Нобелови лауреати – 1938 година

Енрико Ферми (Enrico Fermi)

29 септември 1901 г. – 30 ноември 1954 г.

Нобелова награда за физика, 1938 г.

(За доказването, че съществуват нови радиоактивни елементи, получени при облъчването с неутрони, и свързаното с това откритие на ядрени реакции, предизвикани от бавни неутрони.)

Италиано-американският физик Енрико Ферми е роден в Рим. Той е най-малкият от трите деца на железопътния служител Алберто Ферми и учителката Ида де Гатис. Още в детството си проявява големи способности в областта на математиката и физиката. Изключителните му познания в тези науки, придобити основно чрез самообразование, му позволяват да получи през 1918 г. стипендия и да постъпи във Висшето нормално училище (Скуола нормале) към университета в Пиза. След четири години, през 1922 г., Ферми получава докторска степен по физика с отличие за работата си по експериментално изследване на рентгеновите лъчи.

След завръщането си в Рим Ферми получава от италианското правителство стипендия, която му позволява да продължи изучаването на съвременна физика в Германия, при Макс Борн, който по това време ръководи отдела по теоретична физика към Гьотингенския университет, и в Холандия, при Паул Еренфест в Лайденския университет. Еренфест подкрепя младия Ферми.

През 1924 г. Ферми започва да чете лекции по математическа физика и механика във Флорентинския университет. През първите години изследванията му засягат проблемите на общата теория за относителността на Алберт Айнщайн, статистическата механика, квантовата теория и теорията за електроните в твърдото тяло. През 1926 г. той разработва нова разновидност на статистическата механика, подсказана от принципа за забраната на Волфганг Паули. Тя дава възможност да се описва успешно поведението на електроните, а по-късно е приложения и за протоните и неутроните. Статистиката на Ферми позволява да се разбере по-добре електропроводимостта на металите и довежда до изграждането на по-ефективен модел на атома.

Когато в Римския университет през 1927 г. е учредена първата катедра по теоретична физика, Ферми, който вече е успял да получи международен авторитет, е избран за неин ръководител. В Рим Ферми сплотява около себе си няколко известни учени и основава първата в Италия школа по съвременна физика. В международните научни кръгове започват да я наричат "групата на Ферми". След две години Ферми е назначен от Бенито Мусолини на почетната длъжност член на новосъздадената Кралска академия на Италия.

В началото на 30-те години Ферми прехвърля вниманието си от външните електрони на атома върху атомното ядро. През 1933 г. той предлага теорията за бета разпадането, която позволява да се обясни по какъв начин ядрото изпуска спонтанно електрони и ролята на неутрино частиците, които нямат електрически заряд и не могат да бъдат открити по това време експериментално. Съществуването на подобни частици е постулирано от Паули, а името е им е измислено от Ферми. (Неутриното е открито експериментално през 1956 г.). Теорията на Ферми за бета разпадането засяга нов тип сили, получили названието слабо взаимодействие. Такива сили действат между неутроните и протоните в ядрото и обуславят бета разпадането. По интензивност слабото взаимодействие отстъпва значително на силното, което задържа заедно нуклоните - частиците, от които се състои ядрото. Статията на Ферми за бета разпадането е отхвърлена заради своето новаторство от английското списание "Нейчър", но е публикувана в италиански и немски списания. Опирайки се на идеите, изказани от Ферми, Хидеки Юкава предсказва през 1935 г. съществуването на нова елементарна частица, известна днес като пи-мезон или пион.

През 20-те години е прието да се смята, че атомът съдържа два типа заредени частици: отрицателни електрони, които обикалят около ядро с положителни протони. Физиците се интересуват може ли ядрото да съдържа частица, която няма електрически заряд. Експериментите за откриването на електрически неутрални частици достигат кулминацията си през 1932 г., когато Джеймс Чадуик открива неутрона, в когото физиците, особено Вернер Хайзенберг, почти веднага виждат ядрен партньор на протона. Ферми оценява по достойнство значението на неутрона като мощно средство за предизвикване на ядрени реакции. Експериментаторите се опитват да бомбардират атомите със заредени частици, но за да се преодолее електрическото отблъскване на заредените частици, е необходимо да се ускоряват от мощни и скъпи ускорители. Бомбардиращите електрони се отблъскват от атомните електрони, а протоните и алфа-частиците от ядрото така, както се отблъскват едноименните електрически заряди. Понеже неутронът няма електрически заряд, необходимостта от ускорители отпада.

