Э. Амальди, Б. Понтекорво, Ф. Разетти и Э. Сегре) (639).
  68. Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами. II. (Совместно с Б. Понтекорво и Ф. Разетти) (642).
  1935
  69. Искусственная радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой. II. (Совместно с Э. Амальди, О. Д"Агостино, Б. Понтекорво, Ф. Разетти и Э. Сегре) (643).
  70. О законе распределения медленных нейтронов по скоростям (675).
  71. Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой. X. (Совместно с Э. Амалъди, О. Д"Агостино, Б. Понтекорво и Э. Сегре) (679).
  72. О рекомбинации нейтронов и протонов (684).
  1936
  73. О поглощении и диффузии медленных нейтронов. (Совместно с Э. Амальди) (691).
  74. О движении нейтронов в водородсодержащих веществах (741).
  1937
  75. Учитель: Орсо Марио Корбино (782).
  76. Искусственный генератор нейтронов. (Совместно с Э. Амальди и Ф. Разетти) (786).
  77. Памяти лорда Резерфорда (790).
  1938
  78. Воздействие бора на характеристические нейтроны иода. (Совместно с Ф. Разетти) (791).
  79. Альбедо медленных нейтронов. (Совместно с Э. Амальди и Дж. Виком) (794).
  80. Искусственная радиоактивность, возникающая при бомбардировке нейтронами (796).
  Именной указатель (805).
  Предметный указатель (810).

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.

Энрико Ферми

Энрико Ферми