Энрико Ферми: Ядролық дәуірдің архитекторi

Кіріспе

Итальяндық-американдық физик (1901–1954)

Энрико Ферми (enˈriːko ˈfermi; 29 қыркүйек 1901 – 28 қараша 1954) – итальяндық, кейіннен америкалық азаматтыққа өткен физик, әлемдегі алғашқы ядролық реактордың – Чикаго Пайл 1-дің жасаушысы және Манхэттен жобасының қатысушысы ретінде белгілі. Ол «ядролық дәуірдің сәулетшісі» және «атом бомбасының сәулетшісі» деп аталды. Ол теміржол министрлігі бөлім басшысы Альберто Ферми мен бастауыш мектеп мұғалімі Ида де Гаттистің үшінші баласы еді. Кішкентай кезінде ол ағасы Джулио сияқты электр моторларын құрастыру және электрлі және механикалық ойыншықтармен ойнауға қызығушылық танытты. Джулио 1915 жылы жұтқыншақ абсцесіне жасалған операция кезінде қайтыс болды, ал Мария 1959 жылы Милан қаласының жанындағы ұшақ апатында көз жұмды. Ферми Кампо-де-Фиоридегі жергілікті базарда 900 беттен тұратын Elementorum physicae mathematicae физика кітабын тапты. Колледжо Романодағы профессор, иезуит әкесі жазған латын тіліндегі бұл кітапта математика, классикалық механика, астрономия, оптика және акустика сол 1840 жылы жарық көрген кездегідей түсіндірілген. Ғылымға бейім дос Энрико Персикомен бірге Ферми гироскоптар жасау және Жердің гравитациялық үдеуін өлшеу сияқты жобаларды жүзеге асырды. 1914 жылы Ферми, жұмыстан кейін әкесімен кеңсе алдында кездесетін, әкесінің әріптесі Адольфо Амидеймен танысты, ол Альбертомен бірге үйге қарай жолдың бір бөлігін жүретін. Энрико Адольфоның математика мен физикаға қызығушылығын білген соң, геометрия туралы сұрақ қоюға мүмкіндік алды. Адольфо жас Фермидің проективтік геометриямен айналысатынын түсініп, осы тақырыпта Теодор Рейдің жазған кітабын берді. Екі айдан кейін Ферми кітапты қайтарды, кітаптың соңындағы барлық есептерді шешкенін көрсетті, олардың кейбіреулері Адольфо үшін қиын болды. Бұл туралы тексергеннен кейін Адольфо Фермиді «кем дегенде геометрия саласында дарынды бала» деп санады және оған физика мен математика бойынша қосымша кітаптар беріп, одан әрі жетекшілік етті. Адольфо Фермидің жақсы жады бар екенін және кітаптарды оқығаннан кейін мазмұнын жақсы есте сақтай алатындықтан қайтара бере алатынын атап өтті.

Enrico Fermi (enˈriːko ˈfermi; 29 September 1901 – 28 November 1954) was an Italian and later naturalized American physicist, renowned for being the creator of the world's first nuclear reactor, the Chicago Pile 1, and a member of the Manhattan Project. He has been called the "architect of the nuclear age" and the "architect of the atomic bomb". He was the third child of Alberto Fermi, a division head in the Ministry of Railways, and Ida de Gattis, an elementary school teacher. As a young boy, he shared the same interests as his brother Giulio, building electric motors and playing with electrical and mechanical toys. Giulio died during an operation on a throat abscess in 1915 and Maria died in an airplane crash near Milan in 1959. At a local market in Campo de' Fiori, Fermi found a physics book, the 900 page Elementorum physicae mathematicae. Written in Latin by Jesuit Father it, a professor at the Collegio Romano, it presented mathematics, classical mechanics, astronomy, optics, and acoustics as they were understood at the time of its 1840 publication. With a scientifically inclined friend, Enrico Persico, Fermi pursued projects such as building gyroscopes and measuring the acceleration of Earth's gravity. In 1914, Fermi, who used to often meet with his father in front of the office after work, met a colleague of his father called Adolfo Amidei, who would walk part of the way home with Alberto. Enrico had learned that Adolfo was interested in mathematics and physics and took the opportunity to ask Adolfo a question about geometry. Adolfo understood that the young Fermi was referring to projective geometry and then proceeded to give him a book on the subject written by Theodor Reye. Two months later, Fermi returned the book, having solved all the problems proposed at the end of the book, some of which Adolfo considered difficult. Upon verifying this, Adolfo felt that Fermi was "a prodigy, at least with respect to geometry", and further mentored the boy, providing him with more books on physics and mathematics. Adolfo noted that Fermi had a very good memory and thus could return the books after having read them because he could remember their content very well.

