Главная страница [an error occurred while processing this directive]

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 21(306) 16 октября 2002 г.

Давид ГОЛЬДШТЕЙН (Массачусетс)

"Восемь Нобелевских премий" Энрико Ферми

Энрико Ферми

29 сентября 2001 г. исполнилось сто лет со дня рождения великого итальянского физика Энрико Ферми. Но в связи с террористическим актом в Нью-Йорке 11 сентября столетие Энрико Ферми прошло почти незамеченным средствами массовой информации. Вместе с тем, 2 декабря 2002 года исполняется шестидесятилетие осуществления Ферми впервые в мире цепной ядерной реакции деления урана. Поэтому представляется своевременным напомнить читателям "Вестника" основные этапы сравнительно короткого, но яркого жизненного пути Энрико Ферми - стоявшего у истоков создания ядерной и нейтронной физики, квантовой статистики, теории бета-распада и др., а также одного из основных участников американской программы овладения атомной энергией.

Для большинства читателей имя Энрико Ферми связано прежде всего с созданием первого в мире ядерного реактора. Однако вклад Ферми в науку гораздо шире. Наиболее полно научный и жизненный путь Энрико Ферми описан в монографии его ученика и друга, лауреата Нобелевской премии, Эмилио Сегре "Энрико Ферми - физик" (Emilio Segre. Enrico Fermi, Physicist. The University of Chicago press. Chicago and London, 1970). Энрико Ферми родился в Риме 29 сентября 1901 г. Его отец, Альберто Ферми был железнодорожным служащим и в конце службы занимал довольно высокий пост начальника отдела, что соответствовало рангу бригадного генерала в армии. Мать Энрико, Ида де Гаттис, была дочерью армейского офицера, получила педагогическое образование и большую часть своей жизни преподавала в начальных школах. Ее дети и друзья считали Иду необычайно умной и способной.

Энрико рано научился читать и писать. Он обладал изумительной памятью и редкими математическими способностями и легко стал первым учеником в классе. В июле 1918 г., пройдя трехгодичный курс лицея за два года, Энрико получил диплом и по совету сослуживца его отца, весьма образованного инженера Адольфо Амидея, поступил по конкурсу в Высшую Нормальную школу в Пизе с тем, чтобы одновременно посещать лекции в Пизанском университете. В то время Высшая Нормальная школа в Пизе была одним из лучших высших учебных заведений в Италии. При прохождении конкурса Ферми произвел на профессора математики такое впечатление, что он после экзамена специально пригласил его на беседу, в заключение которой сказал Ферми, "что за всю свою долгую профессорскую деятельность он не видел ничего подобного, что Ферми - выдающийся человек, и ему суждено стать большим ученым".

С осени 1920 г. Ферми, продолжая учебу в Нормальной школе, был допущен на физический факультет Пизанского университета и в 1922 г. выполнил дипломную работу по дифракции рентгеновских лучей на изогнутых кристаллах. В то же время он подготовил еще один диплом для Нормальной школы в области теории вероятностей и ее приложения к астрономии. Ферми получил также выдающиеся результаты в общей теории относительности, которая тогда была в центре внимания ученых. В 1923 г. молодой учёный опубликовал эссе "Масса в теории относительности", где среди прочего рассматривалась возможность высвобождения ядерной энергии.

В конце 1922 г. Ферми по конкурсу получил единственную стипендию Итальянского министерства просвещения для окончивших университеты по естественным наукам и зимой 1923 г. отправился в Геттинген для работы у профессора теоретической физики Макса Борна. Затем в 1923-24 г. Ферми читает курс математики в Римском университете, пишет статью по теории атомных столкновений и публикует ее на итальянском и немецком языках. Вскоре он получает трехмесячную стипендию из фонда Рокфеллера для поездки в Лейденский университет по приглашению Пауля Эренфеста, обратившего внимание на его публикации. Исследования по статистической механике и спектроскопии, проводившиеся в Лейдене, были очень близки интересам Ферми. В 1924-25 г. он публикует по этому направлению ряд статей и в дальнейшем создает так называемую фермиевскую статистику. В конце 1926 г. в возрасте 25 лет Ферми по конкурсу избирается профессором теоретической физики Римского университета и практически достигает вершины университетской карьеры в Италии. К этому периоду относится создание Ферми "школы" физиков. Он систематически проводит семинары молодых физиков. И уже в 1929 г. Ферми - член только что учрежденной Итальянской Академии наук.

