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恩里科·费米

费米

恩里科·费米(意大利语:Enrico Fermi,1901年9月29日~1954年11月28日),美籍意大利裔物理学家,1938年诺贝尔物理学奖获得者。他被称为现代物理学的最后一位通才,对理论物理学和实验物理学均做出了重大贡献。他是量子力学和量子场论的创立者之一。他首创了弱相互作用(β衰变)的费米理论,负责设计建造了世界首座自持续链式裂变核反应堆。他还是曼哈顿计划的主要领导者。以他的名字命名的有费米黄金定则、费米-狄拉克统计、费米子、费米面、费米液体及费米常数等等。

 

生平简介

 

费米出生于意大利首都罗马,父亲阿尔贝托·费米是通讯部的职员。他在中学时代就展现了在数学和物理方面的才能。1918年获得比萨高等师范学校的奖学金。四年之后他在比萨大学获得了物理学博士,导师是普契安提教授。

1923年到1924年期间,他通过意大利政府和洛克菲勒基金会的资助访问了德国哥廷根大学的马克思·玻恩教授和荷兰莱顿大学的艾伦法斯特教授。1924年,他回到意大利,在佛罗伦萨大学任职数学物理和力学科讲师。

1926年,费米发现了一种新的统计定律—费米-狄拉克统计。他发现这种统计适用于所有遵循泡利不相容原理的粒子,这些粒子现在被称为费米子。费米-狄拉克统计和玻色子所遵循的玻色-爱因斯坦统计是量子世界的基本统计规律。

1927年,费米当选为罗马大学的理论物理学教授。他在这个教席上一直任职到1938年。由于他的夫人劳拉是犹太裔,为逃避墨索里尼法西斯政府的迫害,他们在1938年接受诺贝尔奖之后移居到了美国。1938年到1942年期间,费米任纽约哥伦比亚大学教授。从1942年直至去世,他是芝加哥大学的物理学教授。

在罗马大学的早期时间费米主要的研究课题是电动力学和光谱学,但是随后他把研究重点放在了原子核本身而不是核外电子上。1934年他在原先的辐射理论和泡利的中微子理论基础上提出了β衰变的费米理论。在人工放射性被发现后不久,他实验演示了几乎所有元素在中子轰炸下都会发生核变化。这个工作促使了慢中子和核裂变的发现。

在1939年哈恩和斯特拉斯曼发现核裂变后,费米马上意识到次级中子和链式反应的可能性。1942年12月2日他在芝加哥大学体育场的壁球馆试验成功了首座受控核反应堆。在二战期间第一枚原子弹的建造过程中(曼哈顿计划),他是主要领导者之一。1945年7月16日晚上,原子弹在内华达州的沙漠引爆成功时,费米在原子弹试爆现场附近,突然跃起向空中撒了一把碎纸片,爆炸后气浪将纸片急速地卷走,他紧追纸片跑了几步,并根据纸片飞出的距离估算了核爆炸的“当量数”,大声喊著:“成功了!它的爆炸威力相当于二万吨TNT炸药。”后来证明是惊人的准确。

第二次世界大战之后,费米的主要研究方向是高能物理,他在介子核相互作用和宇宙射线的来源等方面都做出了开创性的工作。费米于1954年在芝加哥去世。

由于在人工放射性和慢中子方面的工作,费米被授予了1938年诺贝尔物理学奖。他还是一位杰出的老师。他的学生中有六位获得过诺贝尔物理学奖。为纪念这位物理学家,费米国家实验室和芝加哥大学的费米研究所都以他的名字命名。2008年6月11日发射的大面积伽玛射线空间望远镜于同年8月26日改名为费米伽玛射线空间望远镜做为他身为高能物理先驱的纪念。

Enrico_Fermi_1943-49

 

科学研究

 

