Ферми, Энрико

Энри́ко Фе́рми (Italian: Enrico Fermi; 29 сентября 1901, Рим, Италия — 28 ноября 1954, Чикаго, США) — итальянский физик, наиболее известный благодаря созданию первого в мире ядерного реактора, внёсший большой вклад в развитие ядерной физики, физики элементарных частиц, квантовой и статистической механики. Считается одним из «отцов атомной бомбы»[1]. За свою жизнь он 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»[2]. Ферми был одним из 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.
Биография
Молодые годы
Ферми родился в 1901 году в Риме в итальянской семье. Отец — железнодорожный служащий Альберто Ферми, потомок крестьян из Пьяченцы, мать — учительница Ида де Гаттис, из семьи военных из Бари. Кроме Энрико, в семье были старшая сестра и старший брат Джулио, с которым Энрико был очень дружен. Мальчики вместе мастерили электромоторы и проводили разные физические опыты. В 1915 году Джулио умер в ходе операции по удалению абсцесса в гортани, после чего характер Энрико стал более замкнутым. Всё своё свободное время мальчик посвящал чтению книг по физике и математике. Первой книгой по физике, прочитанной Энрико, был найденный им на базаре на площади Кампо деи Фиори 900-страничный латинский учебник Андреа Караффо «Elementorum physicae mathematicae (1840)». В нём рассматривались основы как математики, так и астрономии, классической механики, оптики и акустики. Адольфо Амидеи, коллега Альберто Ферми, заметил глубокий интерес молодого Ферми к науке стал помогать ему в выборе литературы для обучения. Вместе со своим другом Энрико Персико Ферми проводил разнообразные физические опыты, в частности, пытался определить точную плотность питьевой воды[3][4].
В ноябре 1918 года Ферми поступил в Высшую нормальную школу в Пизе[3][5]. Через четыре года, в 1922 году, он успешно её закончил и получил степень в Пизанском университете за свои эксперименты с рентгеновскими лучами. Кроме экспериментальной работы, Ферми публикует большое количество работ по общей теории относительности. Ввиду отсутствия штатных мест для физика в учебных заведениях Италии, Ферми отправляется на стажировку к Максу Борну в Гёттингенский университет. По возвращении в Италию Ферми принимает участие в конкурсах на должность профессора физики в Пизанском и Флорентийском университетах, в последнем из которых выигрывает. До начала работы во Флоренции Ферми принимает приглашение Пауля Эренфеста, переданное ему Георгом Уленбеком, стажироваться в Лейденском университете[6]. Способности Ферми были высоко оценены Эренфестом. Это стало поворотным моментом в карьере Ферми и заставило его поверить в свои силы. В 1925 году он стал преподавать в Флорентийском и Римском университетах. А в декабре 1925 года он независимо от Поля Дирака разработал статистику частиц с полуцелым спином, подчиняющихся принципу Паули, которые позднее назвали фермионами[3][7].
В Римском университете
В 1926 году Ферми был назначен на должность профессора Римского университета[3]. В его жизни начался очень плодотворный период. В 1928 году он развил предложенный Л. Томасом метод определения основных состояний многоэлектронных атомов (теория Томаса — Ферми). Также в 1929—1930 гг. Ферми внёс принципиальный вклад в становление квантовой электродинамики, разработав канонические правила квантования электромагнитного поля, которые отличались от подхода Гейзенберга — Паули. В 1928 году 27-летнего Ферми избирают членом Королевской Академии наук Италии, а ещё через год — член-корреспондентом АН СССР.
В 1931 году Ферми объяснил явление резонанса, возникающего  в колебательном спектре, если двум колебательным состояниям в гармоническом приближении соответствуют одинаковые или почти одинаковые энергии. После 1932 года Ферми концентрируется на проблемах ядерной физики[3]. В 1934 году он создал первую количественную теорию бета-распада, известную также как четырёхфермионная теория слабого взаимодействия. Суть её заключается в том, что при бета-распаде в одной точке взаимодействуют четыре фермиона (протон, нейтрон, электрон и нейтрино)[7]. Четырёхфермионная теория стала прототипом современной теории слабых взаимодействий элементарных частиц, хотя само предположение о непосредственном взаимодействии четырёх частиц оказалось ошибочным. Ввиду значимости вклада Ферми в теоретические исследования слабого взаимодействия и бета-распада, ряд понятий в этой области физики носит его имя; так, константа, определяющая интенсивность слабого взаимодействия в современной Стандартной модели физики элементарных частиц, называется константой Ферми (GF); существует функция Ферми (не путать с функцией Ферми — Дирака), описывающая влияние заряда ядра на движение возникающего при бета-распаде электрона; известны правила отбора Ферми (соотношения между спином и чётностью начального и конечного состояния ядер), выполняющиеся для бета-распадов, известных как разрешённые фермиевские переходы. Кроме того, применяющаяся в ядерной физике единица длины носит название ферми (10−13 см).
В 1934 году Ферми выполнил первые крупные экспериментальные работы в области ядерной физики, связанные с облучением элементов нейтронами[7]. 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, которая происходила из известной еврейской семьи, и к 1938 году у них было двое детей: Нелла и Джулио[3].
Нобелевская премия и эмиграция
Работа группы Ферми получила очень высокую оценку в научном мире, она также явилась началом нейтронной физики. Эффект Ферми (явление замедления нейтронов веществами, состоящими из лёгких атомов) оказался востребован в атомной технике. За серию работ по получению радиоактивных элементов путём бомбардировки нейтронами и за открытие ядерных реакций под действием медленных нейтронов в 1938 году Энрико Ферми была присуждена Нобелевская премия по физике[3]. Выехав в 1939 году для её получения в Стокгольм вместе с семьёй, Ферми не вернулся в Италию, так как в то время итальянскими властями были приняты законы, существенно ужесточившие положение евреев[3]. Он переезжает 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 ядра урана следует ожидать испускания быстрых нейтронов и что, если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, то тогда путь к цепной реакции будет открыт (до него это теоретически предсказал, но не смог получить Лео Силард). Проведённый эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов, хотя их число на один акт деления осталось не очень достаточно определённым.
В то же время Ферми начал работать над теорией цепной реакции в уран-графитовой системе. К весне 1941 года эта теория разрабатывалась, а уже летом началась серия экспериментов, главной задачей которых являлось измерение нейтронного потока. Совместно с Г. Андерсоном было поставлено 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 реактора было помещено в гигантскую палатку из материи для оболочек аэростатов. Таким образом 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 эксперимент, продемонстрировавший первую самоподдерживающуюся цепную реакцию. Работы металлургической лаборатории были инициированы правительством США, которое собиралось использовать результаты в военных целях[3]. Поиском материалов для металлургической лаборатории занимался Артур Комптон, он же пригласил Ферми в проект, отправившись для этого в Колумбийский университет[8]. Последующие два года Ферми продолжал эксперименты с реактором, а также занимался разработкой нового реактора для Аргоннской национальной лаборатории, расположенной в окрестностях Чикаго[3].

