恩利克·費米(美籍意大利著(zhù)名物理學(xué)家,揭示宇宙線(xiàn)中原粒子的加速機制)
恩利克·費米(意大利文:Enrico Fermi,1901年9月29日—1954年11月28日),美籍意大利著(zhù)名物理學(xué)家、美國芝加哥大學(xué)物理學(xué)教授,1938年諾貝爾物理學(xué)獎得主。
1942年,費米領(lǐng)導小組在芝加哥大學(xué)建立了人類(lèi)第一臺可控核反應堆(芝加哥一號堆,Chicago Pile-1)、為第一顆原子彈的成功爆炸奠定基礎,人類(lèi)從此邁入原子能時(shí)代,而費米也被譽(yù)為“原子能之父”。
費米在理論和實(shí)驗方面都有第一流建樹(shù),這在近現代物理學(xué)家中是屈指可數的,而費米子、100號化學(xué)元素鐨、美國著(zhù)名的費米實(shí)驗室(Fermilab)、芝加哥大學(xué)的費米研究院(The Enrico Fermi Institute) 都是為紀念他而命名的。費米一生的最后幾年主要從事高能物理的研究,1949年他揭示宇宙線(xiàn)中原粒子的加速機制,研究了π介子、μ子和核子的相互作用,并提出宇宙線(xiàn)起源理論。1949年,費米還與楊振寧合作,提出基本粒子的第一個(gè)復合模型。1952年,發(fā)現了第一個(gè)強子共振──同位旋四重態(tài)。
個(gè)人成就
學(xué)業(yè)
恩里克·費米1922年獲比薩大學(xué)博士學(xué)位。1923年前往德國。在量子力學(xué)大師馬克斯·玻恩(Max Born)的指導下從事研究工作。1924年到荷蘭萊頓研究所工作。1926年任羅馬大學(xué)理論物理學(xué)教授。1929年任意大利皇家科學(xué)院院士。
文章
當時(shí)他已經(jīng)發(fā)表了他的第一篇主要論文,論述了物理學(xué)中的一個(gè)深奧的分支,人稱(chēng)量子統計學(xué)。在這篇論文中,費米發(fā)展了量子統計學(xué),用它來(lái)描述某類(lèi)粒子大量聚集的行為,這類(lèi)粒子人稱(chēng)費米子。由于電子、質(zhì)子和中子——構成普通物質(zhì)的三種“建筑材料”都是費米子,所以費米學(xué)說(shuō)具有重要的科學(xué)意義。
費米方程可以使我們更好地了解原子核、簡(jiǎn)并物質(zhì)(諸如出現在某些種類(lèi)星體內部的簡(jiǎn)并物質(zhì))的行為,以及金屬的特性和行為——一個(gè)有明顯實(shí)際用途的課題。1934年用中子轟擊原子核產(chǎn)生人工放射現象。
研究
開(kāi)始中子物理學(xué)研究。被譽(yù)為“中子物理學(xué)之父”。1936年出版的熱力學(xué)講義。成為后人教學(xué)用書(shū)的著(zhù)名藍本。由于他在中子轟擊方面。尤其是熱中子轟擊方面的成績(jì),于1938年獲得諾貝爾物理獎?。但是就在這時(shí)他卻在意大利遇到了麻煩。一是因為他的妻子是猶太人,意大利法西斯政府頒布出一套粗暴的反對猶太人的法律;二是因為費米強烈反對法西斯主義——墨索里尼獨裁統治下的一種危險的態(tài)度。1938年12月他前往斯德哥爾摩接受諾貝爾獎,此后就沒(méi)有返回意大利,而是去了紐約。哥倫比亞大學(xué)主動(dòng)為他提供職位,并為自己的師資隊伍中增添了一位世界上偉大的科學(xué)家而感到自豪和驕傲。1944年費米加入美國籍。
原子彈:曼哈頓計劃
在1939年初,據李澤·梅特納、奧特·哈爾姆和弗里茨·斯特拉斯曼報導,中子被吸收后有時(shí)會(huì )引起鈾原子裂變。這項報導發(fā)表后,和其他幾位主要的物理學(xué)家一樣,費米立即認識到一個(gè)裂變的鈾原子可以釋放出足夠的中子來(lái)引起一項鏈式反應,而且還和另外幾位物理學(xué)家一樣,費米馬上就預見(jiàn)到這樣的鏈式反應可用于軍事目的潛在性。1939年3月,費米與美國海軍界接觸,希望引起他們對發(fā)展原子武器的興趣。但是直到幾個(gè)月后阿爾伯特·愛(ài)因斯坦就此課題給羅斯??偨y寫(xiě)了一封信以后,美國政府才對原子能給予重視。
