Ферми Энрико — Биография

Энри́ко Фе́рми (итал. Enrico Fermi; 29 сентября 1901, Рим — 28 ноября 1954, Чикаго) — итальянский физик, наиболее известный благодаря созданию первого в мире ядерного реактора, также внёсший большой вклад в развитие ядерной физики, физики элементарных частиц, квантовой и статистической механики. Считается одним из «отцов атомной бомбы». Получил несколько патентов, связанных с использованием атомной энергии. Лауреат Нобелевской премии по физике 1938 года «за доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». Широко известен как один из очень немногих физиков, преуспевших как в теоретической физике, так и в экспериментальной.

Член Национальной академии деи Линчеи (1935), иностранный член-корреспондент АН СССР (1929). Он создал теории бета-распада, замедления нейтронов. В 1939 году ввёл понятие цепной реакции и позже принял участие в атомном проекте

В его честь названы распределение Ферми — Дирака, модель Томаса — Ферми, химический элемент фермий и др.

Молодые годы

Ферми родился в 1901 году в Риме в итальянской семье с еврейскими корнями. Отец — железнодорожный служащий Альберто Ферми, мать — учительница Ида де Гаттис. Его способности к математике проявились ещё в детстве. Adolfo Amidei, коллега Альберто Ферми, под чьим руководством молодой Ферми стал заниматься физикой, замечал в нём способности к теоретической физике. Вместе с тем, со своим другом Энрико Персико (Enrico Persico) Ферми проводил разнообразные физические опыты, в частности, пытался определить точную плотность питьевой воды.

В ноябре 1918 года Ферми поступил в Высшую нормальную школу в Пизе. Через четыре года, в 1922 году он успешно закончил Высшую нормальную школу и получил степень в Пизанском университете за свои эксперименты с рентгеновскими лучами. Пользуясь своими связями, Ферми добился того, что его направили на стажировку к Максу Борну в Гёттингенский университет. По возвращении в Италию Ферми оказался на распутье и даже подумывал об уходе из науки. Однако в 1924 году по просьбе Пауля Эренфеста его отыскал в Риме Георг Уленбек и пригласил в Лейденский университет. Это стало поворотным моментом в карьере Ферми и заставило его поверить в свои силы. В 1925 году он преподавал в Флорентийском и Римском университетах. В декабре 1925 года он независимо от Поля Дирака разработал статистику частиц с полуцелым спином, подчиняющихся принципу Паули, которые позднее назвали фермионами.

Ферми был масоном, его посвятили в ложе «Лемми», в 1923 году, находящейся в ведении масонской штаб-квартиры на площади Джезу в Риме.

В Римском университете

В 1926 году Ферми был назначен на должность профессора Римского университета, что стало началом плодотворного периода его жизни. В 1928 году он развил предложенный Л. Томасом метод определения основных состояний многоэлектронных атомов (теория Томаса — Ферми). В 1929-30 годах Ферми внес принципиальный вклад в становление квантовой электродинамики, разработав канонические правила квантования электромагнитного поля, отличные от подхода Гейзенберга — Паули.

После 1932 года Ферми целиком погрузился в проблемы ядерной физики. В 1934 году он создал теорию бета-распада. Суть её состояла в том, что при бета-распаде, кроме электрона, испускается ещё нейтрино. Эта теория Ферми явилась прототипом современной теории слабых взаимодействий элементарных частиц.

В 1934 году Ферми выполнил первые крупные экспериментальные работы в области ядерной физики, связанные с облучением элементов нейтронами. Сразу же после открытия Ф. Жолио-Кюри искусственной радиоактивности Ферми пришёл к выводу, что нейтроны, поскольку они не имеют заряда и не будут отталкиваться ядрами, должны быть наиболее эффективным орудием для получения радиоактивных элементов, в том числе трансурановых. Это оригинальное решение оказалось очень плодотворным — было получено более 60 новых радиоактивных изотопов и открыто замедление нейтронов (эффект Ферми), в 1936 году было открыто селективное поглощение нейтронов.

Ферми, как и многие итальянские учёные того времени, состоял в фашистской партии. Вместе с тем, в 1928 году он женился на Лауре Капон (Laura Capon), которая происходила из известной еврейской семьи и к 1938 году у них было двое детей Нелла (Nella) и Джулио (Giulio).

Нобелевская премия и эмиграция

Работа группы Ферми получила очень высокую оценку в научном мире, она явилась началом нейтронной физики. Эффект Ферми оказался востребован в атомной технике. За серию работ по получению радиоактивных элементов путём нейтронной бомбардировки и за открытие ядерных реакций под действием медленных нейтронов в 1938 году Энрико Ферми была присуждена Нобелевская премия по физике. Выехав в 1939 году для её получения в Стокгольм вместе с семьёй, Ферми не вернулся в Италию, где в это время были приняты законы, существенно ужесточившие положение евреев. Ферми отправился в США, где пять университетов предложили ему место профессора физики. Ферми выбрал Колумбийский университет в Нью-Йорке, где и работал с 1939 по 1942 год.

В 1939 году он разработал теорию потерь энергии заряженными частицами на ионизацию вещества с учётом его поляризации.