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. Ферми был одним из руководителей Манхеттенского проекта. Ферми наблюдал за 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[3].
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[3]. Помимо этого, с 1950 года он стал одним из первых членов Комитета советников при Комиссии по атомной энергии.
Последние годы
Ферми был очень одержим и увлечён наукой. В возрасте около 50 лет, имея огромнейший запас знаний в области ядерной энергетики, он изменил направление своей научной деятельности и начал заниматься физикой частиц высоких энергий и астрофизикой. И здесь он совершил множество открытий: 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[7].
Главной из особенностей физических идей Ферми является их долголетие. Ряд последних работ этого ученого был оценён лишь после его смерти. Одной из них является его совместная работа с Ч. Янгом по составным моделям элементарных частиц, в которой в качестве основных частиц рассматривались нуклоны и антинуклоны (она также известна как модель Ферми — Янга). Когда она появилась, то многие, даже многие физики-теоретики были удивлены её «бессодержательностью». Но вскоре 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 Э. Сегре, собирался написать книгу, посвящённую тем трудным вопросам физики, кажущимися элементарными, он начал даже их собирать. Но у него не осталось на это времени. В 1946 году Ферми сказал, что сделал лишь одну треть всей своей работы. Две трети он так усердно пытался сделать, что уплотнял свой рабочий день до предела. По словам Понтекорво, «одна треть», которую успел сделать Ферми из намеченного им плана, достойна 6 — 8 Нобелевских премий, которые навсегда сохранят в науке имя этого исключительно 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 Ферми два месяца посещал различные медицинские процедуры. Он умер во сне 28 ноября 1954 года в возрасте 53 лет.[3]
Память