那時(shí)候,同盟國的科學(xué)家雖然已經(jīng)在討論原子彈的可能,但是還沒(méi)有正式開(kāi)始進(jìn)行制造的工作。后來(lái)由于同盟國在戰事中一再失利,德國又開(kāi)始禁止由他們占領(lǐng)捷克鈾礦區的鈾礦出口,使得同盟國意識到,德國可能已經(jīng)在認真進(jìn)行原子彈計劃。
不久,一位德國科學(xué)家傅吉(Siegfried Flugge)出人意料地在德文科學(xué)期刊上,公開(kāi)發(fā)表了一些德國核分裂研究的新近成果。這位科學(xué)家本來(lái)是故意突破當時(shí)德國尚未完全開(kāi)始的信息封鎖,讓同盟國得知德國研究近況,但是同盟國科學(xué)家反倒因而誤認為,如果德國能夠發(fā)布這么多資料,那么他們真正的發(fā)展情況,恐怕還要更加先進(jìn),這就更加促使美國原子彈計劃開(kāi)始醞釀產(chǎn)生。
匈裔科學(xué)家齊拉于是決定采取一些行動(dòng)。首先他認為要能控制比屬剛果的鈾礦,于是請求和比利時(shí)皇家熟識的愛(ài)因斯坦幫忙,愛(ài)因斯坦欣然同意。接著(zhù)他和銀行家沙克斯(A.Sachs)共同具名擬就一信,準備敦促羅斯??偨y在美國進(jìn)行原子彈計劃,為了增加這封信的分量,他們也要求愛(ài)因斯坦共同具名,愛(ài)因斯坦同意了。這一封有愛(ài)因斯坦共同具名的信函,確實(shí)是促成原子彈計劃的一個(gè)關(guān)鍵因素,而這件事到戰后曾引起愛(ài)因斯坦相當的后悔。
美國政府一有了興趣,建立一個(gè)模式原子反應堆就成了科學(xué)家的首要任務(wù),以探明自保持的鏈式反應是否確實(shí)可行。由于費米是世界上主要的中子權威,且集理論與實(shí)驗天才于一身,所以被選為世界第一臺核反應堆攻關(guān)小組組長(cháng)。他最初在哥倫比亞大學(xué)工作,隨后又到芝加哥大學(xué)工作,并從此一直擔任芝加哥大學(xué)教授和之后美國政府第一個(gè)國家實(shí)驗室阿貢國家實(shí)驗室主任。1942年12月2日,在芝加哥大學(xué),費米指導下設計和制造出來(lái)的人類(lèi)第一臺可控核反應堆首次運轉成功,命名為“芝加哥一號堆”(Chicago Pile-1)?。這是原子時(shí)代的真正開(kāi)端,因為這是人類(lèi)第一次成功地進(jìn)行了一次核鏈式反應。
隨著(zhù)這項實(shí)驗的成功,曼哈頓計劃得以順利推進(jìn)。費米在這項工程中作為一位主要的科學(xué)顧問(wèn),繼續發(fā)揮著(zhù)重要的作用。費米的主要貢獻在于他在發(fā)明核反應堆中所起的重要作用。十分顯然,這項發(fā)明的主要功勞應歸于費米。他最先對有關(guān)方面的基礎理論做出了重大的貢獻,隨后又親自指揮第一座核反應堆的設計和建造。戰后,費米在芝加哥大學(xué)任教授。他于1954年在芝加哥去世。100號化學(xué)元素鐨就是為紀念他而命名的。
輝煌人生
恩利克·費米先后獲得德國普朗克獎?wù)?、美國哲學(xué)會(huì )劉易斯獎學(xué)金和美國費米獎。1953年被選為美國物理學(xué)會(huì )主席。還被德國海森堡大學(xué)、荷蘭烏特勒支大學(xué)、美國華盛頓大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、耶魯大學(xué)、哈佛大學(xué)、羅切斯特大學(xué)和拉克福德大學(xué)授予榮譽(yù)博士。
費米之所以成為重要人物,有以下幾個(gè)原因。一是他是無(wú)可爭議的20世紀最偉大的科學(xué)家之一,而且是為數不多的兼具杰出的理論家和杰出的試驗家天才的人。他在其生涯中寫(xiě)了250多篇科學(xué)論文。二是費米在發(fā)明原子爆破方面是一個(gè)非常重要的人物,盡管別人在推動(dòng)這項事業(yè)的發(fā)展上也起了同樣重要的作用。
從1945年以來(lái),原子武器從未用于戰爭。出于和平目的,大量的核反應堆建成用來(lái)產(chǎn)生能源。在未來(lái),反應堆將成為更重要的能源來(lái)源。此外,一些反應堆被用來(lái)生產(chǎn)有用的放射性同位素,用在醫學(xué)和科學(xué)研究上。反應堆還是钚的一個(gè)來(lái)源,這是制造原子武器的一種材料。人們對核反應堆可能對人類(lèi)產(chǎn)生危害存有害怕心理,但沒(méi)人抱怨它是個(gè)無(wú)意義的發(fā)明。不管是好還是壞,費米的工作對未來(lái)世界產(chǎn)生了巨大的影響。
