Ферми. Ядерная энергия

ГЛАВА 2 Мир фермионов

На заре XX века классическая физика уже не выдерживала натиска теории относительности и квантовой механики. Появилось несколько моделей атомов, были доказаны корпускулярно-волновой дуализм и важность статистической физики для изучения мира атомов. Статистическая теория Ферми объяснила поведение многих элементарных частиц, названных в его честь фермионами. С этого момента список частиц, составляющих Вселенную, начал неуклонно расти. Последним открытием стала частица, похожая на бозон Хиггса.

Приехав в Пизу, молодой Ферми получил скромную, холодную, но собственную комнату, а предоставленная ему стипендия позволяла не заботиться о хлебе насущном. Меню студента не отличалось разнообразием, но гораздо больше его внимание привлекала обширная библиотека Нормальной школы. Энрико быстро выполнял учебные задания и продолжал свое образование, выходившее за рамки программы. Наставника Амидеи рядом не было, и Ферми самостоятельно выбирал себе литературу. В его записках того периода часто встречаются аккуратные списки прочитанных книг. В 1919 году Ферми начал изучать первые работы Нильса Бора (1885-1962) о спектре водорода, электронную теорию материи Оуэна Уилланса Ричардсона (1879-1959), тензорное исчисление Туллио Леви-Чивиты (1873-1941), труды по специальной теории относительности, работы Людвига Больцмана (1844-1906) по статистической физике и учебник Эрнеста Резерфорда (1871-1937) по радиоактивности.

Ферми проводил время не только за учебой. В Пизе он познакомился с Франко Разетти, тоже студентом-физиком первого курса, который, как и Ферми, увлекался не только естественными науками, но и горными прогулками. Энрико часто бывал у Разетти дома, где мама товарища готовила лакомства, вносившие разнообразие в однообразную диету юноши в Нормальной школе. Какое-то время друзья развлекались тем, что подшучивали над профессорами. Вместе с товарищами, среди которых был Нелло Каррара, они подвешивали ведра с водой над полузакрытыми дверями, устраивали маленькие взрывы в химической лаборатории и взрывали вонючие бомбочки в классе. К счастью для Ферми, их преподаватель по экспериментальной физике, Луиджи Пуччанти, был очень терпеливым человеком, на специально созванной комиссии он вступился за талантливых студентов и помог им избежать исключения из школы.

Более того, Пуччанти разрешил Ферми, Разетти и Карраре свободно пользоваться лабораториями. В его собственной лаборатории было оборудование для спектроскопии и работы с рентгеновскими лучами, которое имело огромную важность для первых экспериментальных работ Ферми и впоследствии для его докторской диссертации.

Люди должны смириться с тем, что невежество не может быть лучше знания.

Энрико Ферми

В 1920 году Ферми изучил труд немецкого физика Арнольда Зоммерфельда (1868-1951) Atombau und SpektraUinien («Строение атома и спектры»), который считался библией атомной физики. Зоммерфельд был известен как эксперт по теории Бора — Зоммерфельда. В атомной модели датского физика Нильса Бора электроны были распределены вокруг ядра равномерно. По его мнению, они двигались по круговым орбитам, или квантовым уровням (n). Энергия электрона зависела от орбиты, на которой он находился: чем дальше от ядра, тем энергия выше. Радиусы орбит и энергия электронов могли иметь всего несколько численных значений: в атоме водорода энергия электрона была бы примерно равна

E = -13,6 eV/n²

Электрон-вольт (эВ) — это единица, равная количеству энергии, которое нужно затратить, чтобы частицу с зарядом, равным заряду электрона, переместить в электрическом поле на разность потенциалов в один вольт. Это количество примерно равно 1,602-10^-9 Джоуля.

Квантовая механика легла в основу физической научной революции начала XX века и лучше, чем классический подход, объясняла мир атомов. Она описывает поведение частиц и сил, управляющих Вселенной, посредством математических уравнений, определяющих квантовые состояния, в которых может находиться каждая частица или система. Квантовые состояния описываются квантовыми числами (см. таблицу ниже).