Пизадағы Scuola Normale Superiore

Ферми 1918 жылдың шілдесінде орта мектепті бітірді, үшінші сыныпты толығымен өткізіп жіберді. Амидейдің ықпалымен Ферми сол кезде көптеген ғылыми мақалалар осы тілде жарық көргендіктен, неміс тілін үйренді және Пизадағы Scuola Normale Superiore-ге түсуге өтініш берді. Амидейдің пікірінше, Scuola Фермидің дамуы үшін Римнің Сапиенца университетінен гөрі жақсы жағдайлар ұсынар еді. Бір ұлын жоғалтқан Фермидің ата-анасы оның Римнен алыс мектеп жатақханасында төрт жыл тұруына тек қана келісім берді. Ферми "Дыбыстардың ерекше сипаттамалары" тақырыбында эссе жазған қабылдау емтиханында бірінші орынды иеленді; 17 жасар Ферми тербелістегі таяқтың ішінара дифференциалдық теңдеуін шығару және шешу үшін Фурье анализін қолданды, ал емтихан комиссиясы Фермимен сұхбаттасқаннан кейін оның керемет физик болатынын мәлімдеді. Scuola Normale Superiore-де Ферми студент Франко Расеттимен әзілдесіп ойнады; екеуі жақын дос және серіктес болды. Фермиге физика зертханасының директоры Луиджи Пуччанти кеңес берді, ол Фермиге көп нәрсе үйрете алмайтынын айтты және көбінесе Фермиден өзіне бірдеңе үйретуін сұрады. Фермидің кванттық физика білімі соншалық, Пуччанти одан осы тақырыпта семинарлар ұйымдастыруды сұрады. Осы кезеңде Ферми жалпы салыстырмалылық теориясының кілті болатын тензорлық есептеуді үйренді. Ферми бастапқыда математика мамандығын таңдады, бірақ көп ұзамай физикаға ауысты. Ол негізінен өзіндік оқу арқылы жалпы салыстырмалылық теориясын, кванттық механиканы және атомдық физиканы зерттеді. 1920 жылдың қыркүйегінде Ферми физика кафедрасына қабылданды. Кафедрада Ферми, Расетти және Нелло Каррара болғандықтан, Пуччанти оларға зертхананы қалаған мақсаттары үшін еркін пайдалануға рұқсат берді. Ферми рентгендік кристаллографияны зерттеуді ұсынды, ал үшеуі бір кристаллдың рентгендік суретін – Лауэ суретін алу үшін жұмыс істеді. 1921 жылы, университеттегі үшінші жылы, Ферми өзінің алғашқы ғылыми еңбектерін итальяндық "Nuovo Cimento" журналында жариялады. Біріншісі "Айналмалы қозғалыстағы электр зарядтарының қатты жүйесінің динамикасы туралы" (Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio) деп аталды. Алдағы жағдайдың белгісі ретінде масса тензор ретінде берілді – үш өлшемді кеңістікте қозғалатын және өзгеретін нәрсені сипаттауға қолданылатын математикалық құрылым. Классикалық механикада масса скаляр шама, ал салыстырмалылық теориясында ол жылдамдыққа байланысты өзгереді. Екінші мақала "Электромагниттік зарядтардың біркелкі гравитациялық өрісінің электростатикасы және электромагниттік зарядтардың салмағы туралы" (Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche) тақырыбында болды. Жалпы салыстырмалылық теориясын қолдана отырып, Ферми зарядтың салмағы U/c2 тең екенін көрсетті, мұнда U – жүйенің электростатикалық энергиясы, ал c – жарық жылдамдығы. Бірінші мақала электродинамикалық теория мен релятивистік теорияның электромагниттік массаларды есептеудегі қарама-қайшылығын көрсеткендей болды, өйткені біріншісі 4/3 U/c2 мәнін болжады. Ферми келесі жылы "Электродинамикалық және электромагниттік массаның релятивистік теориясы арасындағы қарама-қайшылық туралы" мақаласында осы мәселеге тоқталды, онда ол көзге көрінетін қарама-қайшылықтың салыстырмалылықтың салдары екенін көрсетті. Бұл мақала жақсы бағаланғандықтан, ол неміс тіліне аударылып, 1922 жылы неміс ғылыми журналы Physikalische Zeitschrift-те жарияланды. Сол жылы Ферми "Дүние сызығының жанында болатын құбылыстар туралы" (Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria) мақаласын итальяндық Rendiconti Lincei журналына ұсынды. Бұл мақалада ол эквиваленттік принципін зерттеді және "Ферми координаттарын" енгізді. Ол уақыт сызығына жақын дүние сызығында кеңістік Евклид кеңістігі сияқты қасиеттерге ие болатынын дәлелдеді. Ферми 1922 жылдың шілдесінде Scuola Normale Superiore-ге "Сәбестік туралы теорема және оның кейбір қолданыстары" (Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni) атты диссертациясын тапсырды және 20 жасында лауреат атанды. Диссертация рентгендік дифракциялық суреттерге арналған. Италияда теориялық физика әлі де жеке пән ретінде қарастырылмаған, сондықтан тек тәжірибелік физика диссертациясы қабылданатын еді. Осы себепті итальян физиктері Германиядан келген салыстырмалылық теориясы сияқты жаңа идеяларды қабылдауда абайсызда кешікті. Ферми зертханада тәжірибелік жұмыстармен айналысқандықтан, бұл оған үлкен қиындықтар тудырмады. 1923 жылы Август Копфтың "Эйнштейннің салыстырмалылық теориясының негіздері" кітабының итальяндық басылымына қосымша жазғанда, Ферми Эйнштейн теңдеуінің ішінде пайдаланылмаған зор ядролық энергия бар екенін бірінші болып көрсетті. "Жақын болашақта осы қорқынышты энергияны босатудың жолын табу мүмкін емес сияқты", - деп жазды ол, "әрине, бұл жақсы, өйткені мұндай қорқынышты энергияның жарылысының алғашқы салдары физиктің өліміне әкелер еді, егер ол оны босатудың жолын таба қойса". 1924 жылы Ферми Италияның Ұлы Шығысының "Адриано Лемми" ложасына қабылданды. 1923–1924 жылдары Ферми Геттинген университетінде Макс Борнмен бір семестр оқыды, онда Вернер Гейзенберг пен Паскуаль Жорданмен танысты. Ферми 1924 жылдың қыркүйегінен желтоқсанына дейін Лейденде Пол Эренфестпен, Рокфеллер қорының ақшасымен, математик Вито Вольтерраның араласуымен оқыды. Мұнда Ферми Хендрик Лоренц пен Альберт Эйнштейнмен танысты, Сэмюэл Гудсмит пен Ян Тинбергенмен достық қарым-қатынас орнатты. 1925 жылдың қаңтарынан 1926 жылдың соңына дейін Ферми Флоренция университетінде математикалық физика және теориялық механикадан сабақ берді, онда ол Расеттимен бірге сынап буына магниттік өрістердің әсерін зерттеу үшін бірқатар тәжірибелер жүргізді. Ол сонымен қатар Римнің Сапиенца университетінде семинарларға қатысып, кванттық механика және қатты дене физикасы бойынша лекциялар оқыды. Шрёдингер теңдеуінің болжамдарының керемет дәлдігіне қатысты жаңа кванттық механика туралы лекция оқығанда Ферми көбінесе "Мұндай жақсы сәйкес келуіне ешқандай себеп жоқ!" дейтін. Вольфганг Паули 1925 жылы өзінің тыйым салу принципін жариялағаннан кейін, Ферми "Жақсы моноатомдық газдың квантталуы туралы" (Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico) мақала жариялады, онда ол идеал газға тыйым салу принципін қолданды. Бұл мақала Фермидің статистикалық формуласы үшін ерекше көзге түсті, ол көптеген бірдей бөлшектің жүйелерінде бөлшектердің таралуын сипаттайды, олар тыйым салу принципіне бағынады. Бұл британ физигі Пол Дирак тәуелсіз түрде жасады, ол оның Бозе-Эйнштейн статистикасына қалай байланысты екенін көрсетті. Сондықтан қазір бұл Ферми-Дирак статистикасы деп аталады. Дирактан кейін тыйым салу принципіне бағынатын бөлшектер бүгінде "фермиондар" деп, ал бағынбайтындары "бозондар" деп аталады.

Fermi graduated from high school in July 1918, having skipped the third year entirely. At Amidei's urging, Fermi learned German to be able to read the many scientific papers that were published in that language at the time, and he applied to the Scuola Normale Superiore in Pisa. Amidei felt that the Scuola would provide better conditions for Fermi's development than the Sapienza University of Rome could at the time. Having lost one son, Fermi's parents only reluctantly allowed him to live in the school's lodgings away from Rome for four years. Fermi took first place in the difficult entrance exam, which included an essay on the theme of "Specific characteristics of Sounds"; the 17 year old Fermi chose to use Fourier analysis to derive and solve the partial differential equation for a vibrating rod, and after interviewing Fermi the examiner declared he would become an outstanding physicist. At the Scuola Normale Superiore, Fermi played pranks with fellow student Franco Rasetti; the two became close friends and collaborators. Fermi was advised by Luigi Puccianti, director of the physics laboratory, who said there was little he could teach Fermi and often asked Fermi to teach him something instead. Fermi's knowledge of quantum physics was such that Puccianti asked him to organize seminars on the topic. During this time Fermi learned tensor calculus, a technique key to general relativity. Fermi initially chose mathematics as his major, but soon switched to physics. He remained largely self taught, studying general relativity, quantum mechanics, and atomic physics. In September 1920, Fermi was admitted to the physics department. Since there were only three students in the department—Fermi, Rasetti, and Nello Carrara—Puccianti let them freely use the laboratory for whatever purposes they chose. Fermi decided that they should research X ray crystallography, and the three worked to produce a Laue photograph—an X ray photograph of a crystal. During 1921, his third year at the university, Fermi published his first scientific works in the Italian journal Nuovo Cimento. The first was entitled "On the dynamics of a rigid system of electrical charges in translational motion" (Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio). A sign of things to come was that the mass was expressed as a tensor—a mathematical construct commonly used to describe something moving and changing in three dimensional space. In classical mechanics, mass is a scalar quantity, but in relativity, it changes with velocity. The second paper was "On the electrostatics of a uniform gravitational field of electromagnetic charges and on the weight of electromagnetic charges" (Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche). Using general relativity, Fermi showed that a charge has a weight equal to U/c2, where U was the electrostatic energy of the system, and c is the speed of light. The first paper seemed to point out a contradiction between the electrodynamic theory and the relativistic one concerning the calculation of the electromagnetic masses, as the former predicted a value of 4/3 U/c2. Fermi addressed this the next year in a paper "Concerning a contradiction between electrodynamic and the relativistic theory of electromagnetic mass" in which he showed that the apparent contradiction was a consequence of relativity. This paper was sufficiently well regarded that it was translated into German and published in the German scientific journal Physikalische Zeitschrift in 1922. That year, Fermi submitted his article "On the phenomena occurring near a world line" (Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria) to the Italian journal Rendiconti Lincei. In this article he examined the Principle of Equivalence, and introduced the so called "Fermi coordinates". He proved that on a world line close to the timeline, space behaves as if it were a Euclidean space. Fermi submitted his thesis, "A theorem on probability and some of its applications" (Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni), to the Scuola Normale Superiore in July 1922, and received his laurea at the unusually young age of 20. The thesis was on X ray diffraction images. Theoretical physics was not yet considered a discipline in Italy, and the only thesis that would have been accepted was experimental physics. For this reason, Italian physicists were slow in embracing the new ideas like relativity coming from Germany. Since Fermi was quite at home in the lab doing experimental work, this did not pose insurmountable problems for him. While writing the appendix for the Italian edition of the book Fundamentals of Einstein Relativity by August Kopff in 1923, Fermi was the first to point out that hidden inside the Einstein equation was an enormous amount of nuclear potential energy to be exploited. "It does not seem possible, at least in the near future", he wrote, "to find a way to release these dreadful amounts of energy—which is all to the good because the first effect of an explosion of such a dreadful amount of energy would be to smash into smithereens the physicist who had the misfortune to find a way to do it." In 1924, Fermi was initiated into the Masonic Lodge "Adriano Lemmi" of the Grand Orient of Italy. In 1923–1924, Fermi spent a semester studying under Max Born at the University of Göttingen, where he met Werner Heisenberg and Pascual Jordan. Fermi then studied in Leiden with Paul Ehrenfest from September to December 1924 on a fellowship from the Rockefeller Foundation obtained through the intercession of the mathematician Vito Volterra. Here Fermi met Hendrik Lorentz and Albert Einstein, and became friends with Samuel Goudsmit and Jan Tinbergen. From January 1925 to late 1926, Fermi taught mathematical physics and theoretical mechanics at the University of Florence, where he teamed up with Rasetti to conduct a series of experiments on the effects of magnetic fields on mercury vapor. He also participated in seminars at the Sapienza University of Rome, giving lectures on quantum mechanics and solid state physics. While giving lectures on the new quantum mechanics based on the remarkable accuracy of predictions of the Schrödinger equation, Fermi would often say, "It has no business to fit so well!" After Wolfgang Pauli announced his exclusion principle in 1925, Fermi responded with a paper "On the quantization of the perfect monoatomic gas" (Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico), in which he applied the exclusion principle to an ideal gas. The paper was especially notable for Fermi's statistical formulation, which describes the distribution of particles in systems of many identical particles that obey the exclusion principle. This was independently developed soon after by the British physicist Paul Dirac, who also showed how it was related to the Bose–Einstein statistics. Accordingly, it is now known as Fermi–Dirac statistics. After Dirac, particles that obey the exclusion principle are today called "fermions", while those that do not are called "bosons".