Значителен прогрес е постигнат през 1934 г., когато Фредерик Жолио и Ирен Жолио-Кюри откриват изкуствената радиоактивност. Бомбардирайки ядрото на бора и алуминия с алфа-частици, те създават за първи път нови радиоактивни изотопи на известни елементи. Като продължават започнатата от тях работа, Ферми и неговите сътрудници в Рим започват да бомбардират с неутрони всеки елемент от периодичната система с надеждата да получат нови радиоактивни изотопи с помощта на присъединяването на неутрони към ядрата. Първия успех успяват да постигнат при бомбардирането на флуор. Бомбардирайки методично все по-тежки елементи, Ферми и неговата група получават стотици нови радиоактивни изотопи. При бомбардирането на урана - 92-рия елемент, най-тежкия от срещащите се в природата, те получават сложна смес от изотопи. Химическият анализ не открива в нея нито изотопи на урана, нито изотопи на съседния му елемент (нещо повече - резултатите от анализа изключват присъствието на елементи с атомни номера от 86 до 91). Възниква подозрението, че експериментаторите за първи път са успели да получат нов изкуствен елемент с атомен номер 93. Въпреки желанието на Ферми, директорът на лабораторията Орсо Корбино, без да дочака контролните анализи, обявява за успешното синтезиране на 93-ти елемент. А в действителност Ферми не успява да го получи. Но без сам да знае, предизвиква деление на урана, като разцепва ядрото му на две ли повече части. Делението на урана е открито през 1938 г. от Ото Хан, Лизе Матнер и Фриц Щрасман.

През 1935 г., няколко месеца след началото на експериментите, Ферми и неговите сътрудници откриват, че ако се забавят, като се пропускат през вода и парафин, неутроните инициират по-активно ядрени реакции. Забавянето на електроните е предизвикано от сблъскването им с ядрата на водорода (протоните), намиращи се в големи количества във водата и парафина. При сблъсъка на неутроните с протоните значителна част от енергията на неутроните се губи, защото масата на тези частици е почти равна. Предаване на енергия със същата величина се наблюдава например и при сблъскването на билярдни топки к еднаква маса.

По това време в Италия набира все по-голяма сила фашистката диктатура на Мусолини. През 1935 г. италианската агресия срещу Етиопия довежда до икономически санкции от страна на страните, които членуват в Обществото на народите, а през 1936 г. Италия сключва съюз с нацистка Германия. Групата на Ферми в Римския университет започва да се разпада. След като италианското правителство приема през септември 1936 г антисемитски граждански закони, Ферми и жена му, която е еврейка по националност, решават да емигрират в САЩ. Като приема поканата на Колумбийския университет да заеме там длъжността професор по физика, Ферми информира италианските власти, че заминава за Америка за половин година.

По време на церемонията при връчването на Нобеловата награда, състояла се през декември 1938 г. в Стокхолм, Ферми стиска ръката на шведския крал, вместо да го приветства с фашисткия поздрав, заради което италианският печат се нахвърля върху него. Веднага след тържеството Ферми заминава зад океана. След пристигането си в Съединените щати, като всички емигранти по това време, той трябва да премине през проверка за умствени способности. Нобеловият лауреат е помолен да събере 15 и 27 и да раздели 29 на 2.

Скоро след като семейство Ферми пристига в Ню Йорк, в САЩ от Копенхаген идва Нилс Бор, за да работи няколко месеца в принстънския Институт за фундаментални изследвания. Бор съобщава за откритото от Хан, Майтнер и Щрасман делене на урана при бомбардирането му с неутрони. Много физици започват да обсъждат възможността за верижна реакция. Ако всеки път, когато неутронът разцепва атома на урана, се излъчват нови неутрони, те биха могли, като се сблъскват с други уранови атоми, да пораждат нови неутрони и с това да предизвикват неспирна верижна реакция. Понеже при всяко делене на урана се освобождава голямо количество енергия, верижната реакция би могла да бъде съпроводена от колосалното ѝ отделяне. Ако тя бъде усвоена, уранът би се превърнал във взривно вещество с нечувана сила. За да осъществи верижна реакция, Ферми пристъпва към планиране на експерименти, които да определят възможна ли е тя и дали може да бъде управлявана.