В 1924 году французский физик Луи Виктор де Бройль (1892— 1987) в своей докторской диссертации изложил теорию корпускулярно-волнового дуализма и положил конец дискуссии, длившейся несколько веков. Де Бройль доказал, что в таких явлениях, как дифракция, интерференция или преломление, свет ведет себя как волна, а при фотоэлектрическом эффекте, или эффекте Комптона — как частица. Ученый отметил, что так же двойственно ведет себя и материя: у всех частиц длина ассоциированной волны, λ, равна соотношению между постоянной Планка, h, и линейным моментом, p (произведению массы m на скорость v):

В 1923 году американский физик Артур Холли Комптон (1892-1962) привел еще одно доказательство теории фотоэлектрического эффекта Эйнштейна. Комптон измерил рассеивание рентгеновских лучей с точки зрения свободных электронов, то есть обнаружил, что когда лучи сталкиваются со свободными электронами и теряют при этом часть своей энергии, длина их волны увеличивается. Этот феномен, названный в честь своего первооткрывателя эффектом Комптона, нельзя было объяснить, основываясь на волновой теории света. Комптону удалось интерпретировать результаты с позиций теорий Планка и Эйнштейна. Он заметил, что конечная длина волны излучения зависит только от угла направления рассеяния. Разница между начальной длиной волны (λ) и конечной (λ) пропорциональна постоянной Планка и обратно пропорциональна массе электрона в покое (m0) и скорости света (с), коэффициент пропорциональности зависит от угла рассеяния (θ).

Комптон вывел уравнения импульса электрона и фотона после рассеяния на основе закона сохранения линейного импульса, применимого к любому столкновению.

λ = h/p = h/mv

С точки зрения квантовой механики волны и частицы имеют одинаковую двойственную природу. Теория де Бройля подтвердилась, когда британец Джордж Паджет Томсон и американец Клинтон Джозеф Дэвиссон доказали, что электроны способны дифрагировать. За это открытие ученые в 1937 году получили Нобелевскую премию по физике.

Ферми писал 30 января 1920 года своему другу Персико, с которым поддерживал связь и после отъезда в Пизу:

«В Институте физики мой авторитет постепенно растет. На днях я даже должен буду выступать перед разными светилами с лекцией о теории квантов, которую я всегда пропагандирую».

На тот момент Энрико едва исполнилось 18 лет. К этому времени он значительно продвинулся в изучении немецкого и смог прочесть работу Германа Вейля «Пространство. Время. Материя», углубить методы вариационного исчисления в математической физике, усовершенствовать познания в квантовой механике и теории относительности.

Между 1921 и 1926 годами, когда квантовая революция только зарождалась, Ферми заинтересовался общей теорией относительности и с энтузиазмом начал работать над электромагнетизмом и интерпретацией опытов и моделей, которые формировались в ядерной физике. В1921 году, на третьем курсе Пизанской Нормальной школы, юноша опубликовал свои первые работы по электромагнетизму в журнале Nuovo cimento. В первой — «0 динамике системы жестко связанных электрических зарядов, движущейся поступательно» — он противопоставил принцип эквивалентности массы и энергии Эйнштейна

(знаменитое уравнение E = mc2) вычислению массы по теории Лоренца, придя к видимому противоречию, которое он решил год спустя в статье, опубликованной в авторитетном немецком журнале Physikalische Zeitschrift.

Самое известное уравнение в истории — E = mc² — устанавливает тесную связь между массой и энергией. Согласно ему, материя Вселенной имеет огромный запас энергии (E), эквивалентной произведению массы (m) на квадрат скорости света в вакууме (с ≈ 3 • 108 м/с). Уравнение было предложено Альбертом Эйнштейном и стало одним из символов науки.

В своей следующей публикации в Nuovo cimento — «Об электростатике однородного гравитационного поля и о весе электромагнитной массы» — Ферми, опираясь на общую теорию относительности, писал об эффекте однородного и статичного гравитационного поля в системе электрических зарядов, доказывая: электромагнитная масса зарядов равна их материальной массе, то есть m = U/c²> где U — электростатическая энергия системы, а с — скорость света в вакууме.

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 G_αβ приравнивается к тензору напряжения — энергии T_αβ 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

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.

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.

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

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.

