ymzhao的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/ymzhao

博文

核科学群英谱(4):原子能之父 --- 恩里科-费米

已有 2734 次阅读 2022-6-20 18:59 |系统分类:科普集锦


 

查德威克在1932年发现中子,开启了研究原子核这一物质层次的新时代。从此人类关于原子核这个物质层次的认识可谓日新月异,大的发现层出不穷,这里我仅列举几个诺贝尔奖。这些诺贝尔奖成果当然都具有重大创新,总而言之,在那个年代原子核、放射性这些时髦词汇在社会上的影响肯定比现在量子信息要火得多。 

 

这里列出 30年代-40年代的相关诺贝尔奖,在50年代-70年代的获奖者更多。

 

1930-1940年代核物理方面的诺贝尔物理奖(1940-1942年空缺)

1.     1935 年 詹姆斯-查德威克(James Chadwick, 发现中子)

2.     1938年 恩里科-费米(Enrico Fermi, 本文男主角; 新放射性元素、慢中子核反应),

3.     1939 年 欧内斯特·劳伦斯 (Ernest Orlando Lawrence, 发明回旋加速器、人工放射性元素)

4.     1943年 奥托·斯特恩 (Otto Stern, 分子束方法、质子磁矩测量)

5.     1949年 汤川秀树 (Hideki Yukawa, 核子相互作用力、预言pi 介子)

 

1930-1940年代 核物理方面的诺贝尔化学奖(1940-1942年空缺)

1.    1935年 约里奥-居里夫妇 (Jean Frédéric Joliot-Curie & Irène Joliot-Curie,新的放射性元素)

2.    1943年 乔治·查尔斯·德海韦西 (George Charles de Hevesy, 同位素示踪迹)

3.    1944年 奥托·哈恩 (Otto Hahn, 发现原子核裂变现象)

 

我们之所以在这里要罗列这些诺贝尔奖,一方面是说明那时原子核科学的进展确实神速,另一方面本文内容除了有我们的主角费米先生外还涉及到另一个重要人物(哈恩),他在获得诺贝尔奖时间和获奖种类在表面看起来与费米先生似乎略微有点儿远,而实际上两者工作则是密切关联的。

 

在中子发现后,人们研究原子核世界时除了alpha 粒子以外又多了一种入射“炮弹”轰击原子核。在此之前人们用一般用 alpha 粒子作为入射粒子,不过alpha 粒子带有正电荷,在alpha 粒子撞击到作为靶子的原子核(简称“靶核”)之前需要克服 alpha 粒子与靶核之间很强的静电排斥能量,这种排斥阻止能量较低的 alpha 粒子靠近原子核。而中子不带电荷,因此即使是极低能量的中子也能打到原子核上,这一点其实是十分重要的。我们在本系列科普文章“核科学群英谱”中还会多次提到这一点。

 

本文男主角---恩里科-费米 先生---的闪亮登场是早在中子发现之前[虽然那些成就也很大,不过那时还没有来得及被社会广泛认可],而中子被发现之后,费米先生所从事的工作大都与中子相关。因为这些与中子相关的贡献,很多书里把他称为“中子物理学之父”;又因为他在原子能方面的贡献,很多人把他称为“原子能之父”;这也是费米先生最为公众所知的两大成就。

 

为了完整,我们先简要说几句费米这位大先生的个人背景。他在1901年出生于意大利罗马,他的父亲是铁路部门的一名主管,在十来岁的时候喜欢玩弄电机或机械玩具,十多岁时自己读了一些数学和天文学方面的基础书籍,据说他的父亲有一位朋友(Adofo Amidei)比较有学问,我们的小主人翁有机会向他请教数学技巧,并向他借很多书。费米独立把那些书上的习题全部做了一遍,包括据说连Adolfo 自己也觉得很困难的题目。到了17岁(即1918年) Adolfo 认为他去比萨大学比在罗马更有利于成长,于是费米参加了那里的笔试和面试,当时面试官就断言“费米将来一定成为一个杰出的物理学家”[有官方参考文献纪录]。