Когато преговаря през 1939 г. с управлението на военноморския флот, Ферми споменава за възможността да се създаде атомно оръжие, основаващо се на верижна реакция, с мощно отделяне на енергия. Той получава федерално финансиране за продължаване на своите изследвания. В процеса на работата Ферми и италианският физик Емилио Сегре, бивш негов студент, установяват възможността да се използва като "взривател" за атомната бомба неоткритият по това време елемент плутоний. Макар че плутоният (Pu), елемент с пореден номер 94, не е още известен, двамата учени са убедени в това, че елементът с масово число 239 (239Pu) трябва да се дели и може да бъде получен в уранов реактор при поглъщане на неутрон от уран-238.

През 1942 г., когато в САЩ е създаден Манхатънският проект за конструирането на атомна бомба, отговорността за изследването на верижната реакция и за получаването на плутоний е възложена на Ферми, който от юридическа гледна точка има статут на "чужденец - поданик на враждебна държава". През следващата година проучванията са пренесени от Колумбийския в Чикагския университет, в който Ферми като председател на подсекцията за теоретичните аспекти към Урановия комитет ръководи създаването на първия в света ядрен реактор, който се строи на площадка за игра на скуош под трибуните на университетския футболен стадион "Стаг филд".

На технически жаргон реакторът е наречен "купчината", защото се състои от правоъгълни парчета графит (чист въглерод), които трябва да намаляват скоростта на верижната реакция (да забавят неутроните). Между графитните парчета са поставени уран и уранов оксид. На 2 декември 1942 г. кадмиеви регулиращи пръчки, поглъщащи неутрони, са придвижени бавно напред, за да бъде задействана първата в света самоподдържаща се верижна реакция. "Беше ясно - пише по-късно Джон Кокрофт, - че Ферми отвори вратата на атомния век". Малко по-късно Ферми е назначен за ръководител на отдела по съвременна физика в новата лаборатория, създадена под ръководството на Робърт Опенхаймер за конструирането на атомна бомба в строго засекретеното селище Лос Аламос (щат Ню Мексико). Ферми и семейството му стават граждани на САЩ през юли 1944 г., а през следващия месец се преместват в Лос Аламос. Ферми е свидетел на първия взрив на атомна бомба на 16 юли 1945 г. близо до Аламогордо (щат Ню Мексико). През 1945 г. над японските градове Хирошима и Нагасаки са хвърлени атомни бомби.

Н края на войната Ферми се връща в Чикагския университет, за да заеме поста професор по физика и да стане сътрудник на новосъздадения към университета Институт за ядрени изследвания. Ферми е великолепен педагог и се слави като ненадминат лектор. Сред неговите аспиранти могат да бъдат посочени Мъри Гел-Ман, Янг Джанин, Ли Джандао и Оуен Чембърлейн. Когато завършва през 1945 г. в Чикаго строителството на циклотрона (ускорителя на частици), Ферми започва експерименти за проучването на взаимодействието между откритите наскоро мезони и неутрони. Той също така обяснява теоретически произхода на космическите лъчи и източника на тяхната висока енергия.

През 1928 г. Ферми се жени за Лаура Капон, която е от известно в Рим еврейско семейство. Съпрузите Ферми имат син и дъщеря. Човек с изключителен интелект и безгранична енергия, Ферми се занимава с алпинизъм, зимни спортове и тенис. Умира от рак на стомаха в Чикаго, скоро след като е навършил петдесет и три години. През следващата година нов химически елемент с пореден номер 100 е наречен на неговото име - фермий.

Ферми е избран за член на Националната академия на науките на САЩ (1945 г.), за почетен член на Единбургското кралско дружество (1949 г.) и за чуждестранен член на Лондонското кралско дружество (1950 г.). Назначен е от президента на САЩ за член на Генералния консултативен комитет към Комисията за атомна енергия (1946-1950). Вицепрезидент (1952 г.) и президент (1953 г.) на Американското физическо дружество. Освен с Нобелова награда е удостоен със златния медал Матеучи на Националната академия на науките на Италия (1926 г.), с медала Хюз на Лондонското кралско дружество (1943 г.), с гражданския медал "За заслуги" на правителството на САЩ (1946 г.), с медала Франклин на Франклиновия институт (1947 г.), със златния медал Бърнард за изключителни научни заслуги на Колумбийския университет (1950 г.) и с първата награда Ферми, присъдена от Комисията за атомна енергия на САЩ (1954 г.). Той е почетен доктор на много висши учебни заведения, сред които Вашингтонския и Уелския университет, Рокфелеровия колеж, Харвардския и Рочестърския университет.

Превод от руски: Павел Б. Николов