Римдегі профессор

Италияда профессорлық лауазымдар бос орынға конкурстық (concorso) түрде берілді, үміткерлерді профессорлар комитеті жарияланымдарына қарай бағалады. Ферми Сардиниядағы Кальяри университетінде математикалық физика кафедрасына өтініш берді, бірақ Джованни Джорджинің пайдасына аздап өткізілді. 1926 жылы 24 жасында ол Римдегі Сапиенца университетіне профессорлық қызметке өтініш берді. Бұл жаңа кафедра, Италиядағы теориялық физикадағы алғашқы үштің бірі, оны Білім министрі профессор Орсо Марио Корбиноның ұсынуымен құрды, ол университеттің эксперименталды физика профессоры, Физика институтының директоры және Бенито Муссолини кабинетінің мүшесі болды. Сондай-ақ, іріктеу комитетінің төрағасы болған Корбино жаңа кафедра Италиядағы физиканың деңгейін және беделін көтереді деп үміттенді. Комитет Фермиді Энрико Персико мен Альдо Понтремолиден жоғары бағалады, ал Корбино Фермиге өз командасын жинауға көмектесті, оған көп ұзамай Эдоардо Амальди, Бруно Понтекорво, Этторе Майорана және Эмилио Сегре сияқты белгілі студенттер қосылды. Ферми оны өзінің көмекшісі етіп тағайындаған Франко Расетти де болды. Көп ұзамай олар Физика институтының орналасқан көшесі бойынша "Виа Панисперна жігіттері" деген лақап атқа ие болды. 1928 жылы 19 шілдеде Ферми университетте ғылым студенті болған Лора Капонға үйленді. Олардың екі баласы болды: 1931 жылы қаңтарда туылған Нелла және 1936 жылы ақпанда туылған Джулио. 1929 жылы 18 наурызда Фермиді Муссолини Италия Корольдік академиясының мүшесі етіп тағайындады, ал 27 сәуірде Фашистік партияға қосылды. Кейіннен ол 1938 жылы итальян фашизмін идеологиялық тұрғыдан неміс нацизміне жақындату үшін Муссолини расалық заңдарды жариялаған кезде фашизмге қарсы шықты. Бұл заңдар еврей болған Лораға қауіп төндірді және Фермидің көптеген ғылыми көмекшілерін жұмыстан шығарып салды. Римде болған кезінде Ферми мен оның тобы физиканың көптеген практикалық және теориялық аспектілеріне маңызды үлес қосты. 1928 жылы ол өзінің "Атомдық физикаға кіріспе" (Introduzione alla fisica atomica) атты еңбегін жариялады, ол итальяндық университет студенттеріне қазіргі заманға сай және қолжетімді мәтінмен қамтамасыз етті. Ферми жаңа физика туралы білімді мүмкіндігінше кеңінен тарату үшін қоғамдық лекциялар өткізді және ғалымдар мен мұғалімдер үшін танымал мақалалар жазды. Оның оқыту әдісінің бір бөлігі - күннің соңында әріптестері мен аспиранттарды жинап, өз зерттеуінен туындаған проблеманы талқылау болды. Бұл жетістіктің бір белгісі - шетелдік студенттердің Италияға келуіне себеп болды. Олардың ішіндегі ең танымал - Рокфеллер қорының стипендиаты ретінде Римге келген неміс физигі Ханс Бете, ол Фермимен 1932 жылы "Екі электронның өзара әрекеттесуі туралы" (Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen) мақаласында бірлесіп жұмыс істеді. Бұл кезде физиктер бета-таралуға таңғалды, онда атом ядросынан электрон шығарылды. Энергияның сақталу заңының орындалуы үшін Паули зарядсыз, массасы аз немесе мүлдем жоқ, сонымен бірге шығарылатын көзге көрінбейтін бөлшектің бар екенін болжады. Ферми бұл идеяны 1933 жылы алдын ала қағаз беттерінде, ал келесі жылы ұзақ қағаз беттерінде ұсынды, Ферми оны "нейтрино" деп атады. Оның теориясы кейін Фермидің өзара әрекеттесуі деп аталды, ал одан кейін әлсіз өзара әрекеттесу теориясы ретінде табиғаттың төрт негізгі күшінің бірін сипаттады. Нейтрино оның өлімінен кейін анықталды, ал оның өзара әрекеттесу теориясы оның неге анықталуы қиын екенін көрсетті. Ол өз жұмысын британдық "Nature" журналына тапсырғанда, сол журналдың редакторы оны қабылдамады, өйткені онда "оқырманның қызығушылығын туғызатын физикалық шындықтан тым алыс" болжамдар бар еді. Фермидің өмірбаянын жазған Дэвид Н. Шварцтың айтуынша, Фермидің журналдан жариялауды сұрағаны таңғаларлық, өйткені сол кезде Nature тек осындай мақалалар туралы қысқаша жазбалар жариялады және тіпті жаңа физикалық теорияны жариялауға жарамсыз болды. Егер де бірдеңе болса, Лондон Корольдік қоғамының іс қағаздары әлдеқайда қолайлы болар еді. Ол кейбір ғалымдардың гипотезасымен келіседі, оған сәйкес британдық журналдың қабылданбауы оның жас әріптестерін (олардың кейбіреулері еврейлер мен солшылдар) 1933 жылдың қаңтарында Гитлер билікке келгеннен кейін неміс ғылыми журналдарына бойкот жасаудан бас тартуға көндірді. Осылайша Ферми теорияны ағылшын тілінде жарияламас бұрын итальян және неміс тілдерінде жариялады. 1968 жылғы ағылшын аудармасының кіріспесінде физик Фред Л. Уилсон мынаны атап өтті: Фермидің теориясы, Паулидің нейтрино туралы ұсынысын күшейте түскеннен басқа, қазіргі физика тарихында ерекше маңызға ие. Ол кезде тек табиғи бета-эмиттерлер ғана белгілі болғандығын естен шығармау керек. Кейіннен позитрон таралуы ашылғанда, бұл процесті Фермидің бастапқы құрылымына оңай қосу мүмкін болды. Оның теориясының негізінде ядромен орбитальды электронды ұстау болжалды және соңынан байқалды. Уақыт өте келе, тәжірибелік деректер айтарлықтай жинақталды. Бета-таралуда көптеген ерекшеліктер байқалғанымен, Фермидің теориясы әрқашан осы қиындыққа жеңіп шықты. Ферми теориясының салдары зор. Мысалы, бета-спектроскопия ядролық құрылымды зерттеу үшін қуатты құрал ретінде пайда болды. Бірақ бұл Фермидің жұмысының ең ықпалды жағы, оның бета-өзара әрекеттесуінің нақты түрі басқа типтегі өзара әрекеттесулерді зерттеу үшін қолайлы үлгіні құрды. Бұл материалдық бөлшектердің тууы мен жойылуының алғашқы сәтті теориясы болды. Бұрын тек фотондар туып, жойылғаны белгілі болған. Наурыз айына қарай Фермидің көмекшісі Джан Карло Уик бета-таралудың Ферми теориясын пайдаланып теориялық түсіндірме берді. Ферми эксперименталды физикаға көшуге шешім қабылдады, Джеймс Чэдвик 1932 жылы ашқан нейтронды пайдаланды. 1934 жылдың наурыз айында Ферми Расеттидің полоний-бериллий нейтрондық көзімен радиоактивтілікті тудыра алатынын көргісі келді. Нейтрондар электр зарядына ие болмағандықтан, олар оң зарядталған ядродан бұрылмастан өтеді. Бұл олардың зарядталған бөлшектерге қарағанда ядроға енуі үшін әлдеқайда аз энергия қажет екенін білдіреді, сондықтан Виа Панисперна жігіттерінде болмаған бөлшектерді үдеткіші қажет болмайды. Ферми полоний-бериллий нейтрондық көзін радон-бериллиймен ауыстыру туралы идеяны ұсынды, ол бериллий ұнтағымен толтырылған шыны шамды толтыру, ауаны эвакуациялау және содан кейін оған 50 мКи радон газын қосу арқылы жасалды, оны ол жеткізді. Бұл радонның 3,8 күндік жартылай өмірімен төмендеген, әлдеқайда күшті нейтрондық көзді жасады. Ол бұл көздің гамма сәулелерін де шығаратынын білді, бірақ оның теориясына сүйене отырып, бұл эксперимент нәтижелеріне әсер етпейді деп сенді. Ол платинамен бомбалаудан бастады, ол жоғары атомдық саны бар және оңай қол жетімді элемент, бірақ сәттілікке жетпеді. Ол алюминийге көшті, ол альфа бөлшегін шығарды және натрийді жасады, ол содан кейін бета бөлшегінің шығарылуы арқылы магнийге ыдырайды. Ол сәттіліксіз қорғасынды сынады, содан кейін кальций фториді түріндегі фторды сынады, ол альфа бөлшегін шығарды және азотты жасады, ол бета бөлшегінің шығарылуы арқылы оттегіге ыдырайды. Барлығында ол 22 түрлі элементте радиоактивтілікті тудырды. Ферми нейтронмен туындаған радиоактивтіліктің ашылуын итальяндық "La Ricerca Scientifica" журналында 25 наурыз 1934 жылы жылдам баяндады. Торий мен уранның табиғи радиоактивтілігі осы элементтер нейтрондармен бомбаланғанда не болып жатқанын анықтауды қиын етті, бірақ ураннан ауыр, қорғасыннан жеңіл элементтердің болуын дұрыс жойғаннан кейін Ферми олар жаңа элементтер жасады деп қорытындылады, ол оларды аузений және геспериум деп атады. Химик Ида Ноддак кейбір эксперименттер қорғасыннан жеңіл элементтерді жасаған болуы мүмкін, жаңа, ауыр элементтер емес деп болжады.

