Новости

Jun 03, 2023

Как научный случай и немного удачи помогли начать ядерный век

Случайные эксперименты и случайные встречи помогли Энрико Ферми создать

Случайные эксперименты и случайные встречи помогли Энрико Ферми создать первый ядерный реактор.

Дэвид Н. Шварц, Общественная площадь Сокало

Широкая общественность может рассматривать научное предприятие как рациональное и методичное, продвигающееся вперед упорядоченным и сплоченным образом. Но наука движется урывками, то вперед, то назад, иногда методично, а иногда совершенно случайно. Исключительную роль, которую случайность и случайность играют в научных открытиях, можно увидеть на примере замечательной карьеры Энрико Ферми, одного из величайших физиков 20-го века. Ферми известен прежде всего своими работами в области нейтронной физики, ядерного деления и экспериментами, которые привели к созданию первой атомной бомбы.

В октябре 1934 года Ферми возглавлял небольшую группу в Риме по созданию радиоактивных элементов путем бомбардировки различных элементов нейтронами — тяжелыми нейтральными частицами, находящимися в ядрах большинства атомов. При этом он расщепил атом урана. Но по ряду причин, в основном связанных с ограничениями радиохимии его команды, он в то время этого не знал. Однако его коллеги заметили, что бомбардировка элемента, находящегося на деревянном столе, как ни удивительно, сделала этот элемент более радиоактивным, чем когда он находился на мраморном столе. Это был не тот результат, которого они ожидали, и они могли бы его и не заметить, если бы не любопытство и наблюдательность.

В поисках объяснения они принесли это явление Ферми. Ферми задумался об этом и пришел к выводу, что более легкие ядра водорода и углерода в деревянном столе замедляют нейтроны, давая нейтронам больше времени, чтобы провести внутри атомного ядра и повредить его — отсюда и увеличение радиоактивности. Он провел подтверждающий эксперимент с куском парафина между источником нейтронов и мишенью — в парафине много водорода и углерода, поэтому он идеально подходит для этих целей.

Невозможно переоценить значение этого случайного открытия. Работа, которую впоследствии возглавил Ферми по использованию этого открытия, кульминацией которой стало развитие первой цепной ядерной реакции 2 декабря 1942 года в Чикаго, была полностью основана на эффекте «медленных нейтронов». Графитовые кирпичи, которые сформировали структуру первой атомной котловины, служили замедлителем, замедляя нейтроны, испускаемые урановыми пулями, встроенными в котел, повышая вероятность деления. На этом эффекте основаны не только все ядерные реакторы; это был важный аспект исследований деления ядер, который неумолимо привел к разработке ядерного оружия.

Наука Ферми случайно руководствовалась и другими путями. Во-первых, это была простая случайность, связанная с его рождением в 1901 году, которая привела его к интеллектуальной зрелости в 1920-е годы, в то время, когда решались глубокие проблемы квантовой теории. Великий британский историк К. П. Сноу однажды написал о Ферми: «Если бы Ферми родился на несколько лет раньше, можно было бы вполне представить, что он открыл атомное ядро ​​Резерфорда, а затем развил теорию атома водорода Бора. Если это звучит как гипербола, то что-нибудь о «Ферми», вероятно, прозвучит как гипербола».

Конечно, поскольку он родился в 1901 году, он опоздал внести свой вклад в те первые годы ядерной физики. Однако он родился как раз вовремя, чтобы внести свой вклад в некоторые из наиболее важных разработок квантовой теории. Сегодняшние Ферми, в той степени, в какой они существуют, сейчас работают в командах из тысяч физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков в ЦЕРН, где развиваются передовые достижения в области физики элементарных частиц, но где возможности для индивидуальных достижений резко ограничены.

Во-вторых, это его случайная встреча в 13 лет с коллегой его отца, человеком по имени Адольфо Амидей, который понял, что Ферми был вундеркиндом, и взял на себя задачу дать подростку высшее образование по математике и физике - основу на котором Ферми построил свою карьеру.

В-третьих, это несчастный случай, когда он женился на женщине, которая так любила Рим, что отказалась переехать в Соединенные Штаты в 1930 году, когда Ферми впервые захотел это сделать. Если бы он покинул Рим в начале 1930-х годов, кто знает, занялся бы он своей работой с медленными нейтронами или открыл бы деление?