Курс истории физики

Степанович Кудрявцев Павел

Ферми представлял собой необыкновенное в физике XX в. сочетание глубокого теоретика с первоклассным экспериментатором.

«Великий итальянский физик Энрико 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, которым был ферми. Можно даже сказать, что появление на ученой арене XX в. человека, который внес такой громадный вклад в развитие теоретической физики, и экспериментальной физики, и астрономии, и технической физики, — явление скорее уникальное, чем редкое».

Энрико ферми родился 29 сентября 1901 г.

в Риме, в семье служащего. У него очень рано появились способности к точным наукам. Он учился в Нормальной школе города Пиза с 1918 по 1922 г., затем по протекции доцента физического института Римского университета сенатора Корбино получил временную должность преподавателя математики для химиков в Римском университете. В 1923 г. он получает командировку в Германию, в Геттинген, к Максу Борну. ферми чувствует себя не очень уверенно, и лишь большая моральная поддержка Эрен-феста, у которого он был в Лейдене с сентября по декабрь 1924 г., помогла ему поверить в свое призвание физика.

По возвращении в Италию ферми с января 1925 до осени 1926 г. работает в флорентийском университете. Здесь он получает свою первую ученую степень «свободного доцента» и — что самое главное — создает свою знаменитую работу по квантовой статистике. В декабре 1926 г. он занял должность профессора вновь утвержденной кафедры теоретической физики в Римском университете. Здесь он организовал коллектив молодых физиков: Разетти, Амальди, Сегре, Понтекорво и других, составивших итальянскую школу современной физики.

В Риме ферми работал до 1938 г. фашистский режим угрожал благополучию его семьи из-за еврейского происхождения его жены Лауры. Уехав в Стокгольм за получением Нобелевской премии вместе с семьей, ферми не вернулся в Италию, а поехал в Нью-Йорк, где стал профессором физики Колумбийского университета.

Американский период жизни ферми связан с работой над получением атомной энергии. Под его руководством 2 декабря 1942 г. в Чикаго был запущен первый в мире ядерный реактор, ферми принимал активное участие в испытании атомной бомбы. 16 июня 1945 г. он был одним из тех ученых, которые рекомендовали сбросить атомные бомбы на Японию, назвав варварскую бомбардировку Хиросимы «красивой физикой». После войны он стал профессором физики Чикагского университета и сотрудником только что организованного Института ядерных проблем.

Умер ферми 29 ноября 1954 г.

Возвращаясь к 1934 г., следует отметить гипотезу о природе ядерных сил, высказанную независимо друг от друга Д. Д. Иваненко и И. Е. Таммом. В статье, опубликованной в «Nature» в 1934 г., Тамм рассмотрел ядерные взаимодействия как процесс обмена легкими частицами между нуклонами. Теория Тамма не давала количественного совпадения, однако общая идея ядерных взаимодействий, высказанная Иваненко и Таммом, сохранилась в ядерной физике. В 1935 г. Хидеки Юкава на основе этой идеи предсказал существование частиц промежуточной массы (мезонов), ответственных за ядерные взаимодействия. Частицы промежуточной массы порядка 200 электронных масс были, действительно, открыты в космических лучах Андерсоном и Нед-дермайеером в 1937 г. Однако вскоре выяснилось, что эти частицы, названные позже ju-мезонами, не имеют отношения к нуклонам. Только через 10 лет С. Пауэлл также в космических лучах нашел более тяжелые л-мезоны, порождающие и поглощающие нуклоны в процессе ядерных взаимодействий.

Открытие ядерной изомерии

В 1935 г. советские физики И. В. Курчатов, Б. В. Курчатов. Л. И. Русинов, Л. В. Мысовский открыли явление ядерной изомерии для радиоактивного брома

Вr80. В этом же году И. В. Курчатов работал с реакциями на медленных нейтронах. При этом была выяснена сложная зависимость поглощения нейтронов от скорости, и в частности факт резонансного поглощения нейтронов, факт резонансного поглощения нейтронов был установлен ферми. Курчатов обобщил результаты исследований по расщеплению ядра в вышедшей в 1935 г. книге «Расщепление атомного ядра».

Э. ферми, продолжая исследования радиоактивности, возбужденной нейтронной бомбардировкой, подтвердил существование ядерной изомерии, открытой Курчатовым. «Мы, — писали ферми, Амальди, Д'Агостино, Понтекорво, Сегре, — также констатировали существование третьего радиоактивного изотопа Вr с периодом около 36 ч, обнаруженного Курчатовым и др., подтвердили их опыты по р-лучам».

В работе 1936 г. «О поглощении и диффузии медленных нейтронов», написанной совместно с Э. Амальди, Э.Ферми также подтвердил открытое И. В. Курчатовым, Л. А. Арцимовичем, Л. В. Мысовским резонансное поглощение нейтронов. Закон зависимости поглощения нейтронов, согласно которому сечение захвата обратно пропорционально скорости нейтронов, нарушается в ряде случаев. Для определенных скоростей некоторые элементы особенно сильно поглощают нейтроны. Но наиболее волнующим оставался вопрос о трансурановых элементах. В работе по искусственной радиоактивности ферми писал: «Путем различных химических экспериментов Ган и Мейтнер (здесь ферми ссылается на статью О. Гана и Л. Мейтнер, опубликованную в том же, 1935 т. — П.К.) также пришли к выводу, что 13-минутная и 100-минутная активности обусловлены, по всей вероятности, трансурановыми элементами. Мы повторили некоторые из их опытов и получили те же самые результаты».

ферми придерживается высказанной концепции в нобелевской лекции 1938 г. Говоря об активных носителях, полученных из урана при бомбардировке их нейтронами, он заключает: «Мы пришли к выводу, что носителем был один или более элементов, с атомным номером большим 92. Элементы 93, 94 у себя в Риме мы назвали авсонием и гесперием соответственно. Известно, что О. Ган и Л. Мейтнер провели очень тщательное и обширное изучение продуктов распада облученного урана и сумели отыскать среди них элементы вплоть до атомного номера 96».

Речь была напечатана в Стокгольме в 1939 г., и при этом ферми пришлось сделать примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы трансурановых элементов» в связи с открытием Гана и Штрассмана.

Деление урана

Остановимся на истории этого открытия. Оно явилось завершением целого ряда поисков и ошибок.

Вскоре после сообщения ферми о трансурановых элементах немецкий химик Ида Ноддак опубликовала в химическом журнале статью, в которой указывала, что под воздействием нейтронов ядра распадаются на изотопы, отнюдь не являющиеся соседями бомбардирующих элементов, ферми, Ган и другие физики сочли предположение Ноддак абсурдным.

В 1936 г. вопросом о захвате нейтронов заинтересовался Бор. В опубликованной в «Nature» статье «Захват нейтрона и строение ядра» он указал, что «типичные черты ядерных реакций проявляются при столкновении с нейтронами», и отметил, что «наиболее интересные данные получены ферми и его сотрудниками по искусственной радиоактивности при бомбардировке как быстрыми нейтронами, так и тепловыми нейтронами». Анализируя эти данные, Бор пришел к выводу, что процесс ядерной реакции, обусловленный захватом нейтрона, следует разделить на две не зависящие друг от друга стадии.