Работа над атомными проектами

В январе 1939 года Ферми высказал мысль, что при делении урана следует ожидать испускания быстрых нейтронов и что, если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, путь к цепной реакции будет открыт (до него это теоретически предсказал, но не смог получить Лео Силард). Поставленный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов, хотя их число на один акт деления осталось не очень определённым.

В это время Ферми начал работать над теорией цепной реакции в уран-графитовой системе. К весне 1941 года эта теория была разработана, и летом началась серия экспериментов, главной задачей которых являлось измерение нейтронного потока. Было сделано (совместно с Г. Андерсоном) около тридцати опытов, и в июне 1942 года был получен коэффициент размножения нейтронов больше единицы. Это означало возможность получения цепной реакции в достаточно большой решетке из урана и графита и послужило началом разработки конструкции реактора. Ферми сделал поправку к полученному значению коэффициента размножения и учел это в размерах планируемого котла, разработал метод определения критических размеров системы. Кроме того, боясь, что атмосферный азот будет хорошо поглощать нейтроны, Ферми настоял на том, чтобы все огромное устройство было помещено в гигантскую палатку из материи для оболочек аэростатов. Так появилась возможность поддерживать соответствующий состав атмосферы, окружающей реактор. Постройка реактора началась в Металлургической лаборатории Чикагского университета в октябре, а закончилась 2 декабря 1942 года. В самодельной лаборатории под стадионом Stagg Field Stadium на этом реакторе был проведен поистине эпохальный эксперимент, продемонстрировавший первую самоподдерживающуюся цепную реакцию. Работы металлургической лаборатории были инициированы правительством США, которое собиралось использовать результаты в военных целях. Поиском материалов для металлургической лаборатории занимался Артур Комптон, он же пригласил Ферми в проект, отправившись для этого в Колумбийский университет. Последующие два года Ферми продолжал эксперименты с реактором, а также занимался разработкой нового реактора для Аргоннской национальной лаборатории, расположенной в окрестностях Чикаго.

В 1944 году Ферми со своей женой Лаурой принял американское гражданство. Некоторое время он работал над разработкой плутония с компанией DuPont, а в августе 1944 года стал работать в Лос-Аламосской Национальной лаборатории в Нью-Мексико (Los Alamos National Laboratory in New Mexico). Ферми был одним из руководителей Манхеттенского проекта. Ферми наблюдал над многими экспериментами проекта, в частности первым испытанием бомбы в Аламогордо. Он был одним из научных консультантов президента Трумана по вопросам использования бомбы в военных целях.

В 1946 году он возвратился в Чикаго и занял должность профессора в Институте ядерных исследований, который сейчас носит его имя. Он продолжил свои исследования в области ядерной физики и физики элементарных частиц. Помимо этого, с 1950 года он стал одним из первых членов Комитета советников при Комиссии по атомной энергии (General Advisory Committee of the Atomic Energy Commission).

Последние годы

В науке Ферми всегда оставался молодым, энергичным и одержимым. В возрасте около 50 лет, имея богатейший запас знаний в области ядерной энергетики и прекрасную базу для исследований, Ферми изменил направление своей научной деятельности и начинал заниматься физикой частиц высоких энергий и астрофизикой. И здесь он достиг замечательных результатов: создал теорию происхождения космических лучей и раскрыл механизм ускорения частиц в них (1949), разработал статистическую теорию множественного рождения мезонов (1950), открыл изотопический квадруплет, ставший первым адронным резонансом (1952), изучал взаимодействие протонов с пи-мезонами.

Одной из особенностей физических идей Ферми является их долголетие. Ряд последних работ великого ученого был оценён лишь после его смерти. Одной из них является совместная работа Ферми и Ч. Янга по составным моделям элементарных частиц, в которой в качестве основных частиц рассматривались нуклоны и антинуклоны (модель Ферми — Янга). Когда она появилась, то многие, даже маститые физики-теоретики были удивлены её «бессодержательностью». Но прошло время, и на основе работы Ферми — Янга появились новые модельные схемы, сыгравшие большую роль в развитии физики элементарных частиц. Одной из последних таких моделей является модель кварков.

На склоне лет Ферми, по словам Сегре, собирался написать книгу, посвящённую тем трудным вопросам физики, о которых часто говорят «как хорошо известно», «как нетрудно показать» и т. п. Он начал даже собирать вопросы, лишь кажущиеся элементарными. Но, к сожалению, у него не осталось на это времени. Когда в 1946 году Ферми оценивал, что им уже сделано, он сказал Сегре: «Одна треть». Две трети он собирался ещё сделать, до предела уплотняя свой рабочий день. Ферми с олимпийским спокойствием работал до самого конца своей жизни. «Одна треть», которую успел сделать Ферми из намеченного им плана и которая, по словам Понтекорво, достойна 6—8 Нобелевских премий, навсегда сохранит в науке имя этого исключительного одарённого учёного.

Лето 1954 года Ферми провёл в Европе, находясь на последней стадии рака желудка. Он побывал с лекциями во Франции, Германии и Италии, встретился со старыми друзьями. По возвращении в Чикаго, два месяца Ферми посещал различные медицинские процедуры. Ферми умер во сне 28 ноября 1954 года, в возрасте всего лишь 53 лет от рака желудка.