 

费米在大学入学后,他的指导教师是物理实验室的主任 Luigi Puccianti,这位导师很快就说,他实在没有什么可以教费米的, 反倒是经常让费米教他点儿什么,比如量子理论之类,正所谓“弟子不必不如师,师不必强于弟子”。二年后,他的导师干脆就放开了,随便他干什么都行。到了大三的时候,他就陆续开始发表论文了,涉及电磁理论、广义相对论等,其中有一篇文章还被从意大利文翻译为德文登在 Physikalische Zeitschirift 期刊上,由此他开启了他的开挂人生。1923年费米在Max Born 指导下短暂学习,遇到了海森堡(我们前文提到过,后面还会提到他)、数学物理学家约当 (Ernst Pascual Jordan), 又短暂跟随统计力学专家保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest) 学习,他有机会认识象Samuel Goudsmit 这样的朋友,  还见到了彼时两位超级大神爱因斯坦和洛伦兹,这些都让他大开眼界。

 

费米在1925年有一篇文章后来变得很重要,就是提出了后来人们说的“费米子”。1925年泡利 (Wolfgang Pauli) 发表了他的泡利不相容原理后,费米紧跟着发表了一篇文章,“纯粹单原子气体的量子化”[On the quantization of the perfect monoatomic gas] ”,在这篇文章里他明确提出了符合泡利不相容原理的全同粒子系统的分布规律,不久狄拉克也独立发表了类似结果;这种统计现在称为费米-狄拉克统计。现在看这篇文章的意义当然非常重要,只是那时社会公众乃至他的部分同行对此认识不够深入而已。因为只有少数科学贡献(特别是在理论方面)一经公布很快就被科学共同体所认可,因此费米在早期申请意大利的职位并非象现在人们想象中的那样一帆风顺。那时在意大利的大学申请职位也和咱们现在年青人申请职位差不多,申请职位方面在大学里有一个委员会根据论文发表情况给申请者排序。第一次申请卡利亚里(Cagliari) 大学没有成功,直到1926年他申请罗马大学在多方支持下如愿。

 

费米在那里很快就建立了很好的实验团队。他和团队成员很用功,他本人经常作科普报告、写科普文章,那时他在教育方面的一个方式是(几乎每天)把研究生和团队成员一起集体讨论。他在1928年还出版了《原子物理导论》。

 

在20年代人们被原子核的 beta 衰变问题困扰,前文中我们提到过的一个事情是查德威克1913年去德国盖革(Hans Geiger) 那里访问,他在因为第一次世界大战爆发被关进集中营前,他利用盖革计数器发现beta 衰变谱是连续变化的,而不是那种分立的谱线。因此为了挽救能量守恒定律,泡利提出需要了一个电中性、质量很小或没有质量的粒子出现在beta 衰变中。费米在这个思想基础上于1933年发表了一篇简报,1934年又发表了长文引入这种粒子,把它命名为“中微子”[意大利语意思为“不带电的微小粒子”],这个理论其实就是讨论弱相互作用 [何其重要]!他当时把这篇论文投稿到 Nature 期刊, 编辑说这篇文章有一些猜想“太过远离物理实际以至于读者不会有什么兴趣[`too remote from physical reality to be of interest to readers’]”,因此费米这个非常重要的理论最早是用意大利文和德文发表的。非常遗憾的是,费米先生没能看到他命名的中微子真的被直接探测鉴别出来,他是1954年去世的,而中微子被直接探测的结果发表于1956年。

 

我们现在经常争论:某某的贡献、某某的诺贝尔奖如何如何,其实与费米统计、弱相互作用理论这些概念的开创性贡献相比,相差何止八百里!

