Antonio Hernandez-Fernandez - В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

• Название: В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.
• Автор: Antonio Hernandez-Fernandez
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Физика
• Год: 2015

Энрико Ферми, один из главных ученых XX века, произвел революцию в физике первой половины столетия, внеся вклад в развитие таких дисциплин, как статистическая механика, теория квантов и ядерная физика. Ученый принял активное участие в создании первого ядерного реактора, что спустя несколько лет привело к появлению атомной бомбы, навсегда изменившей ход истории. Он был необыкновенным физиком, опередившим свое время, прообразом современного ученого, который вместо того, чтобы замыкаться в своей гениальности, окружал себя лучшими из лучших и работал в команде. Он запомнился своему поколению не только как великий исследователь, но и как превосходный педагог, взрастивший нескольких будущих лауреатов Нобелевской премии.

---

Ферми о догадках в теории хаоса, неустойчивости и хаотических системах

Также Ферми пристально следил за развитием астрофизики, особенно в том, что касалось космических лучей, а после изучения жидкостей заинтересовался и динамикой газов в космосе. Почему галактики имеют определенную форму? Как электромагнитные и гравитационные поля влияют на галактические и звездные газы? Ферми стал сотрудничать с индийским астрофизиком и математиком Субраманьяном Чандрасекаром. Они были знакомы со времен Манхэттенского проекта: Чандрасекар работал в Чикагском университете с 1937 года. В 1953 году ученые опубликовали в AstrophysicalJournal несколько совместно написанных статей, в которых анализировали магнитное поле в спиральных галактиках и гравитационную нестабильность в присутствии сильных электромагнитных полей звезд. Ферми доказал, что равновесие межзвездного газа напрямую связано с магнитным полем галактики, а также является причиной космического излучения, над которой он столько думал.

По рекомендации Чандрасекара 28 августа 1953 года Ферми стал первым неастрономом, выступившим на заседании Американского астрономического общества. Из-за большого интереса, который он питал к астрофизике, ученые, не колеблясь, назвали космический гамма-телескоп, запущенный на орбиту в 2008 году, телескопом Ферми.

ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ

В начале 1953 года Ферми был избран президентом Американского физического общества. У него был огромный авторитет, на его лекциях собиралось все больше и больше слушателей, на его курсы в Чикагском университете ходило множество студентов, которых он восхищал своими ораторскими способностями; его авторитет ученого был велик во всем мире. Но в конце того же года глава ФБР Эдгар Гувер с подачи Уильяма Бордена, члена комитета американского конгресса по атомной энергии, обвинил Оппенгеймера в том, что тот угрожает безопасности страны. Президент Эйзенхауэр потребовал, чтобы ученый подал в отставку, на что тот ответил отказом и потребовал официального расследования. Деятельность Оппенгеймера была приостановлена. Процесс начался 13 апреля 1954 года. Неделю спустя Ферми выступил как свидетель в защиту Оппенгеймера. Одним из обвинений в адрес ученого было то, что он не поддерживал расширение арсенала ядерного оружия, и заявление Ферми очень помогло ему:

«На тот момент я считал, что нужно запретить супербомбу до того, как она будет создана. Я подумал, что с помощью международного договора будет проще запретить то, что еще не существует».

Процесс был очень неприятен и для Ферми, и для всех ученых Лос-Аламосской лаборатории. Теллер резко выступил против Оппенгеймера, а остальные пытались хранить нейтралитет, хотя на самом деле большинство поддерживало ученого и также осознавало опасность ядерного оружия. В итоге был вынесен вердикт, согласно которому Оппенгеймер угрожал безопасности США, и ученый был освобожден от всех занимаемых должностей. Ферми и другие коллеги выступили против этого решения: они считали Оппенгеймера свободным мыслителем, а не опасным коммунистом. Но таковы были общественные настроения и политическая обстановка в Штатах в тот период: даже Ферми с его безупречным поведением в свое время вызвал подозрение из-за итальянского происхождения. Ферми вернулся к сотрудничеству с Сегре и изучению взаимодействий между пионами и нуклонами. Он создал новый Брукхевенский космотрон, то есть синхротрон, ускоряющий частицы до очень высоких энергий, превышающих два миллиарда эВ, а Сегре продолжил заниматься протонами. При помощи беватрона, запущенного в Беркли в 1954 году, Сегре вместе с Оуэном Чемберленом в 1955 году открыли антипротон, за что в 1959 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

Летом 1954 года Ферми приехал в Италию на открытие Международной школы физики в Варение, рядом с озером Комо, которая сейчас носит его имя. На своих последних лекциях он рассказал о главных достижениях физики элементарных частиц, обратив особое внимание на важность изучения взаимодействия пионов и нуклонов в ускорителях и на использование компьютеров для решения физических задач. Конверси и Сальвини, работавшие тогда в Пизанском университете, прислушались к словам Ферми и вскоре создали один из первых электронных калькуляторов в Италии. Во время этого путешествия ученый почувствовал недомогание, а по возвращении в Чикаго ему поставили диагноз: рак желудка в неоперабельной стадии. Последние дни Ферми посвятил работе над книгой по ядерной физике, проводил время вместе с Лаурой, семьей и самыми близкими друзьями. Умер Энрико Ферми 28 ноября 1954 года, пополнив список ученых-пионеров, исследовавших радиоактивность и скончавшихся от опухоли. Вне всякого сомнения, это был один из самых выдающихся мыслителей в истории человечества.

