Деление ядра

Почти сразу после открытия нейтрона в 1932 году Джеймсом Чедвиком начались исследования их взаимодействия с ядрами. В этом же году в США Эрнест Лоуренс запустил первый циклотрон, а в Англии Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон построили первый ускоритель протонов, способный расщеплять ядра.

В ближайшие годы несколькими учёными – Нильсом Бором, Яковом Френкелем и Джоном Уилером были разработаны важнейшие теоретические модели – капельная модель ядра и составное ядро, которые вплотную приблизили их к открытию деления. В 1934 году Ирен Кюри и Фредериком Жолио была открыта искусственная радиоактивность, ставшая серьёзным толчком на пути к открытию. В это же время Энрико Ферми с сотрудниками подвергали различные элементы облучению пучком нейтронов. Среди этих элементов они исследовали и уран – самый тяжёлый из существующих в природе элементов. Выводы, которые сделал Ферми из своих экспериментов, были сведены им к открытию трансурановых элементов и также не привели к разгадке реакции деления, так как дальнейшие результаты экспериментов для Ферми стали непонятными и неожиданными.

Только через 5 лет, в 1939 году Отто Ганом и Фрицем Штрассманом был открыт процесс деления ядер. Эти учёные решили проверить необъяснимые результаты опытов, которые осуществили в Париже Ирен Кюри и Павел Савич. После облучения урана медленными нейтронами немецкие физики выделили радиоактивный продукт, который выпал в осадок при химической реакции на барий. Сначала они предположили, что выделенный элемент – изотоп радия, химически родственного барию, однако дальнейшие исследования привели их к заключению, что выделенный продукт является барием.

Ган опубликовал данные по химическому эксперименту в январе 1939 года, а Мейтнер описала физическое обоснование эксперимента месяцем позже, вместе со своим племянником, физиком Отто Робертом Фришем. Мейтнер заметила, что процесс ядерного деления может породить цепную реакцию, которая может привести к большим выбросам энергии. Это заявление вызвало сенсацию в научной среде. Знания, при помощи которых можно было создать оружие невероятной силы, могли оказаться в немецких руках. Американские учёные Лео Силард, Эдвард Теллер и Юджин Вигнер убедили Альберта Эйнштейна написать предупреждающее письмо президенту Франклину Рузвельту, после чего был создан проект Манхэттен. Будучи по убеждениям пацифисткой, Мейтнер отказалась работать в Лос Аламосе, заявив: «Я не буду делать бомбу!»

Лиза Мейтнер – первая в Германии женщина-физик, смогла получить учёную степень в начале 20-х годов. Название её диссертации «Проблемы космической физики» какому-то журналисту показалось немыслимым, и в газете было напечатано: «Проблемы косметической физики».

Энрико Ферми (1901-1954)

Энрико Ферми – выдающийся итало-американский физик теоретик и экспериментатор, внёсший большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики, один из основоположников квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1938).

В 1926 году Ферми был назначен на должность профессора Римского университета, что стало началом плодотворного периода его жизни. В 1928 году он развил предположенный Л. Томасом метод определения основных состояний многоэлектронных атомов (теория Томаса-Ферми). В 1929-30-х годах Ферми внёс принципиальный вклад в становление квантовой электродинамики, разработав канонические правила квантования электромагнитного поля, отличные от подхода Гейзенберга-Паули.

После 1932 года Ферми целиком погрузился в проблемы ядерной физики. В 1934 году он создал теорию бета-распада. Суть её состояла в том, что при бета-распаде, кроме электрона, испускается ещё нейтрино. Эта теория Ферми явилась прототипом современной теории слабых взаимодействий элементарных частиц.

В 1934 году Ферми выполнил первые крупные экспериментальные работы в области ядерной физики, связанные с облучением элементов нейтронами. Сразу же после открытия Ф. Жолио-Кюри искусственной радиоактивности Ферми пришёл к выводу, что нейтроны, поскольку они не имеют заряда и не будут отталкиваться ядрами, должны быть наиболее эффективным орудием для получения радиоактивных элементов, в том числе трансурановых. Это оригинальное решение оказалось очень плодотворным – было получено более 60 новых радиоактивных изотопов и открыто замедление нейтронов (эффект Ферми).

В науке Ферми всегда оставался молодым, энергичным и одержимым. В возрасте 50 лет, имея богатейший запас знаний в области ядерной энергетики и прекрасную базу для исследований, Ферми изменил направление своей научной деятельности и начинал заниматься физикой частиц высоких энергий и астрофизикой. И здесь он достиг замечательных результатов: создал теорию происхождения космических лучей и раскрыл механизм ускорения частиц в них (1949), разработал статистическую теорию множественного рождения мезонов (1950), открыл изотопическийй квадруплет, ставший первым адронным резонансом (1952), изучал взаимодействие протонов с пи-мезонами.

Одной из особенностей физических идей Ферми является их долголетие. Ряд последних работ великого учёного был оценён лишь после его смерти. Одной из них является совместная работа Ферми и Ч. Янга по составным моделям элементарных частиц, в которой в качестве основных частиц рассматривались нуклоны и антинуклоны (модель Ферми-Янга). Когда она появилась, то многие, даже маститые физики-теоретики были удивлены её «бессодержательностью». Но прошло время, и на основе работы Ферми-Янга появились новые модельные схемы, сыгравшие большую роль в развитии физики элементарных частиц. Одной из последних таких моделей является модель кварков.

Вольфганг Эрнст Паули (1900-1958)

Вольфганг Эрнст Паули – лауреат Нобелевской премии по физике (1945).

Также Паули славился тем, что в его присутствии чувствительная экспериментальная аппаратура переставала работать или даже внезапно ломалась. Это явление известно под названием «эффекта Паули».

Паули внёс существенный вклад в современную физику, особенно в области квантовой механики. Он редко публиковал свои работы, предпочитая этому интенсивный обмен письмами со своими коллегами, в особенности с Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, с которыми он крепко дружил. По этой причине многие из его идей встречаются только в этих письмах, которые часто передавались далее и копировались. Паули, судя по всему, мало заботило то, что по причине малого числа публикаций большая часть его работы была почти не известна широкой общественности. Всё же некоторые факты стали известны:

1924 год: Паули вводит в квантовую механику новую степень свободы, чтобы устранить имевшуюся несостоятельность в интерпретации наблюдаемых молекулярных спектров. Эта степень свободы была в 1925 году идентифицирована Г. Уленбеком и С. Гаудсмитом как спин электрона. При этом Паули формулирует свой принцип запрета, который, по-видимому, стал его главным вкладом в квантовую механику.

1926 год: Вскоре после опубликования Гейзенбергом матричного представления квантовой механики, Паули применяет эту теорию для описания наблюдаемого спектра водорода. Это служит значительным доводом для признания теории Гейзенберга.

1927 год: Паули вводит спиноры для описания спина электрона.

1930 год: Паули постулирует нейтрино. Он осознал, что при бета-распаде нейтрона на протон и электрон законы сохранения энергии и импульса могут выполняться, только если при этом испускается ещё одна, до тех пор неизвестная частица. Так как в тот момент времени доказать существование этой частицы было невозможно, Паули постулировал существование неизвестной частицы. Итальянский физик Энрико Ферми назвал позже эту частицу «нейтрончик»: нейтрино. Экспериментальное доказательство существования нейтрино появилось только в 1954 году.