為紀念費米對核物理學(xué)的貢獻,美國原子能委員會(huì )建立了“費米獎”,以表彰為和平利用核能作出貢獻的各國科學(xué)家。
第100個(gè)化學(xué)元素鐨和原子核物理學(xué)使用的“費米單位”(長(cháng)度單位)就是以費米的名字命名的。
諾貝爾獎
本世紀30年代初,中子被發(fā)現以后,科學(xué)家就利用它去轟擊各種元素,研究核反應。以意大利皇家科學(xué)院院士費米為首的一批青年人,干得最起勁。他們按照元素周期表的順序,從頭到尾地轟擊已知的各種元素,看看都會(huì )發(fā)生什么情況。
1934年,人們認為元素周期表上最后一個(gè)元素是92號元素鈾。但是當用中子轟擊時(shí),他們發(fā)現鈾被強烈地激活了,并產(chǎn)生出好多種元素。他們認為,在這些鈾的衰變產(chǎn)物中,有一種是原子序數為93的新元素。這是由于中子打進(jìn)鈾原子核里,使鈾的原子量增加而轉變成的新元素。
費米等人關(guān)于93號新元素的實(shí)驗報告發(fā)表后,世界各國的報紙立即進(jìn)行了轟動(dòng)性的報道。關(guān)于93號元素問(wèn)題,在各國科學(xué)家中引起一場(chǎng)激烈而持續的爭論。有不少人肯定,也有不少人持懷疑態(tài)度。這場(chǎng)爭論遲遲沒(méi)有定論的原因是當時(shí)缺乏一種有效的手段,可以對鈾元素受到中子轟擊后的產(chǎn)物進(jìn)行精確的分離和分析。
1934年10月,費米研究小組未解決這個(gè)謎團,卻意外地取得另一項重大發(fā)現:中子在到達被輻射物質(zhì)之前,和含氫物質(zhì)中的氫原子核碰撞,速度大大降低;這種降低了速度的“慢中子”,更容易引起被輻射物質(zhì)的核反應。這正如速度太快的籃球容易從框上彈出去,速度慢的較容易進(jìn)籃一樣,使用慢中子轟擊原子核很快被各國科學(xué)家采用。
1938年11月10日,也就是“93號元素”發(fā)現4年多以后,費米接到來(lái)自斯德哥爾摩的電話(huà),瑞典科學(xué)院宣布費米獲得諾貝爾物理學(xué)獎的獎狀:“獎金授予羅馬大學(xué)恩利克·費米教授,以表彰他認證了由中子轟擊所產(chǎn)生的新的放射性元素,以及他在這一研究中發(fā)現由慢中子引起的反應?!辟M米帶著(zhù)全家去斯德哥爾摩領(lǐng)獎后,沒(méi)有返回意大利,而是乘上了去美國的輪船。
就在這一年,德國威廉皇家化學(xué)研究所的兩位化學(xué)家哈恩和斯特拉斯曼,與女物理學(xué)家梅特涅合作,試驗用慢中子轟擊鈾元素,而且用化學(xué)方法分離和檢驗核反應的產(chǎn)物,獲得了令人難以置信的結果:鈾核在中子的轟擊下,分裂成大致相等的兩半,它們不是93號新元素,而是56號元素鋇!原子核的這一種變化現象過(guò)去還從未發(fā)現過(guò)。
1938年11月22日,也就是在諾貝爾獎頒發(fā)后的12天,哈恩把分裂原子的報告寄往柏林《自然科學(xué)》雜志,該雜志1939年1月便登出了哈恩的論文,推翻了費米的實(shí)驗結果。顯而易見(jiàn),諾貝爾獎搞錯了!
聽(tīng)到這驚人的消息,費米的第一個(gè)反應是來(lái)到哥倫比亞大學(xué)實(shí)驗室,利用那里較好的設備,重復了哈恩的試驗,結果和哈恩的試驗一樣。這一事實(shí),對費米來(lái)說(shuō)無(wú)疑是難堪的。然而和人們的想象相反,費米坦率地檢討和總結了自己的錯誤判斷,表現了一個(gè)科學(xué)家服從真理的高尚品質(zhì)。此時(shí)此刻,費米考慮的不是個(gè)人的名譽(yù)得失,他在別人成就的基礎上繼續向前邁進(jìn)。在裂變理論的基礎上,費米很快提出一種假說(shuō):當鈾核裂變時(shí),會(huì )放射出中子。這些中子又會(huì )擊中其它鈾核,于是就會(huì )發(fā)生一連串的反應,直到全部原子被分裂。這就是著(zhù)名的鏈式反應理論。根據這一理論,當裂變一直進(jìn)行下去時(shí),巨大的能量就將爆發(fā)。如果制成炸彈,它理論上的爆炸力是TNT炸藥的2000萬(wàn)倍!
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