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.

---

Принцип эквивалентности общей теории относительности Эйнштейна гласит, что предмет, находящийся под действием силы притяжения (g), невозможно локально отличить от этого же предмета, находящегося в ракете, которая двигается с ускорением g в пространстве е, то есть при отсутствии гравитационных полей (рисунок 1). Тензор энергии-импульса (рисунок 2) —это матрица, описывающая взаимодействие полей материи с гравитационным полем.

РИС. 1

РИС . 2

Тензор кривизны Gαβ приравнивается к тензору напряжения — энергии Tαβ где с — скорость света в вакууме (с ≈ 3 • 108 м/с), a G — гравитационная постоянная (G ≈ 6,67-10-11 Н • м2/кг2). Уравнение гравитационного поля Эйнштейна, опубликованное в его работе по общей теории относительности в 1916 году, описывает, как материя искривляет пространство-время (рисунок 3). Координаты Ферми — Уолкера, или перенос Ферми — Уолкера, — это математический метод, использующийся для определения совокупности координат, в которых искривление системы происходит из-за присутствия масс или энергии, а не спина, или вращения системы, что может быть еще одной причиной искривления пространства- времени (рисунок 4).

РИС.З

РИС. 4

Философы могут разгневаться и вовлечь меня в бесплодные споры.

Ферми в письме к Энрико Персико 18 марта 1922 года

ГОВОРЯ О ТЕОРИЯХ ВЕРОЯТНОСТЕЙ В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ

В январе 1922 года Ферми писал своему другу Персико о том, что продолжает заниматься изучением теории относительности и тензорного исчисления. В своей статье «О явлениях, происходящих вблизи от мировой линии» он, используя дифференциальное исчисление, доказал, что пространство вокруг мировой линии ведет себя как евклидово. В этой работе Ферми впервые ввел систему пространственно-временных координат — координат Ферми, — которые с большой точностью описывают временное развитие явлений, происходящих рядом с мировой линией. В 1932 году английский математик А. Дж. Уолкер расширил эту систему, поэтому сегодня эти координаты называются координатами Ферми — Уолкера.

Ферми с отличием закончил физический факультет 7 июля 1922 года, подготовив работу о дифракции рентгеновских лучей. За год до этого он опубликовал в Nuovo cimento еще одну специализированную статью — Теоретическая часть его диплома была опубликована в 1926 году под названием «Теорема вычисления вероятностей и некоторые ее применения». В 1923 году Ферми принял участие в подготовке итальянского издания «Основ теории относительности штейна» и был одним из немногих, кто признавал огромную концептуальную важность теории относительности. Его привлекала возможность получения энергии из материи, знаменитое уравнение Е = mc2. Ферми писал:

«Найти способ освобождения таких чудовищных количеств энергии вряд ли удастся, по крайней мере в ближайшем будущем. Кстати, можно только надеяться, что этого не произойдет, так как мгновенное выделение такого ужасного количества энергии привело бы в качестве первого результата к разрыву на мелкие кусочки того несчастного физика, который нашел бы этот способ».

Возможно, уже в то время он думал о том, как держать этот взрыв под контролем.

ГЛОТОК СВЕЖЕГО ВОЗДУХА

Ферми должен был увидеть мир, чтобы взглянуть на науку новым взглядом. Директор физического отделения Римского университета Орсо Марио Корбино посоветовал Энрико принять стипендию Гёттингенского университета и немного пожить в Германии, работая с немецким физиком и математиком Максом Борном (1882-1970). Зимой 1923 года Ферми приехал в Гёттинген. В Германии Энрико познакомился со многими выдающимися молодыми учеными, такими как Вернер Гейзенберг и Паскуаль Йордан, но почти не общался с ними. Ферми приехал из Италии, где господствовала экспериментальная физика и его теории легко приобретали известность; в Германии же, напротив, занимались в основном теоретической физикой, которая превратилась в настоящую философию, и он был всего лишь одним из многих в этом обществе выдающихся умов. Ферми опубликовал серию превосходных работ по аналитической механике, которые привлекли внимание австрийского физика Пауля Эренфеста (1880-1933), поскольку в них эта дисциплина связывалась с квантовой механикой. После издания «Некоторых теорем аналитической механики, важных для теории квантов» Ферми удалось применить принципы Эренфеста к квантизации задачи трех тел. Эренфест проявил к этой теме такой интерес, что осенью 1923 года между учеными завязалась переписка, и когда чуть позже, в 1924 году, Ферми получил стипендию фонда Рокфеллера, то ни секунды не сомневаясь решил поехать в Лейден к Эренфесту. Вернувшись в Рим, он опубликовал работу «О вероятности квантовых состояний», которую можно считать одним из самых крупных вкладов в квантовую механику.