Незадолго до смерти Ферми Комиссия по атомной энергии учредила специальную премию для учёного[3]. В 1956 году эта премия стала носить имя Премия Энрико Ферми и вручаться регулярно. Премией награждаются учёные, внесшие выдающийся вклад в области исследования, использования и производства энергии[9]. В его честь назван 100-й химический элемент — фермий. Его имя носят Чикагский институт ядерных исследований, Национальная ускорительная лаборатория (Фермилаб) и космический телескоп[10], а также улицы во многих итальянских городах.
На сайте Аргоннской национальной лаборатории он назван «последним универсальным учёным» (English: last universal scientist)[8].
В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Энрико Ферми кратеру на обратной стороне Луны.
Ученики
Ферми является создателем крупной научной школы. Среди его учеников времен работы в Римском университете (конец 1920-х — 1930-е годы) — Э. Амальди, Ф. Разетти, Э. Сегре, Б. Понтекорво, Дж. Бернардини, Дж. Вик, Э. Майорана, Б. Росси, Дж. Рака, Дж. Оккиалини и др. В 1940-е — 1950-е годы в Чикаго учениками Ферми являлись Г. Андерсон, М. Гелл-Манн, М. Гольдбергер, Ц. Ли, Ч. Ян, Дж. Чу, О. Чемберлен, М. Розенблют, Дж. Штейнбергер и др.
Публикации
Книги

Статьи

Cite journal requires |journal= (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: date and year (link)
Cite journal requires |journal= (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: date and year (link)

Cite journal requires |journal= (help)CS1 maint: date and year (link)
Литература
Fermi Laura Atoms in the Family. — Chicago.: University of Chicago Press, 1954. — P. 123.
Ферми Л. Атомы у нас дома. — 2-е изд. — : Иностранная литература, 1959.
Cite journal requires |journal= (help)CS1 maint: date and year (link)
Лятиль П. Энрико Ферми. — : Атомиздат, 1965.
Понтекорво Б. Энрико Ферми. — М.: Знание, 1971.
Понтекорво Б., Покровский В. Н. Энрико Ферми в воспоминаниях учеников и друзей. — : Наука, 1972.
Сегре Э. Энрико Ферми — физик. — : Мир, 1973.
Cite journal requires |journal= (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: date and year (link)

См. также
Фермий
Ферми (единица длины)
Статистика Ферми — Дирака
Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми
Теория Томаса — Ферми
Модель Ферми — Янга
Уровень Ферми
Поверхность Ферми
Парадокс Ферми
Ферми (станция метро)
Золотое правило Ферми
Ферми-газ
Ферми-жидкость
Примечания

Ссылки

Cite web requires |website= (help)
Cite web requires |website= (help)

Категория:Лауреаты Нобелевской премии по физике
Категория:Члены-корреспонденты АН СССР
Категория:Иностранные члены Лондонского королевского общества
Категория:Члены Национальной академии наук США
Категория:Учёные, в честь которых названы физические единицы измерения
Категория:Награждённые медалью Маттеуччи
Категория:Награждённые медалью имени Макса Планка
Категория:Умершие от рака желудка
Категория:Масоны Италии
Категория:Награждённые медалью Хьюза
Категория:Выпускники Пизанского университета
Категория:Персонал Лос-Аламосской национальной лаборатории
Категория:Физики-теоретики Италии
Категория:Награждённые медалью Барнарда
Категория:Лауреаты премии Румфорда