Осенью 1933 года, после участия в Брюсселе в седьмом Сольвеевском конгрессе физиков, Ферми пишет свою знаменитую статью по теории бета-распада.

В 1934 г., после открытия Ирен Кюри и Фредериком Жолио искусственной радиоактивности при бомбардировке бора и алюминия альфа-частицами, Ферми решил попытаться получить подобные результаты при бомбардировке различных мишеней нейтронами. В ходе этих исследований было доказано существование новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и были открыты медленные нейтроны, которые оказались более эффективными при осуществлении ядерных реакций. За эти исследования в 1938 г. Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике. Однако к этому времени в Италии были введены антиеврейские законы. Эти законы задевали и лично Ферми, т.к. его жена Лаура была еврейкой. В связи с этим у Ферми созрело решение эмигрировать в США, куда ранее он неоднократно выезжал для чтения лекций. Ферми обратился в четыре американских университета, получил быстрые положительные ответы от всех четырех и решил принять должность профессора Колумбийского университета. 6 декабря 1938 г. вся семья Ферми покинула Рим, направляясь в Стокгольм, где 10 декабря Ферми была вручена Нобелевская премия, а 2 января 1939 г. они уже были в Нью-Йорке. Сойдя на берег, Ферми повернулся к жене и сказал: "Вот мы и основали американскую ветвь Ферми".

В то время, когда в Швеции проходили Нобелевские торжества, в Германии было сделано великое открытие. Отто Ган и Фриц Штрассман установили, что при облучении урана нейтронами образуется барий. Не зная, как объяснить свое открытие, они, тем не менее, поняли, что встретились с новым явлением и отметили, что оно находится "в противоречии со всем предшествующим опытом ядерной физики". Поэтому одновременно с отправкой сообщения в печать Ган послал полученные результаты Лизе Мейтнер. Она много лет работала в Берлине с Ганом, заведуя отделом ядерной физики. Но незадолго до открытия Гана Лиза Мейтнер как австрийская еврейка вынуждена была эмигрировать в Стокгольм. Письмо Гана она получила во время рождественских каникул, которые проводила в окрестностях Гетеборга со своим племянником, австрийским физиком Отто Фришем. Обсуждая сообщение Гана в течение нескольких дней, Мейтнер и Фриш поняли, что образование бария при облучении урана нейтронами указывает на деление ядра урана на два больших осколка. Но пока это была только гипотеза. Поэтому они наметили необходимые эксперименты, которые Фриш и провел сразу по возвращении в Копенгаген в Институте теоретической физики, где он длительное время (после эмиграции из Австрии) работал у Нильса Бора. Фриш по существу воспроизвел эксперименты Гана и Штрассмана и подтвердил правильность гипотезы о делении ядер урана, разработанной им совместно с Мейтнер. 11 февраля 1939 г. в журнале "Nature" появилась их статья "Деление урана с помощью нейтронов: новый тип ядерной реакции". Данная работа, по мнению Альберта Эйнштейна, была решающим шагом по направлению к высвобождению атомной энергии, даже более важным, чем открытие Гана.

В США о делении урана узнали от Нильса Бора. 26 января 1939 г. на заседании американского физического общества в Вашингтоне Бор доложил об огромных успехах, достигнутых европейскими учеными. Его сообщение вызвало такое волнение, что еще до окончания заседания некоторые присутствующие на нем ученые поспешили в лаборатории, чтобы экспериментально подтвердить деление ядер урана. Уже через несколько часов они убедились в правильности сообщения Бора. Когда об этом узнал Ферми, он сразу указал, что в этой реакции должны также возникать нейтроны и выделяться огромное количество энергии. Так родилась идея цепной ядерной реакции деления урана.