Professorships in Italy were granted by competition (concorso) for a vacant chair, the applicants being rated on their publications by a committee of professors. Fermi applied for a chair of mathematical physics at the University of Cagliari on Sardinia, but was narrowly passed over in favour of Giovanni Giorgi. In 1926, at the age of 24, he applied for a professorship at the Sapienza University of Rome. This was a new chair, one of the first three in theoretical physics in Italy, that had been created by the Minister of Education at the urging of professor Orso Mario Corbino, who was the university's professor of experimental physics, the director of the Institute of Physics, and a member of Benito Mussolini's cabinet. Corbino, who also chaired the selection committee, hoped that the new chair would raise the standard and reputation of physics in Italy. The committee chose Fermi ahead of Enrico Persico and Aldo Pontremoli, and Corbino helped Fermi recruit his team, which was soon joined by notable students such as Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana and Emilio Segrè, and by Franco Rasetti, whom Fermi had appointed as his assistant. They soon nicknamed the "Via Panisperna boys" after the street where the Institute of Physics was located. Fermi married Laura Capon, a science student at the university, on 19 July 1928. They had two children: Nella, born in January 1931, and Giulio, born in February 1936. On 18 March 1929, Fermi was appointed a member of the Royal Academy of Italy by Mussolini, and on 27 April he joined the Fascist Party. He later opposed Fascism when the 1938 racial laws were promulgated by Mussolini in order to bring Italian Fascism ideologically closer to German Nazism. These laws threatened Laura, who was Jewish, and put many of Fermi's research assistants out of work. During their time in Rome, Fermi and his group made important contributions to many practical and theoretical aspects of physics. In 1928, he published his Introduction to Atomic Physics (Introduzione alla fisica atomica), which provided Italian university students with an up to date and accessible text. Fermi also conducted public lectures and wrote popular articles for scientists and teachers in order to spread knowledge of the new physics as widely as possible. Part of his teaching method was to gather his colleagues and graduate students together at the end of the day and go over a problem, often from his own research. A sign of success was that foreign students now began to come to Italy. The most notable of these was the German physicist Hans Bethe, who came to Rome as a Rockefeller Foundation fellow, and collaborated with Fermi on a 1932 paper "On the Interaction between Two Electrons" (Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen). At this time, physicists were puzzled by beta decay, in which an electron was emitted from the atomic nucleus. To satisfy the law of conservation of energy, Pauli postulated the existence of an invisible particle with no charge and little or no mass that was also emitted at the same time. Fermi took up this idea, which he developed in a tentative paper in 1933, and then a longer paper the next year that incorporated the postulated particle, which Fermi called a "neutrino". His theory, later referred to as Fermi's interaction, and still later as the theory of the weak interaction, described one of the four fundamental forces of nature. The neutrino was detected after his death, and his interaction theory showed why it was so difficult to detect. When he submitted his paper to the British journal Nature, that journal's editor turned it down because it contained speculations which were "too remote from physical reality to be of interest to readers". According to Fermi's biographer David N. Schwartz, it is at least strange that Fermi seriously requested publication from the journal, since at that time Nature only published short notes on articles of this kind, and was not suitable for the publication of even a new physical theory. More suitable, if anything, would have been the Proceedings of the Royal Society of London. He agrees with some scholars' hypothesis, according to which the rejection of the British magazine convinced his young colleagues (some of them Jews and leftist) to give up the boycott of German scientific magazines, after Hitler came to power in January 1933. Thus Fermi saw the theory published in Italian and German before it was published in English. In the introduction to the 1968 English translation, physicist Fred L. Wilson noted that:quote|Fermi's theory, aside from bolstering Pauli's proposal of the neutrino, has a special significance in the history of modern physics. One must remember that only the naturally occurring β emitters were known at the time the theory was proposed. Later when positron decay was discovered, the process was easily incorporated within Fermi's original framework. On the basis of his theory, the capture of an orbital electron by a nucleus was predicted and eventually observed. With time, experimental data accumulated significantly. Although peculiarities have been observed many times in β decay, Fermi's theory always has been equal to the challenge. The consequences of the Fermi theory are vast. For example, β spectroscopy was established as a powerful tool for the study of nuclear structure. But perhaps the most influential aspect of this work of Fermi is that his particular form of the β interaction established a pattern that has been appropriate for the study of other types of interactions. It was the first successful theory of the creation and annihilation of material particles. Previously, only photons had been known to be created and destroyed. By March, Fermi's assistant Gian Carlo Wick had provided a theoretical explanation using Fermi's theory of beta decay. Fermi decided to switch to experimental physics, using the neutron, which James Chadwick had discovered in 1932. In March 1934, Fermi wanted to see if he could induce radioactivity with Rasetti's polonium beryllium neutron source. Neutrons had no electric charge, and so would not be deflected by the positively charged nucleus. This meant that they needed much less energy to penetrate the nucleus than charged particles, and so would not require a particle accelerator, which the Via Panisperna boys did not have. Fermi had the idea to resort to replacing the polonium beryllium neutron source with a radon beryllium one, which he created by filling a glass bulb with beryllium powder, evacuating the air, and then adding 50 mCi of radon gas, supplied by it. This created a much stronger neutron source, the effectiveness of which declined with the 3.8 day half life of radon. He knew that this source would also emit gamma rays, but, on the basis of his theory, he believed that this would not affect the results of the experiment. He started by bombarding platinum, an element with a high atomic number that was readily available, without success. He turned to aluminium, which emitted an alpha particle and produced sodium, which then decayed into magnesium by beta particle emission. He tried lead, without success, and then fluorine in the form of calcium fluoride, which emitted an alpha particle and produced nitrogen, decaying into oxygen by beta particle emission. In all, he induced radioactivity in 22 different elements. Fermi rapidly reported the discovery of neutron induced radioactivity in the Italian journal La Ricerca Scientifica on 25 March 1934. The natural radioactivity of thorium and uranium made it hard to determine what was happening when these elements were bombarded with neutrons but, after correctly eliminating the presence of elements lighter than uranium but heavier than lead, Fermi concluded that they had created new elements, which he called ausenium and hesperium. The chemist Ida Noddack suggested that some of the experiments could have produced lighter elements than lead rather than new, heavier elements. Her suggestion was not taken seriously at the time because her team had not carried out any experiments with uranium or built the theoretical basis for this possibility. At that time, fission was thought to be improbable if not impossible on theoretical grounds. While physicists expected elements with higher atomic numbers to form from neutron bombardment of lighter elements, nobody expected neutrons to have enough energy to split a heavier atom into two light element fragments in the manner that Noddack suggested. The Via Panisperna boys also noticed some unexplained effects. The experiment seemed to work better on a wooden table than on a marble tabletop. Fermi remembered that Joliot Curie and Chadwick had noted that paraffin wax was effective at slowing neutrons, so he decided to try that. When neutrons were passed through paraffin wax, they induced a hundred times as much radioactivity in silver compared with when it was bombarded without the paraffin. Fermi guessed that this was due to the hydrogen atoms in the paraffin. Those in wood similarly explained the difference between the wooden and the marble tabletops. This was confirmed by repeating the effect with water. He concluded that collisions with hydrogen atoms slowed the neutrons. The lower the atomic number of the nucleus it collides with, the more energy a neutron loses per collision, and therefore the fewer collisions that are required to slow a neutron down by a given amount. Fermi realised that this induced more radioactivity because slow neutrons were more easily captured than fast ones. He developed a diffusion equation to describe this, which became known as the Fermi age equation. In 1938, Fermi received the Nobel Prize in Physics at the age of 37 for his "demonstrations of the existence of new radioactive elements produced by neutron irradiation, and for his related discovery of nuclear reactions brought about by slow neutrons". After Fermi received the prize in Stockholm, he did not return home to Italy but rather continued to New York City with his family in December 1938, where they applied for permanent residency. The decision to move to America and become US citizens was due primarily to the racial laws in Italy.

