Энрико Ферми

Краткая биография

Жизнь и работа

Энрико Ферми был редким примером физика, одинаково успешно работавшего с математической теорией и лабораторным экспериментом. Его именем названы фермионы, статистика Ферми — Дирака, химический элемент фермий и целая система понятий современной физики. Но особенно важной для истории ядерной физики стала его работа с нейтронами: сначала Ферми и его коллеги обнаружили, что замедление нейтронов может резко изменить вероятность ядерных реакций, а спустя несколько лет он руководил экспериментом, впервые позволившим получить управляемую самоподдерживающуюся цепную реакцию.

Ферми родился 29 сентября 1901 года в Риме. С юности он самостоятельно изучал математику и физику, а в 1918 году поступил в Высшую нормальную школу в Пизе. Уже в двадцатые годы Ферми занимался квантовой механикой и статистической физикой. В 1926 году он разработал статистическое описание частиц, подчиняющихся принципу запрета Паули. Независимо сходный подход предложил Поль Дирак, и сегодня эта теория известна как статистика Ферми — Дирака, а сами частицы — например электроны, протоны и нейтроны — называются фермионами.

В начале 1930-х годов внимание Ферми переключилось на атомное ядро. После открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком стало ясно, что эта частица может быть особенно удобным инструментом для ядерных экспериментов. Протон имеет положительный электрический заряд и отталкивается от положительно заряженного ядра, тогда как нейтрон электрически нейтрален и может приблизиться к ядру значительно легче. В 1934 году группа Ферми в Риме начала систематически облучать различные элементы нейтронами и обнаружила искусственную радиоактивность у многих из них.

Вскоре исследователи столкнулись со странным эффектом. Интенсивность некоторых реакций зависела от того, какие вещества находились рядом с источником нейтронов. Особенно сильное увеличение активности наблюдалось, когда между источником и образцом помещали парафин — материал, богатый водородом. Ферми, Эдоардо Амальди, Бруно Понтекорво, Франко Разетти и Эмилио Сегре объяснили эффект тем, что нейтроны при столкновениях с лёгкими ядрами водорода теряют энергию. Такие замедленные нейтроны для многих типов ядер оказываются гораздо эффективнее быстрых при реакциях захвата.

На первый взгляд это кажется парадоксальным: обычно большая скорость ассоциируется с большей способностью частицы вызвать реакцию. Но вероятность взаимодействия определяется не только энергией, а эффективным сечением конкретной ядерной реакции. Для ряда ядер вероятность захвата нейтрона возрастает при снижении его скорости. Эта закономерность стала одним из фундаментальных принципов нейтронной физики и позднее оказалась чрезвычайно важной при создании ядерных реакторов, где материалы-замедлители используются для управления энергией нейтронов.

В 1938 году Ферми получил Нобелевскую премию по физике за исследования радиоактивности, вызванной нейтронным облучением, и открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами. Поездка в Стокгольм позволила ему покинуть фашистскую Италию. Принятые режимом Муссолини антисемитские расовые законы непосредственно угрожали его семье: жена Ферми Лаура Капон была еврейкой. После вручения премии Ферми вместе с семьёй отправился не обратно в Италию, а в Соединённые Штаты, где начал работать в Колумбийском университете.

Вскоре после этого было открыто деление ядра урана. Эксперименты Отто Гана и Фрица Штрассмана показали появление значительно более лёгких элементов после облучения урана нейтронами, а Лиза Мейтнер и Отто Фриш дали этому явлению физическое объяснение. Ферми не был первооткрывателем ядерного деления, но сразу понял значение выделяющихся при делении дополнительных нейтронов. Если один акт деления создаёт нейтроны, способные вызвать новые деления, теоретически становится возможной цепная реакция.

Ферми и большая команда физиков и инженеров начали выяснять, можно ли создать систему, в которой в среднем достаточное число нейтронов продолжало бы вызывать новые деления, но процесс оставался управляемым. Результатом стал Chicago Pile-1 — конструкция из графита и урана, построенная под трибунами Stagg Field Чикагского университета. 2 декабря 1942 года при постепенном извлечении управляющих стержней реактор впервые достиг контролируемой самоподдерживающейся цепной реакции. Стержни из материалов, хорошо поглощающих нейтроны, позволяли уменьшать их количество и тем самым управлять процессом.

Ферми впоследствии участвовал в Манхэттенском проекте, а после войны стал профессором Чикагского университета и продолжил исследования ядерной физики и физики элементарных частиц. Он умер в Чикаго 28 ноября 1954 года. Его научное наследие значительно шире ядерных реакторов, но работы с нейтронами особенно наглядно показывают связь фундаментальной физики с технологией: наблюдение за тем, как парафин замедляет нейтроны, оказалось частью научной основы, на которой всего через несколько лет был построен первый управляемый ядерный реактор.