Летом 1924 года ученый вернулся в Рим на каникулы и познакомился с 16-летней красавицей Лаурой Капон. В это время самому Энрико не было еще и 23 лет. Между молодыми людьми проскочила искра. Два года спустя они встретились опять, и огонь разгорелся с новой силой.

СТАТИСТИКА ФЕРМИ

Ферми прожил в Лейдене с сентября по декабрь 1924 года. Эренфест познакомил его с Хендриком Антоном Лоренцем и Альбертом Эйнштейном. В том же году, после публикации «К теории столкновений атомов с электрически заряженными частицами»,обнаружились расхождения Ферми с Бором. Ферми защищал полуклассическую модель атома, объясняя с ее помощью отклонения от правил квантизации атомной модели Бора — Зоммерфельда и результаты экспериментов. Он довольно близко подошел к принципу исключения Паули, который впоследствии позволил позициям Ферми и Бора сойтись.

РИС. 1

В 1925 году Вольфганг Эрнст Паули (1900-1958) сформулировал принцип исключения, согласно которому два электрона не могут одновременно находиться в одинаковом квантовом состоянии, то есть иметь одинаковые квантовые числа. В октябре того же года ученые Крониг, Уленбек и Гаудсмит получили эмпирическое доказательство существования спина электрона, которому приписывается свое квантовое число, или, что одно и то же, открыли свойство электрона, связанное с его собственным моментом импульса. Новая модель, в числе прочего, объясняла эксперимент Штерна — Герлаха. В 1922 году Отто Штерн (1888-1969) и Вальтер Герлах (1889-1979), еще не знавшие о существовании спина, в ходе эксперимента спровоцировали отклонение частиц из пучка атомов серебра, заставив их пройти через область с сильным магнитным полем (рисунок 1). Согласно классической физике, частицы пучка обладали магнитным импульсом, направленным случайно, поэтому под действием магнитного поля они должны были бы отклоняться в соответствии с углом между магнитным импульсом и созданным магнитным полем. Частицы отклонялись бы постепенно, покрывая весь спектр интенсивности. Однако в ходе эксперимента Штерна — Герлаха магнитное поле отклоняло атомы серебра в зависимости от их спина: частицы с положительным спином +1/2 отклонялись вверх, а с отрицательным, -1/2, — вниз, образуя две одинаковые по интенсивности группы. Этот опыт показал, что и электроны, и ионы имеют квантовые и магнитные свойства, соответствующие их квантовым числам.

Согласно принципу исключения Паули, на одном атомном уровне не может быть двух электронов в одинаковом квантовом состоянии. Поэтому на одном и том же атомном уровне может быть максимум два электрона. При этом электроны объединяются в пары: один — со спиновым числом +1/2 (сверху), а другой -1/2 (внизу) (рисунок 2).

РИС . 2

Квантовая проекция спина электрона на оси вращения Z.

Вернувшись из Лейдена, Ферми с помощью Разетти получил временную должность во Флорентийском университете. До 1926 года он преподавал теоретическую механику и теоретическую физику. Ферми считал понятие матрицы слишком абстрактным, ему была ближе формулировка Эрвина Шрёдингера (1887-1961): его волновое уравнение помогало решить большинство задач, не прибегая к новым абстракциям.

Во Флоренции Ферми и Разетти проделали ряд опытов, в ходе которых исследовали техники изучения атомных спектров. Результаты были изложены в статье «переменкого магнитного поля на поляризацию резонансного излучения ртути опубликованной в журнале Nature. Впоследствии техника Ферми и Разетти успешно применялась в изучении электромагнитных спектров. К тому моменту, когда Паули впервые рассказал о своем принципе исключения, Ферми уже понял причину, объяснявшую его статистику, и собирался развить

ОРБИТАЛИ

Атомная орбиталь — это пространство вокруг ядра, где вероятнее всего можно встретить электрон с определенной энергией. Форма орбитали зависит от квантовых чисел (см. рисунок). Конфигурация электронов вещества — это распределение электронов в его атомах на разных уровнях, подуровнях и орбиталях от частиц с меньшей энергией к большей. Эта конфигурация определяет большинство свойств веществ: например, почти полное отсутствие реактивности благородных газов объясняется тем, что их последняя орбиталь заполнена электронами.