Манхэттен жобасы

Ферми 1939 жылдың 2 қаңтарында Нью-Йорк қаласына келді. Оған бірден бес университеттен қызметтер ұсынылды, ал ол Колумбия университетіндегі біреуін қабылдады, онда ол 1936 жылы жазғы лекциялар оқыған. 1938 жылдың желтоқсан айында неміс химиктері Отто Хан мен Фриц Страссманның уранды нейтрондармен бомбалау нәтижесінде барий элементін анықтағанын естіді, оны Лиза Мейтнер мен оның жүрегі туысы Отто Фриш ядролық бөлінудің нәтижесі деп дұрыс түсіндірді. Фриш 1939 жылдың 13 қаңтарында бұл тұжырымды тәжірибе жүзінде растады. Мейтнер мен Фриштің Хан мен Страссманның жаңалығы туралы хабары Принстон университетінде лекция оқып жүрген Нильс Бормен бірге Атлант мұхитын кесіп өтті. Принстонда жұмыс істеген Колумбия университетінің екі физигі Исидор Исаак Раби мен Уиллис Лэмб осы жаңалықты біліп, Колумбияға жеткізді. Раби Энрико Фермиге айтқанын мәлімдеді, бірақ Ферми кейін Лэмбке сенім артты: «Ноддак соңында ақиқатты айтқан екен». Ферми өз есептеулерінің негізінде бөліну мүмкін емесін жоққа шығарған, бірақ ол нейтрондардың тақ саны бар нуклидтің қосымша нейтронды сіңіргенде пайда болатын байланыс энергиясын ескермеген. Ферми үшін бұл жаңалық үлкен ұят болды, өйткені ол Нобель сыйлығын алған трансурандық элементтер шын мәнінде трансурандық емес, бөліну өнімдері болып шықты. Ол Нобель сыйлығын қабылдау сөйлеуіне осыған қатысты түсіндірме қосты. Келесі күні Вашингтонда Джордж Вашингтон университеті мен Карнеги институтының бірлестігімен ұйымдастырылған теориялық физика жөніндегі бесінші Вашингтон конференциясы басталды. Бұл жерде ядролық бөліну туралы жаңалық одан әрі таралып, көптеген тәжірибелік демонстрацияларға мүмкіндік берді. Француз ғалымдары Ханс фон Халбан, Лью Коварски және Фредерик Жолио Кюри нейтрондармен бомбаланған уранның сіңірілгенінен гөрі көбірек нейтрондарды шығаратынын көрсетті, бұл тізбекті реакцияның болу мүмкіндігін көрсетеді. Ферми мен Андерсон да бірнеше аптадан кейін солай істеді. Лео Силард Канаданың Eldorado Gold Mines Limited радий өндірушісінен уран оксидін алды, бұл Ферми мен Андерсонға бөлінумен үлкен масштабта тәжірибелер жүргізуге мүмкіндік берді. Бірақ олардың жұмыс әдеттері мен мінез-құлқы әртүрлі болды, Фермиге Силардпен жұмыс істеу қиын болды. Ферми әскери басшыларды ядролық энергияның әлеуетті әсері туралы ескерткендердің бірі болды, ол 1939 жылдың 18 наурызында Әскери-теңіз департаментінде осы тақырыпта лекция оқыды. Жауап оның күткенінен төмен болды, бірақ Әскери-теңіз флоты Колумбиядағы одан әрі зерттеулер үшін 1500 доллар бөлуге келісті. Кейін сол жылы Силард, Юджин Вигнер және Эдвард Теллер Айнштейннің қолы қойылған хатты АҚШ президенті Франклин Рузвельтке жіберді, онда нацистер Германиясы атом бомбасын жасауға тырысуы мүмкін екені туралы ескертілді. Жауап ретінде Рузвельт мәселені зерттеу үшін Уран жөніндегі консультативтік комитет құрды. Уран жөніндегі консультативтік комитет Фермиге графит сатып алуға қаражат берді, ол Пюпин-холл зертханасының жетінші қабатында графит кірпіштерінен үйінді жасады. 1941 жылдың тамызына қарай ол алты тонна уран оксиді мен отыз тонна графитке ие болды, оны Колумбиядағы Шермерхорн залында одан да үлкен үйінді жасау үшін пайдаланды. Қазір Уран жөніндегі консультативтік комитет деп аталатын Ғылыми зерттеулер және даму басқармасының S 1 бөлімі 1941 жылдың 18 желтоқсанында АҚШ-тың Екінші дүниежүзілік соғысқа қатысқан кезде кездесті, бұл оның жұмысын шұғыл етті. Комитет демеушілік еткен жұмыстың көп бөлігі байытылған уранды өндіруге бағытталған, бірақ Комитет мүшесі Артур Комптон мүмкін болатын балама плутоний екенін анықтады, оны 1944 жылдың соңына дейін ядролық реакторларда жаппай өндіруге болады. Ол плутоний жұмыстарын Чикаго университетінде шоғырландыруды шешті. Ферми өте қиындықпен көшті, ал оның тобы жаңа Металлургиялық зертхананың құрамына енді. Өзін-өзі ұстап тұратын ядролық реакцияның мүмкін болатын нәтижелері белгісіз болды, сондықтан Чикаго университетінің кампусында бірінші ядролық реакторды салу ақылға қонымсыз болып көрінді. Комптон Аргонн орманындағы орманды қорғауға арналған жерді тапты. Stone & Webster компаниясы бұл жерді дамыту үшін келісімшарт жасады, бірақ жұмыс өндірістік даудан тоқтатылды. Ферми кейін Комптонды реакторды Чикаго университетінің Стагг-филд стадионының астындағы сквош алаңына салуға көндірді. Құрылыс 1942 жылдың 6 қарашасында басталды, ал Чикаго үйіндісі 1 1942 жылдың 2 желтоқсанында күрделі күйге түсті. Үйіндінің пішіні шамамен шар тәрізді болуы тиіс еді, бірақ жұмыс жүріп жатқанда Ферми жоспарланғандай бүкіл үйіндіні аяқтамай-ақ күрделілікке қол жеткізуге болатынын есептеді. Бұл тәжірибе энергияны іздеуде маңызды кезең болды және Фермидің тәсіліне тән болды. Әр қадам мұқият жоспарланды, әр есептеу ұқыпты жасалды. Бірінші өзін-өзі ұстап тұратын ядролық тізбекті реакция орындалғанда, Комптон Ұлттық қорғаныс зерттеу комитетінің төрағасы Джеймс Б. Конантқа кодталған телефон қосылысын жасады. Зерттеуді жалғастыру үшін, ол халық денсаулығына қауіп тудырмауы үшін реакторды бөлшектеп, Аргонн орманына көшірді. Бұл жерде Ферми ядролық реакциялар бойынша тәжірибелерге жетекшілік етті, реактордың көптеген бос нейтрондар өндіру мүмкіндігіне қуанды. Зертхана жақын арада физика мен инженериядан реакторды биологиялық және медициналық зерттеулерде пайдалануға көшті. Бастапқыда Аргонн Чикаго университетінің бір бөлігі ретінде Ферми басқарып келді, бірақ 1944 жылдың мамырында ол жекеленді, Ферми оның директоры болды. 1943 жылдың 4 қарашасында Ок-Ридждегі X 10 графит реакторы күрделі күйге келгенде Ферми де болды, егер бірдеңе дұрыс болмаса. Техниктер оны ерте оятты, осыны көру үшін. X 10 операциялық жағдайға келтіру плутоний жобасындағы тағы бір маңызды кезең болды. Ол реактор дизайны туралы деректерді, реакторды пайдалану бойынша DuPont қызметкерлерін оқытуды және алғашқы шағын мөлшерде реакторда өндірілген плутонийді қамтамасыз етті. Ферми 1944 жылдың шілдесінде америкалық азаматтыққа қол жеткізді, заң рұқсат берген ең ерте мерзім. 1944 жылдың қыркүйегінде Ферми Ханафорд алаңындағы B реакторына алғашқы уран отын тілімін енгізді, плутонийді жаппай өндіруге арналған реактор. X 10 сияқты, ол Фермидің Металлургиялық зертханасындағы тобымен жобаланған және DuPont құрылысын салған, бірақ ол әлдеқайда үлкен және сумен салқындатылған. Келесі күндерде 838 түтік жүктелді, ал реактор күрделі күйге келді. 27 қыркүйектің жарты түнінен кейін операторлар өндірісті бастау үшін басқару таяқшаларын шығара бастады. Бастапқыда бәрі жақсы болғандай көрінді, бірақ шамамен 03:00-де қуат деңгейі төмендеп, 06:30-ға қарай реактор толығымен тоқтады. Армия мен DuPont жауапты екенін анықтау үшін Фермидің тобына жүгінді. Салқындату суында ағып кету немесе ластану бар-жоғы тексерілді. Келесі күні реактор кенеттен қайта іске қосылды, бірақ бірнеше сағаттан кейін қайтадан тоқтады. Мәселе ксенон 135 немесе Xe 135-тен туындаған нейтрондық улануға байланысты болды, бұл 9,1-ден 9,4 сағатқа дейін жартылай өмірге ие бөліну өнімі. Ферми мен Джон Уилер екеуі де Xe 135 реактордағы нейтрондарды сіңіріп алып, осылайша бөліну процесін саботаждайтынын анықтады. Ферми әріптесі Эмилио Сегре одан Чен Шиунг Вуға сұрауды ұсынды, өйткені ол осы тақырыпта Physical Review журналында жариялануға дайындалған басылымдық нұсқаны дайындады. Нұсқаны оқығаннан кейін Ферми мен ғалымдар өз күдіктерін растады: Xe 135 шындығында нейтрондарды сіңіріп алады, шындығында оның үлкен нейтрондық қимасы бар. DuPont Металлургиялық зертхананың бастапқы дизайнынан, онда реакторда шеңбер бойынша орналасқан 1500 түтік болған, ауытқып, бұрыштарды толтыру үшін 504 түтік қосты. Ғалымдар бұрын осыны артық инженерия деп есептеген, бірақ Ферми барлық 2004 түтік жүктелген жағдайда реактор қажетті қуат деңгейіне жететінін және плутонийді тиімді өндіретінін түсінді. 1943 жылдың сәуір айында Ферми Роберт Оппен...