Орбиталь типа s

Орбиталь типа d

Орбиталь типа р

Орбиталь типа f

свою догадку независимо от квантовой механики, поэтому он был очень раздосадован, когда узнал, что австрийский ученый опередил его. Индийский физик Шатьендранат Бозе (1894- 1974) ввел 2 июля 1924 года новую статистическую теорию для квантов света и получил формулы Больцмана для излучения черного тела. Ровно через неделю Эйнштейн применил эту статистику для газа со свободными частицами.

В 1926 году Ферми опубликовал работу «О квантовании идеального одноатомного газа», ставшую важнейшим вкладом в физическую науку. В ней он сформулировал теорию идеального одноатомного газа, поведение которого подчиняется принципу исключения Паули.

Энрико Ферми создал новый способ подсчета частиц с полуцелым спином (например, электроны, нейтроны и протоны), приняв, что на каждом уровне может находиться только по одной частице, так что у двух разных частиц не может быть одинаковых квантовых чисел. Распределение Ферми — это функция, определяющая вероятность, с которой частицы находятся на том или ином уровне, от меньшей энергии к большей, всегда в строгом соответствии с принципом исключения, до их полного распределения. Среднее количество частиц ni , которые при температуре Т обладают энергией ε_i, равно

где k_B — постоянная Больцмана, μ — химический потенциал (способность частиц реагировать и растворяться), g_i — кратность вырождения состояния i. В квантовой теории вырождение означает, что один энергетический уровень системы содержит более одного квантового состояния. В невырожденных системах g = 1. Вскоре такой же тип статистики был разработан Дираком, но он и предыдущее распределение получили название статистики и распределения Ферми — Дирака (см. рисунок), хотя сам Дирак настаивал на том, чтобы использовать только фамилию Ферми, поскольку итальянский физик опубликовал работу раньше него. Энергия последнего заполненного состояния называется энергией Ферми, а температура, которому она соответствует, — температурой Ферми. Температура Ферми большей части металлов очень высока, около 10000 °С, поэтому распределение Ферми при температуре окружающей среды близко к ступенчатой функции.

Распределение Ферми — Дирака определяет проводимость металлов, что было доказано Зоммерфельдом — и самим Паули в 1927 году — с помощью анализа свободных электронов. Однако первым его применением мы обязаны британскому физику и астроному Ральфу Говарду Фаулеру, который в 1926 году успешно применил его в астрофизике. В частности, Фаулер доказал, что газ со свободными электронами, находящийся в белом карлике, является вырожденным газом Ферми.

Распределение Ферми — Дирака: вариация n_i, от коэффициента ε_i/μ. Форма распределения Ферми меняется в зависимости от произведения k_BТ. При низких температурах распределение Ферми — Дирака приближается к ступенчатой функции или к единичной функции Хевисайда, кусочнопостоянной математической функции, значение которой (0 или 1) зависит от того, положительное или отрицательное х.

Все известные на данный момент частицы, согласно принципу исключения Паули, делятся на фермионы и бозоны. Они приведены в таблице на этой странице, а на следующей — указано, когда была выдвинута гипотеза об их существовании и когда они были открыты экспериментально.

Два фермиона не могут оставаться в одинаковом квантовом состоянии, то есть иметь одинаковые квантовые числа. Как видно из таблицы, фермионы имеют спин Vi и антисимметричную волновую функцию. Кроме того, согласно принципу исключения Паули, два электрона могут находиться на одном и том же атомном уровне (быть спаренными), только если значения их спинов противоположны друг другу, то есть если они различаются хотя бы спиновым числом.

Все фермионы подчиняются статистике Ферми — Дирака и делятся на две большие группы: кварки — частицы атомного ядра (протоны и нейтроны), участвующие в сильном ядерном взаимодействии, и лептоны, среди которых электроны и нейтрино с электрослабым взаимодействием. Бозоны, находящиеся в симметричных квантовых состояниях и обладающие целым спином, не подчиняются принципу Паули, то есть в одном квантовом состоянии может быть более одного бозона. По этой причине возможен, например, эффект лазера, когда множество фотонов переходит с одного энергетического уровня на другой с таким же квантовым числом. Бозоны следуют статистике Бозе — Эйнштейна и являются носителями сил, с помощью которых частицы взаимодействуют друг с другом.

Все частицы материи были названы фермионами в честь Энрико Ферми, который первым понял статистические принципы функционирования квантовой Вселенной.