Ряд распада от фермия-257 до нелтуния-237.

ЭЙНШТЕЙНИЙ И ФЕРМИЙ

Взрыв водородной бомбы «Майк» на атолле Эниветок 1 ноября 1952 года повлек за собой не только разрушения. Хоть это и сохранялось в тайне до 1955 года, уже в декабре 1952-го анализы остатков, проведенные в лаборатории Беркли, показали, что водородная бомба добавила в периодическую таблицу два новых элемента. Они имели атомные номера 99 и 100 и были названы эйнштейнием и фермием соответственно.

Ферми не дожил до того момента, когда элемент с номером 100 был назван его именем, но его существование он предсказывал еще в 1934 году, говоря о трансурановых элементах. Фермий и эйнштейний относятся к семейству актиноидов, и многие его члены не встречаются в природе. Среднее время жизни эйнштейния немногим превышает 20 дней, а фермия — 100, оба эти элемента радиоактивные. Облучение урана-238 огромным потоком нейтронов водородной бомбы привело к появлению тяжелейших изотопов, таких как уран-253 и уран-255, которые в результате бета-распада дали соответственно эйнштейний-253 и фермий-255. Длинные ряды распадов новых элементов, эйнштейния и фермия, были подробно изучены в последующие годы (см. рисунок). Пока работы, ведущиеся в Беркли, были еще совершенно секретными, в мае 1954 года исследовательская группа из Нобелевского института в Стокгольме независимо получила изотоп фермия-250 путем бомбардировки урана-238 изотопами кислорода-16. После смерти Ферми и Эйнштейна и после публикации группой Беркли некоторых результатов международное научное сообщество единогласно решило назвать элемент 99 эйнштейнием, а элемент 100 — фермием.

БОЛЬШИЕ СОВРЕМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Через год после смерти Ферми американский физик Сэмюэл Аллисон, также работавший над Манхэттенским проектом, решил переименовать Чикагский институт ядерных исследований в Институт Энрико Ферми. Сегодня он остается одним из передовых центров изучения физики и вместе с другими организациями является частью холдинга, который использует Фермилаб — бывшую Национальную ускорительную лабораторию, названную так в честь Ферми в 1974 году. В Фермилабе находится второй по величине ускоритель частиц после большого адронного коллайдера (или БАК) Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Женеве. Этот ускоритель — одно из важнейших достижений человеческого разума. Он стал продолжением беватрона Беркли и Брукхевенского космотрона, созданного Ферми.

Если беватрон был назван так потому, что в нем можно было получить энергию в миллиарды электронвольт (эВ), то в тэватроне Фермилаба достигаются тераэлектронвольты (ТэВ), то есть 1012 эВ. Благодаря этой невероятной мощи ускорителей сегодня мы можем обнаружить пучки таких маленьких частиц, как нейтрино, с ничтожной массой, примерно в 5 эВ, и разглядеть квантовую структуру материи.

УСКОРИТЕЛЬ ФЕРМИЛАБА

Первым ускорителем Фермилаба был генератор Кокрофта — Уолтона, который трансформировал переменную электрическую энергию в постоянную, вырабатывая ионы водорода Н-. На их основе с помощью магнетрона создается плазма, или ионизированный газ с низким давлением. Затем посредством электрического поля в 750 КэВ ионы ускоряются до линейного ускорителя (LINAC, Linear Accelerator), который увеличивает энергию частиц до 400 МэВ, после чего они попадают в угольный фильтр, трансформирующий ионы Н- в протоны Н+ и в промежуточное кольцо (бустер) диаметром в 468 м. В нем протоны вращаются со скоростью примерно 20 тысяч раз за 33 миллисекунды и благодаря эффекту циклотрона приобретают на каждом круге энергию, пока не достигнут 8 ГэВ. Следующий этап — главный инжектор, который ускоряет протоны, разделяет протоны для получения антипротонов и затем ускоряет антипротоны. Таким образом, в главном инжекторе находятся два отдельных пучка: протоны и антипротоны, которые двигаются в противоположном направлении и попадают в последний ускоритель, мощный Тэватрон. В нем скорость частиц почти равна скорости света. Они сталкиваются в центре детекторов DZER0 и CDF с энергиями почти 2 ТэВ, что позволяет получить пучки разных элементарных частиц. Сегодня в Фермилабе проводятся эксперименты по обнаружению бозона Хиггса, которые должны подтвердить эксперименты ЦЕРН и изменить наше представление о квантовой вселенной.