Fermi arrived in New York City on 2 January 1939. He was immediately offered positions at five universities, and accepted one at Columbia University, where he had already given summer lectures in 1936. He received the news that in December 1938, the German chemists Otto Hahn and Fritz Strassmann had detected the element barium after bombarding uranium with neutrons, which Lise Meitner and her nephew Otto Frisch correctly interpreted as the result of nuclear fission. Frisch confirmed this experimentally on 13 January 1939. The news of Meitner and Frisch's interpretation of Hahn and Strassmann's discovery crossed the Atlantic with Niels Bohr, who was to lecture at Princeton University. Isidor Isaac Rabi and Willis Lamb, two Columbia University physicists working at Princeton, found out about it and carried it back to Columbia. Rabi said he told Enrico Fermi, but Fermi later gave the credit to Lamb:

Noddack was proven right after all. Fermi had dismissed the possibility of fission on the basis of his calculations, but he had not taken into account the binding energy that would appear when a nuclide with an odd number of neutrons absorbed an extra neutron. For Fermi, the news came as a profound embarrassment, as the transuranic elements that he had partly been awarded the Nobel Prize for discovering had not been transuranic elements at all, but fission products. He added a footnote to this effect to his Nobel Prize acceptance speech. The next day, the Fifth Washington Conference on Theoretical Physics began in Washington, D. C. under the joint auspices of George Washington University and the Carnegie Institution of Washington. There, the news on nuclear fission was spread even further, fostering many more experimental demonstrations. French scientists Hans von Halban, Lew Kowarski, and Frédéric Joliot Curie had demonstrated that uranium bombarded by neutrons emitted more neutrons than it absorbed, suggesting the possibility of a chain reaction. Fermi and Anderson did so too a few weeks later. Leó Szilárd obtained of uranium oxide from Canadian radium producer Eldorado Gold Mines Limited, allowing Fermi and Anderson to conduct experiments with fission on a much larger scale. But their work habits and personalities were different, and Fermi had trouble working with Szilárd. Fermi was among the first to warn military leaders about the potential impact of nuclear energy, giving a lecture on the subject at the Navy Department on 18 March 1939. The response fell short of what he had hoped for, although the Navy agreed to provide $1,500 towards further research at Columbia. Later that year, Szilárd, Eugene Wigner, and Edward Teller sent the letter signed by Einstein to US president Franklin D. Roosevelt, warning that Nazi Germany was likely to build an atomic bomb. In response, Roosevelt formed the Advisory Committee on Uranium to investigate the matter. The Advisory Committee on Uranium provided money for Fermi to buy graphite, and he built a pile of graphite bricks on the seventh floor of the Pupin Hall laboratory. By August 1941, he had six tons of uranium oxide and thirty tons of graphite, which he used to build a still larger pile in Schermerhorn Hall at Columbia. The S 1 Section of the Office of Scientific Research and Development, as the Advisory Committee on Uranium was now known, met on 18 December 1941, with the US now engaged in World War II, making its work urgent. Most of the effort sponsored by the committee had been directed at producing enriched uranium, but Committee member Arthur Compton determined that a feasible alternative was plutonium, which could be mass produced in nuclear reactors by the end of 1944. He decided to concentrate the plutonium work at the University of Chicago. Fermi reluctantly moved, and his team became part of the new Metallurgical Laboratory there. The possible results of a self sustaining nuclear reaction were unknown, so it seemed inadvisable to build the first nuclear reactor on the University of Chicago campus in the middle of the city. Compton found a location in the Argonne Woods Forest Preserve, about from Chicago. Stone & Webster was contracted to develop the site, but the work was halted by an industrial dispute. Fermi then persuaded Compton that he could build the reactor in the squash court under the stands of the University of Chicago's Stagg Field. Construction of the pile began on 6 November 1942, and Chicago Pile 1 went critical on 2 December. The shape of the pile was intended to be roughly spherical, but as work proceeded Fermi calculated that criticality could be achieved without finishing the entire pile as planned. This experiment was a landmark in the quest for energy, and it was typical of Fermi's approach. Every step was carefully planned, and every calculation was meticulously done. When the first self sustained nuclear chain reaction was achieved, Compton made a coded phone call to James B. Conant, the chairman of the National Defense Research Committee. To continue the research where it would not pose a public health hazard, the reactor was disassembled and moved to the Argonne Woods site. There Fermi directed experiments on nuclear reactions, reveling in the opportunities provided by the reactor's abundant production of free neutrons. The laboratory soon branched out from physics and engineering into using the reactor for biological and medical research. Initially, Argonne was run by Fermi as part of the University of Chicago, but it became a separate entity with Fermi as its director in May 1944. When the air cooled X 10 Graphite Reactor at Oak Ridge went critical on 4 November 1943, Fermi was on hand just in case something went wrong. The technicians woke him early so that he could see it happen. Getting X 10 operational was another milestone in the plutonium project. It provided data on reactor design, training for DuPont staff in reactor operation, and produced the first small quantities of reactor bred plutonium. Fermi became an American citizen in July 1944, the earliest date the law allowed. In September 1944, Fermi inserted the first uranium fuel slug into the B Reactor at the Hanford Site, the production reactor designed to breed plutonium in large quantities. Like X 10, it had been designed by Fermi's team at the Metallurgical Laboratory and built by DuPont, but it was much larger and was water cooled. Over the next few days, 838 tubes were loaded, and the reactor went critical. Shortly after midnight on 27 September, the operators began to withdraw the control rods to initiate production. At first, all appeared to be well, but around 03:00, the power level started to drop and by 06:30 the reactor had shut down completely. The Army and DuPont turned to Fermi's team for answers. The cooling water was investigated to see if there was a leak or contamination. The next day the reactor suddenly started up again, only to shut down once more a few hours later. The problem was traced to neutron poisoning from xenon 135 or Xe 135, a fission product with a half life of 9.1 to 9.4 hours. Fermi and John Wheeler both deduced that Xe 135 was responsible for absorbing neutrons in the reactor, thereby sabotaging the fission process. Fermi was recommended by colleague Emilio Segrè to ask Chien Shiung Wu, as she prepared a printed draft on this topic to be published by the Physical Review. Upon reading the draft, Fermi and the scientists confirmed their suspicions: Xe 135 indeed absorbed neutrons, in fact it had a huge neutron cross section. DuPont had deviated from the Metallurgical Laboratory's original design in which the reactor had 1,500 tubes arranged in a circle, and had added 504 tubes to fill in the corners. The scientists had originally considered this over engineering a waste of time and money, but Fermi realized that if all 2,004 tubes were loaded, the reactor could reach the required power level and efficiently produce plutonium. In April 1943, Fermi raised with Robert Oppenheimer the possibility of using the radioactive byproducts from enrichment to contaminate the German food supply. The background was fear that the German atomic bomb project was already at an advanced stage, and Fermi was also skeptical at the time that an atomic bomb could be developed quickly enough. Oppenheimer discussed the "promising" proposal with Edward Teller, who suggested the use of strontium 90. James B. Conant and Leslie Groves were also briefed, but Oppenheimer wanted to proceed with the plan only if enough food could be contaminated with the weapon to kill half a million people. In mid 1944, Oppenheimer persuaded Fermi to join his Project Y at Los Alamos, New Mexico. Arriving in September, Fermi was appointed an associate director of the laboratory, with broad responsibility for nuclear and theoretical physics, and was placed in charge of F Division, which was named after him. F Division had four branches: F 1 Super and General Theory under Teller, which investigated the "Super" (thermonuclear) bomb; F 2 Water Boiler under L. D. P. King, which looked after the "water boiler" aqueous homogeneous research reactor; F 3 Super Experimentation under Egon Bretscher; and F 4 Fission Studies under Anderson. Fermi observed the Trinity test on 16 July 1945 and conducted an experiment to estimate the bomb's yield by dropping strips of paper into the blast wave. He paced off the distance they were blown by the explosion, and calculated the yield as ten kilotons of TNT; the actual yield was about 18.6 kilotons. Along with Oppenheimer, Compton, and Ernest Lawrence, Fermi was part of the scientific panel that advised the Interim Committee on target selection. The panel agreed with the committee that atomic bombs would be used without warning against an industrial target. Like others at the Los Alamos Laboratory, Fermi found out about the atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki from the public address system in the technical area. Fermi did not believe that atomic bombs would deter nations from starting wars, nor did he think that the time was ripe for world government. He therefore did not join the Association of Los Alamos Scientists.