 

1932年查德威克发现中子后,费米和团队成员也立即跟上来。他们用中子轰击各种元素,当时元素周期表上最后一个元素是铀(有92个质子)。他们用中子轰击铀时发现产生了放射性衰变,其中有一种产物质子数等于93。当时的同行对此半信半疑,但是产生很大社会轰动效应,主要疑点是产物鉴别问题[其实产物鉴别长期以来是核科学领域研究中的一个难题,至今依然如此]。

 

费米及其团队当然希望在93号元素的鉴别方面能够做出成绩,可惜一直没有如愿。不过,无心插柳柳成荫,他们没有找到绿豆,却捡回来一个大西瓜:他们发现快中子如果与氢原子碰撞可以大幅降低速度,变成所谓的“慢中子”,而慢中子则很容易诱发多种核反应,这在实验技术上是一个重大发现,后来引导了科学和技术方面的多个重大进展。

 

费米先生在1938年被授予诺贝尔物理奖,在授奖理由方面提到二点:一个是新的放射性元素[即93号元素]、一个是慢中子技术方面,这些成就都是在查德威克中子发现之后的事情,也是查德威克之后时隔不久在核科学方面的第一个诺贝尔奖。当然,很多读者都很清楚地知道,在领奖后费米就带着夫人直接去了美国(没有回意大利),原因是二战期间意大利是轴心国,而他的夫人是犹太人。

 

费米的诺贝尔物理奖是在11月10日颁发的。非常有趣的是,不到两周时间,奥托·哈恩(Otto Hahn,也就是前文提到的那位1944年诺贝尔化学奖得主) 寄出了一个报告给德国的《自然科学》杂志,该杂志在次年1月份刊出了哈恩的论文 ---- 论文的内容是:中子轰击铀元素不产生93号元素,而是裂变成两块质量大致相同的原子核(例如56号元素钡等)。 这当然与费米宣布的结果不一致了。而费米的诺贝尔奖金也才刚刚到手,因此他到美国后立即在哥伦比亚大学重做哈恩的实验,结果与哈恩的结果一致!

 

如果换做普通人,可能因而难堪、不安或沮丧,费米则具有广博的胸怀。裂变发现后,当时研究裂变的知名学者很多,例如约里奥-居里(Jean Frédéric Joliot-Curie) 发现了中子-铀裂变过程的中子增殖机制,甚至申请了专利,费米在这方面那时处于第一集团前列, 他和其团队克服了许多技术困难,1942年12月在芝加哥建成了世界上第一个人工的自持核裂变的链式反应堆,由此开启了人类利用原子能的时代。

 

费米一生的伟大成就太多了,他是二十世纪在理论和实验两方面都达到顶尖水平的极少数科学家,我们也不知道费米自己如何评价个人的诸多贡献,比如后来他还在高能宇宙线、强子物理等方面有重要工作。除了诺贝尔物理奖之外,他还享有很多殊荣,例如后来发现的第100号元素以纪念他而命名为“镄”、现在原子核尺度的常用单位是“费”米、自旋半整数的粒子称为“费米”子、美国有一个著名国家实验室用他的姓氏命名等等。不过,慢中子及其诱发的核反应、原子能的利用或许是其中最重要的二大成就,这也是他在社会上最为人所知的贡献。虽然1938年诺贝尔物理奖的获奖理由有一条后来被证明与实际不符,可是那又不是他的错误;这个小乌龙事件或许更应该归咎于诺贝尔评选委员会,那些人对于费米的个人成就评价实在是太过外行了,即使夸赞费米成就这样简单的事情也没有踩到合适的“点儿”上 !!!

 

 

 




https://blog.sciencenet.cn/blog-3404169-1343805.html

上一篇:核科学群英谱(3):中子的发现者---查德威克
下一篇:核科学群英谱(5):诺奖落选者---伽莫夫、外兹扎克
收藏 IP: 101.224.228.*| 热度|

7 王安良 刘全慧 王涛 葛及 史晓雷 晏成和 谢钢

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-8-11 20:56

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部