Работы по осуществлению цепной ядерной реакции деления урана явились основным направлением исследований Ферми на ближайшие годы. Подобными исследованиями занялись тогда многие ученые, но Ферми был самым крупным специалистом по нейтронам и обладал редкостным сочетанием талантов экспериментатора и теоретика, которые как нельзя лучше подходили для решения данной проблемы. В то же время исследованиями ряда ученых в 1939-41 гг. было показано, что в случае осуществления цепной ядерной реакции в атомном реакторе должен накапливаться элемент 94, названный вскоре плутонием, который также, как и уран-235, пригоден для создания атомного оружия и может быть легче выделен в достаточно чистом виде из реактора, чем уран-235 - из природного урана.

После решения президента Рузвельта от 6 декабря 1941 г. о развертывании работ по созданию атомного оружия ("Манхэттенский проект") и выделения необходимого финансирования группу Ферми включили в состав Металлургической лаборатории и к маю 1942 г. перевели в Чикаго, где уже 16 ноября под западными трибунами стадиона Чикагского университета под общим руководством Ферми началась сборка экспериментального атомного реактора. Реактор проектировался в виде шара радиусом около 4 метров. На его сооружение пошло около 46 тонн урана и около 385 тонн графита. Физики работали круглосуточно, и 2 декабря 1942 г. в 2 часа 20 минут, в полном соответствии с расчетами Ферми, в реакторе впервые в мире началась цепная ядерная реакция. Первое испытание продолжалось (из-за отсутствия необходимой радиационной защиты) в течение 28 минут при мощности не более полуватта, что свело к минимуму радиоактивное излучение. Вскоре этот экспериментальный реактор был разобран и в марте 1943 г. вновь собран с незначительными усовершенствованиями в Аргоннской лаборатории. Он позволил получить все данные, необходимые для строительства в Хенфорде (шт. Вашингтон) фирмой "Дюпон" больших реакторов для производства плутония. Первый такой промышленный реактор был готов к пуску в сентябре 1944 г., и фирма "Дюпон" попросила, чтобы Ферми на всякий случай присутствовал при запуске, хотя в это время он уже работал в качестве заместителя Роберта Оппенгеймера в Лос-Аламосе и руководил отделом, который при создании атомной бомбы решал сложные непредвиденные вопросы, не входившие в компетенцию других отделов.

В Лос-Аламосе Ферми принял непосредственное участие в подготовке и проведении первого испытания атомной бомбы, изготовленной из плутония, полученного в Хенфорде.

В декабре 1945 г. Ферми с семьей вернулся в Чикаго в качестве профессора Института ядерных исследований Чикагского университета. Одновременно Ферми в период с 1947 по 1950 год являлся членом Генерального консультативного комитета Комиссии по атомной энергии США. В последние годы жизни он неоднократно посещал Европу, где читал курс лекций по ядерной физике. В 1954 г. он тяжело заболел и по приезде из Европы лег в больницу. 29 ноября 1954 г. Ферми умер от рака желудка в возрасте 53 лет и был похоронен в Чикаго. В его честь назван один из трансурановых элементов. В 1966 г. коллеги и единомышленники Отто Ган и Лиза Мейтнер были удостоены премии его имени.

Несмотря на сравнительно короткую жизнь, Ферми достиг высочайших вершин как в теории физики, так и в экспериментальных исследованиях. В качестве его основного научного наследия обычно отмечают: статистику Ферми; совокупность работ по структуре атомов и молекул; экспериментальные и теоретические исследования свойств нейтронов, в том числе - открытие медленных нейтронов; теорию бета-распада; создание первого в мире атомного реактора; экспериментальные и теоретические исследования по нейтронной оптике и другие. Как справедливо отмечает академик Бруно Понтекорво, универсальность гения Ферми "позволила ему сделать выдающиеся работы едва ли не во всех областях физики, как теоретической, так и экспериментальной". По мнению Понтекорво, если бы работы Ферми были выполнены разными исследователями, то по их результатам могло быть присуждено восемь Нобелевских премий. Большинство научных трудов Ферми переведены на русский язык.

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 21(306) 16 октября 2002 г.

[an error occurred while processing this directive]