Соғыстан кейінгі жұмыс

Ферми 1 шілде 1945 жылы Чикаго университетінің Чарльз Х. Свифт атындағы физика профессоры болды, бірақ ол отбасымен бірге Лос-Аламос зертханасынан 31 желтоқсан 1945 жылға дейін шықпады. 1945 жылы АҚШ Ұлттық ғылым академиясының мүшесі болып сайланды. Металлургиялық зертхана 1 шілде 1946 жылы Манхэттен жобасымен құрылған ұлттық зертханалардың алғашқысы – Аргонн ұлттық зертханасына айналды. Чикаго мен Аргонн арасындағы аз қашықтық Фермиге екі жерде де жұмыс істеуге мүмкіндік берді. Аргоннда ол эксперименталды физиканы жалғастырып, Леона Маршаллмен бірге нейтронның шашырауын зерттеді. Сондай-ақ, ол Мария Майермен теориялық физика тақырыбын талқылап, оған спин-орбиталық байланыс туралы түсінік дамытуға көмектесті, бұл оның Нобель сыйлығын алуына себеп болды. 1947 жылдың 1 қаңтарында Манхэттен жобасы Атом энергиясы жөніндегі комиссиямен (АЭК) алмастырылды. Ферми Роберт Оппенгеймер төрағалық еткен ықпалды ғылыми комитет – АЭК Бас кеңесшілер комитетіне мүше болды. Ол жыл сайын Лос-Аламос ұлттық зертханасында бірнеше апта өткізіп, Николас Метрополис және Джон фон Нейманмен бірге әртүрлі тығыздықтағы екі сұйықтықтың шекарасында болатын құбылысты зерттеді – Rayleigh-Taylor тұрақсыздығы. 1949 жылдың тамызында алғашқы советтік ядролық бомбасы сынақтан өткеннен кейін Ферми Исидор Рабимен бірге комитетке сутек бомбасын жасауға қарсы моральдық және техникалық негіздермен жазылған қатаң баяндама ұсынды. Дегенмен Ферми Лос-Аламоста сутек бомбасы бойынша жұмыстарға кеңесші ретінде қатысуын жалғастырды. Станислав Уламмен бірге ол Теллердің термоядролық қару моделі үшін қажетті тритий мөлшерінің тым көп екенін, тіпті осы үлкен мөлшерде де синтез реакциясының жүзеге асуына кепілдік берілмейтінін есептеді. Ферми 1954 жылы Оппенгеймердің қауіпсіздік рұқсатынан айырылуына әкеп соққан Оппенгеймердің қауіпсіздік тыңдауында оның қорғанында куәлік берген ғалымдардың бірі болды. Өмірінің соңғы жылдары Ферми Чикаго университетінде оқытуын жалғастырды, ол кейіннен Энрико Ферми институты болып танымал болған мекеменің негізін қалады. Соғыстан кейінгі кезеңдегі докторлық диссертацияларын Оуэн Чемберлен, Джеффри Чью, Джером Фридман, Марвин Голдбергер, Цунг Дао Ли, Артур Розенфельд және Сэм Трейман қорғады. Джек Штайнбергер аспирантурада оқыды, ал Милдред Дресельхаус докторлық диссертациясын оқыған жылы Фермидің ықпалына түсті. Ферми бөлшектер физикасы саласында, әсіресе пиондар мен мюондарға қатысты маңызды зерттеулер жүргізді. Ол пион-ядролық резонанс туралы алғашқы болжамдарды статистикалық әдістерге сүйене отырып жасады, себебі теория дұрыс болмаған жағдайда нақты жауаптар қажет емес деп ойлады. Чэнь Нинг Янмен бірлесіп жазған мақаласында пиондардың күрделі бөлшектер болуы мүмкін деген болжам жасады. Бұл идеяны Шоичи Саката дамытты. Кейін бұл орынды кварк моделі басып алды, онда пион кварктардан тұрады, бұл Фермидің моделін толықтырып, оның тәсілін растады. Ферми "Космикалық сәулеленудің пайда болуы туралы" мақала жазды, онда ол ғарыштық сәулелердің жұлдызаралық кеңістікте магнит өрістерімен үдетілген материалдың нәтижесінде пайда болатынын ұсынды, бұл Теллермен пікір келіспеушілікке әкелді. Ферми спиральды галактикалардың иірімдеріндегі магнит өрістеріне қатысты мәселелерді зерттеді. Ол қазіргі кезде "Ферми парадоксы" деп аталатын мәселені ойлады: ғарышта өмірдің болу ықтималдығы мен байланыс жасалмауы арасындағы қайшылық. Өмірінің соңына қарай Ферми ядролық технологияға қатысты дана шешімдер қабылдауға қоғамның қабілетіне күмәнданды. Ол былай деді:

Fermi became the Charles H. Swift Distinguished Professor of Physics at the University of Chicago on 1 July 1945, although he did not depart the Los Alamos Laboratory with his family until 31 December 1945. He was elected a member of the US National Academy of Sciences in 1945. The Metallurgical Laboratory became the Argonne National Laboratory on 1 July 1946, the first of the national laboratories established by the Manhattan Project. The short distance between Chicago and Argonne allowed Fermi to work at both places. At Argonne he continued experimental physics, investigating neutron scattering with Leona Marshall. He also discussed theoretical physics with Maria Mayer, helping her develop insights into spin–orbit coupling that would lead to her receiving the Nobel Prize. The Manhattan Project was replaced by the Atomic Energy Commission (AEC) on 1 January 1947. Fermi served on the AEC General Advisory Committee, an influential scientific committee chaired by Robert Oppenheimer. He also liked to spend a few weeks each year at the Los Alamos National Laboratory, where he collaborated with Nicholas Metropolis, and with John von Neumann on Rayleigh–Taylor instability, the science of what occurs at the border between two fluids of different densities. After the detonation of the first Soviet fission bomb in August 1949, Fermi, along with Isidor Rabi, wrote a strongly worded report for the committee, opposing the development of a hydrogen bomb on moral and technical grounds. Nonetheless, Fermi continued to participate in work on the hydrogen bomb at Los Alamos as a consultant. Along with Stanislaw Ulam, he calculated that not only would the amount of tritium needed for Teller's model of a thermonuclear weapon be prohibitive, but a fusion reaction could still not be assured to propagate even with this large quantity of tritium. Fermi was among the scientists who testified on Oppenheimer's behalf at the Oppenheimer security hearing in 1954 that resulted in the denial of Oppenheimer's security clearance. In his later years, Fermi continued teaching at the University of Chicago, where he was a founder of what later became the Enrico Fermi Institute. His PhD students in the postwar period included Owen Chamberlain, Geoffrey Chew, Jerome Friedman, Marvin Goldberger, Tsung Dao Lee, Arthur Rosenfeld and Sam Treiman. Jack Steinberger was a graduate student, and Mildred Dresselhaus was highly influenced by Fermi during the year she overlapped with him as a PhD student. Fermi conducted important research in particle physics, especially related to pions and muons. He made the first predictions of pion nucleon resonance, relying on statistical methods, since he reasoned that exact answers were not required when the theory was wrong anyway. In a paper coauthored with Chen Ning Yang, he speculated that pions might actually be composite particles. The idea was elaborated by Shoichi Sakata. It has since been supplanted by the quark model, in which the pion is made up of quarks, which completed Fermi's model, and vindicated his approach. Fermi wrote a paper "On the Origin of Cosmic Radiation" in which he proposed that cosmic rays arose through material being accelerated by magnetic fields in interstellar space, which led to a difference of opinion with Teller. Fermi examined the issues surrounding magnetic fields in the arms of a spiral galaxy. He mused about what is now referred to as the "Fermi paradox": the contradiction between the presumed probability of the existence of extraterrestrial life and the fact that contact has not been made. Toward the end of his life, Fermi questioned his faith in society at large to make wise choices about nuclear technology. He said:

