Курс истории физики - Кудрявцев Степанович

«Опыт выполняется следующим об разом. В непосредственной близости от источника нейтронов помещается пластинка алюминия, или железа, или вообще того элемента, который желательно изучить, и оставляется на некоторое время, которое может составлять минуты, часы, дни (в зависимости от случая). Нейтроны, вылетающие из источника, ударяют в какие-либо из ядер вещества. При этом происходит множество реакций самого различного типа».

В первом сообщении, датированном 25 марта 1934 г., ферми, бомбардировавший алюминий и фтор, получил изотопы натрия и азота, испускающие электроны (а не позитроны, как у Жолио-Кюри). Метод нейтронной бомбардировки оказался очень эффективным, и ферми писал, что эта высокая эффективность в осуществлении расщеплений «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников по сравнению с источниками а-частиц и протонов». Ему удалось этим методом активизировать 47 из 68 изученных элементов.

Воодушевленный успехом, он в сотрудничестве с ф. Разетти и О. Д Агостино предпринял нейтронную бомбардировку тяжелых элементов: тория и урана. «Опыты показали, что оба элемента, предварительно очищенные от обычных активных примесей, могут сильно активизироваться при бомбардировке нейтронами». Среди активных продуктов бомбардировки урана было найдено три с периодом полураспада 10 с, 40 с, 13 мин и еще два с периодом от 40 мин до одного дня. При этом оставалось неясным, «представляют ли эти периоды последовательные или альтернативные процессы распада».

Ферми со своими сотрудниками предпринял попытку химической идентификации р-активного продукта с периодом полураспада 13 мин. Он установил, что 13-минутная активность может быть обусловлена изотопами урана (Z — 92), протактиния (Z = 91), тория (Z = 90), актиния (Z = 89), pa-дет (Z = 88), висмута (Z = 83), свин-qa(Z = 82), а также «экацезия» (Z = 87) и радона (Z = 86). Ни один из тяжелых элементов не является химическим аналогом радиоактивного продукта с 13-минутным периодом. Естественно, что ферми и в голову не приходило сравнивать его с элементами из середины периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, и он сделал предположение, что «атомный номер соответствующего элемента может быть больше 92». Так появилась гипотеза трансурановых элементов.

Э. Резерфорд с большим интересом следил за опытами ферми. Еще 23 апреля 1934 г. он писал ему: «Ваши результаты очень интересны, и нет никакого сомнения, что в дальнейшем нам удастся получить больше сведений о действительном механизме этих превращений». Летом сотрудники ферми Э. Сегре и Э. Амальди были в Кембридже у Резерфорда и привезли ему обзорную статью «Искусственная радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой», авторами которой были Э. ферми, Э. Амальди, О. Д'Агостино, ф. Разетти и Э. Сегре. Статья содержала полный отчет об опытах, проводившихся в физической лаборатории Римского университета. Резерфорд, как президент Лондонского Королевского общества, передал статью для публикации в «Трудах» общества.

Статья появилась в том же, 1934 г. В ней говорилось и о бомбардировке урана, причем в числе продуктов бомбардировки был идентифицирован еще элемент с 90-минутным периодом полураспада. «90-минутный и 13-минутный активные продукты, — говорилось в статье, — обладают, по-видимому, совершенно аналогичными химическими свойствами, так как в реакции любого типа они получаются примерно в одинаковой пропорции. Поэтому обе эти активности, по-видимому, обусловлены продуктами с атомами номером выше 92,— возможно, изотопами одного и того же элемента».

22 октября 1934 г. ферми сделал фундаментальное открытие. Поместив между источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром парафиновый клин, ферми заметил, что клин не уменьшает активность нейтронов, а несколько увеличивает ее. ферми сделал вывод, что этот эффект, по-видимому, обусловлен наличием водорода в парафине, и решил проверить, как будет влиять на активность расщепления большое количество водородсо-держащих элементов. Проведя опыт сначала с парафином, потом с водой, ферми констатировал увеличение активности в сотни раз. В статье «Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами», написанную ферми совместно с Э. Амальди, Б. Понтекорво, ф. Разетти и Э. Сегре, было выдвинуто следующее объяснение этих фактов: «Нейтроны быстро теряют энергию в ряде повторных столкновений с ядрами водорода... можно ожидать, что после нескольких соударений нейтроны будут двигаться подобно молекулам диффундирующего газа, достигая в конечном счете энергий, соответствующих тепловому движению». Опыты ферми обнаружили огромную эффективность медленных нейтронов.

Теория в-распада Ферми

Таким образом, Э. ферми в 1934 г. добился замечательных результатов, идя по избранному им пути. Но, помимо этих экспериментальных результатов, 1934 г. был годом замечательных теоретических достижений ферми. Уже в декабрьском номере 1933 г. итальянского журнала «Ricerca Scientifica» были опубликованы его предварительные соображения о в-распаде; в начале 1934 г. в «Zeitschrift fur Physik» была опубликована его классическая статья «К теории р-лучей». Авторское резюме статьи гласит: «Предлагается количественная теория р-распада, основанная на существовании нейтрино; при этом испускание электронов и нейтрино рассматривается по аналогии с эмиссией светового кванта возбужденным атомом в теории излучения. Выведены формулы из времени жизни ядра и для формы непрерывного спектра в-лучей; полученные формулы сравниваются с экспериментом ».

Ферми в этой теории дал жизнь гипотезе нейтрино и протонно-нейт-ронной модели ядра, приняв также гипотезу изотопического спина, предложенную Гейзенбергом для этой модели В основу своей теории ферми кладет следующие предложения:

а) Полное число электронов, равно как и число нейтрино, не обязательно должно быть постоянным. Электроны (или нейтрино) могут возникать и исчезать...

б) Тяжелые частицы, нейтроны и протоны, можно рассматривать, следуя В. Гейзенбергу, как два внутренних квантовых состояния тяжелой частицы. Сформулируем это, введя некоторую внутреннюю координату тяжелой частицы р, могущую принимать только два значения: р = 1, когда частица является протоном, и р=— 1, если она оказывается нейтроном.

в) Гамильтонову функцию системы из тяжелых и легких частиц нужно выбрать таким образом, чтобы каждый переход нейтрона в протон сопровождался возникновением электрона и нейтрино, а обратный процесс — превращение протона в нейтрон — сопровождался исчезновением электрона и нейтрино. Заметим, что тем самым обеспечивается сохранение заряда».

Комментируя теорию ферми, ф. Ра-зетти писал: «Построенная им на этой основе теория оказалась способной выдержать почти без изменения два с половиной десятилетия революционного развития ядерной физики. Можно было бы заметить, что физическая теория редко рождается в столь окончательной форме».

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.