Өлім

Ферми 1954 жылдың қазан айында Биллингс Мемориалдық ауруханасында "зерттеу" операциясы деп аталатын операциядан өтті, содан кейін ол үйіне қайтып келді. Елу күннен кейін ол Чикагодағы үйінде емделе алмайтын асқазан қатерлі ісігінен қайтыс болды. Ол 53 жаста еді. Ферми ядролық реакторға жақын жұмыс істеудің үлкен қауіп төндіретінін сезді, бірақ ол пайдасы жеке қауіпсіздігіне қауіптен гөрі артық деп ойлағандықтан, жұмысын жалғастырды. Оның екі аспиранты да реактордың жанында жұмыс істеп, қатерлі ісіктен қайтыс болды. Чикаго университетінің шіркеуінде қоштасу рәсімі өтті, онда әріптестері Сэмюэл К. Эллисон, Эмилио Сегре және Герберт Л. Андерсон әлемдегі "ең дарынды және өнімді физиктердің" бірінің қазасына күйінді. Оның денесі Оук Вудс зиратына жерленді, ал жақын туыстары үшін лютерандық пастор басқарған жеке қабірде қызмет өтті.

Мұра

Ферми өзінің жетістіктерін мойындау үшін көптеген марапаттар алды, соның ішінде 1926 жылы Маттеуччи медалі, 1938 жылы Нобель физика сыйлығы, 1942 жылы Хьюз медалі, 1947 жылы Франклин медалі және 1953 жылы Рамфорд сыйлығы. Ол Манхэттен жобасына қосқан үлесі үшін 1946 жылы "Еңбекке арналған медальмен" марапатталды. Ферми 1939 жылы Америка философиялық қоғамының мүшесі болып сайланды және 1950 жылы Корольдік қоғамның (FRS) шетелдік мүшесі болды. 1999 жылы Time журналы Фермиді ХХ ғасырдың ең ірі 100 тұлғасының тізіміне енгізді. Ферми теориялық және тәжірибелік тұрғыдан да өте жақсы жетістіктерге жеткен ХХ ғасыр физигінің сирек кездесетін мысалы ретінде танылды. Химик және жазушы К. П. Сноу былай деп жазды: "Егер Ферми бірнеше жыл бұрын туған болса, оның Резерфордтың атом ядросын ашқанын және Бордың сутегі атомы туралы теориясын дамытқанын қиялға келтіруге болар еді. Бұл асыра сілтеу болса, Ферми туралы кез келген мәлімет асыра сілтеудей сезінуі мүмкін". Ферми шабыттандыратын ұстаз ретінде белгілі болды және лекцияларын егжей-тегжейлі, қарапайым және мұқият дайындағанымен көзге түсті. Кейіннен оның лекциялары кітаптарға түсірілді. Оның мақалалары мен жазбалары бүгінде Чикаго университетінде сақтаулы. Виктор Вайскопф Фермидің "әрқашан ең оңай және тікелей жолды, ең аз күрделілік пен қиындықпен таба білгенін" атап өтті. Ол күрделі теорияларды ұнатпады, және математикалық қабілеті жоғары болғанымен, жұмысты одан да қарапайым жолмен жасауға болатын жағдайда оны қолданбады. Ол басқаларды қынжырлататын мәселелерге жылдам және нақты жауап бере білуімен танымал болды. Кейіннен конверттің арт жағындағы есептеулер арқылы шамамен және жылдам жауап алу әдісі бейресми түрде "Ферми әдісі" деп аталды және кеңінен оқытылады. Ферми Алессандро Вольтаның зертханасында жұмыс істегенде, Вольтаның электр энергиясын зерттеудің неге алып келетінін білмегенін айтуға ұнады. Ферми ядролық энергия және ядролық қарулар саласындағы еңбектерімен, әсіресе алғашқы ядролық реакторды жасауымен және алғашқы атомдық және сутекті бомбаларды әзірлеуімен есте қалады. Оның ғылыми еңбектері уақыттың сынағынан өтті. Бұған оның бета-бөлініс теориясы, сызықтық емес жүйелердегі жұмысы, баяу нейтрондардың әсерін ашуы, пион-ядро соқтығысуларын зерттеуі және Ферми-Дирак статистикасы кіреді. Оның пион – фундаменталды бөлшек емес деген болжамы кварктар мен лептондарды зерттеуге жол ашты.

Fermi received numerous awards in recognition of his achievements, including the Matteucci Medal in 1926, the Nobel Prize for Physics in 1938, the Hughes Medal in 1942, the Franklin Medal in 1947, and the Rumford Prize in 1953. He was awarded the Medal for Merit in 1946 for his contribution to the Manhattan Project. Fermi was elected member of the American Philosophical Society in 1939 and a Foreign Member of the Royal Society (FRS) in 1950. In 1999, Time named Fermi on its list of the top 100 persons of the twentieth century. Fermi was widely regarded as an unusual case of a 20th century physicist who excelled both theoretically and experimentally. Chemist and novelist C. P. Snow wrote, "if Fermi had been born a few years earlier, one could well imagine him discovering Rutherford's atomic nucleus, and then developing Bohr's theory of the hydrogen atom. If this sounds like hyperbole, anything about Fermi is likely to sound like hyperbole". Fermi was known as an inspiring teacher and was noted for his attention to detail, simplicity, and careful preparation of his lectures. Later, his lecture notes were transcribed into books. His papers and notebooks are today in the University of Chicago. Victor Weisskopf noted how Fermi "always managed to find the simplest and most direct approach, with the minimum of complication and sophistication." He disliked complicated theories, and while he had great mathematical ability, he would never use it when the job could be done much more simply. He was famous for getting quick and accurate answers to problems that would stump other people. Later on, his method of getting approximate and quick answers through back of the envelope calculations became informally known as the "Fermi method", and is widely taught. Fermi was fond of pointing out that when Alessandro Volta was working in his laboratory, Volta had no idea where the study of electricity would lead. Fermi is generally remembered for his work on nuclear power and nuclear weapons, especially the creation of the first nuclear reactor, and the development of the first atomic and hydrogen bombs. His scientific work has stood the test of time. This includes his theory of beta decay, his work with non linear systems, his discovery of the effects of slow neutrons, his study of pion nucleon collisions, and his Fermi–Dirac statistics. His speculation that a pion was not a fundamental particle pointed the way towards the study of quarks and leptons.

Фермидің есімімен аталған заттар

Фермидің есімімен аталған көптеген нәрселер бар. Олардың ішінде 1974 жылы оның құрметіне қайта аталған Иллинойс штатының Батавия қаласындағы Ферми бөлшектер үдеткіші және физика зертханасы, сондай-ақ 2008 жылы оның ғарыш сәулелері туралы жұмысын ескере отырып, оның атымен аталған Ферми гамма сәулелері ғарыш телескопы бар. Оның есімімен үш ядролық реактор кешені аталды: Мичиган штатының Ньюпорт қаласындағы Ферми-1 және Ферми-2 атом электр станциялары, Италиядағы Трино Верчельседегі Энрико Ферми атом электр станциясы және Аргентинадағы RA-1 Энрико Ферми ғылыми-зерттеу реакторы. 1952 жылғы «Айви Майк» ядролық сынағының қалдықтарынан бөлініп алынған синтетикалық элемент Фермидің ғылымға қосқан үлесі үшін фермий деп аталды. Осылайша, ол есімдерімен аталған 16 ғалымның бірі болды. 1956 жылдан бері АҚШ Атом энергиясы комиссиясы ең жоғары наградасын – Ферми сыйлығын – оның есімімен атап келеді. Сыйлықтың иегерлерінің арасында Отто Хан, Роберт Оппенгеймер, Эдвард Теллер және Ханс Бете бар.