费米(Enrico Fermi,1901-1954),意大利出生的美籍物理学家。1938年诺贝尔物理奖获得者。1901年9月29日生于罗马的一个铁路工人家庭,母亲是一位中学老师,菲米的童年和少年时期是在罗马度过的。1918年考入比萨大学高等师范学院。1922年以研究X射线的论文获得物理博士学位。不久后,他赴德国格丁根大学,成为玻恩的学生。1924年回到意大利,在佛罗伦萨大学任教。1926年起,任罗马大学理论物理学教授,由于他才华出众,很快出名,成为新成立的罗马大学物理研究所的核心人物。他的妻子是犹太人,由于受到意大利法西斯的迫害,1938年,费米借领诺贝尔奖金之际,携家移居美国。他先后在哥伦比亚大学和芝加哥大学任物理学教授。1942年,他来到新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯,从事研究工作。1945年7月16日,以费米为核心的科学家,在这里成功的试验了第一颗原子弹。1946年,他被授予梅里特国会勋章后回到芝加哥大学,任该校和物理研究所教授。1953年任美国物理学会会长。1954年11月28日由于胃癌,逝世于芝加哥,终年53岁。

 

工作经历

 

1922年获比萨大学博士学位。

1923年前往德国。在玻恩的指导下从事研究工作。

1924年在哥廷根大学学习一学期,随后到荷兰莱顿大学和保尔·厄任费斯脱共同工作。

1925年一月至1926年秋季在佛罗伦萨大学工作,开始研究费米-狄拉克统计问题。

1926年任罗马大学理论物理学教授。

1929年任意大利皇家科学院院士。

1934年用中子轰击原子核产生人工放射现象。开始中子物理学研究。被誉为“中子物理学之父”。

1936年出版的热力学讲义。成为后人教学用书的著名蓝本。

 

新发现

 

1938年由于 “通过中子照射展示新的放射性元素的存在,以及通过慢中子核反应获得的新发现(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)获得诺贝尔物理奖。但是就在这时他却在意大利遇到了麻烦。一是因为他的妻子是犹太人,意大利法西斯政府颁布出一套粗暴的反对犹太人的法律;二是因为费米强烈反对法西斯主义——墨索里尼独裁统治下的一种危险的态度。

 

出走美国

 

1938年12月他前往斯德哥尔摩接受诺贝尔奖,此后就没有返回意大利,而是去了纽约。哥伦比亚大学主动为他提供职位,并为自己的师资队伍中增添了一位世界上最伟大的科学家而感到自豪和骄傲。

1944年费米加入美国籍。

Fermi's ID badge photo from Los Alamos

 

研究的军事价值

 

在1939年初,据李泽·梅特纳、奥特·哈尔姆和弗里茨·斯特拉斯曼报导,中子被吸收后有时会引起铀原子裂变。这项报导发表后,和其他几位主要的物理学家一样,费米立即认识到一个裂变的铀原子可以释放出足够的中子来引起一项链式反应,而且还和另外几位物理学家一样,费米马上就预见到这样的链式反应可用于军事目的潜在性。

1939年3月,费米与美国海军界接触,希望引起他们对发展原子武器的兴趣。但是直到几个月后阿尔伯特·爱因斯坦就此课题给罗斯福总统写了一封信以后,美国政府才对原子能给予重视。

那时候,同盟国的科学家虽然已经在讨论原子弹的可能,但是还没有正式开始进行制造的工作。后来由于同盟国在战事中一再失利,德国又开始禁止由他们占领捷克铀矿区的铀矿出口,使得同盟国意识到,德国可能已经在认真进行原子弹计划。

 

进展

 

不久,一位德国科学家傅吉(Siegfried Flugge)出人意料地在德文科学期刊上,公开发表了一些德国核分裂研究的新近成果。这位科学家本来是故意突破当时德国尚未完全开始的信息封锁,让同盟国得知德国研究近况,但是同盟国科学家反倒因而误认为,如果德国能够发布这么多资料,那么他们真正的发展情况,恐怕还要更加先进,这就更加促使美国原子弹计划开始酝酿产生。

匈裔科学家齐拉于是决定采取一些行动。首先他认为要能控制比属刚果的铀矿,于是请求和比利时皇家熟识的爱因斯坦帮忙,爱因斯坦欣然同意。接着他和银行家沙克斯(A.Sachs)共同具名拟就一信,准备敦促罗斯福总统在美国进行原子弹计划,为了增加这封信的分量,他们也要求爱因斯坦共同具名,爱因斯坦同意了。这一封有爱因斯坦共同具名的信函,确实是促成原子弹计划的一个关键因素,而这件事到战后曾引起爱因斯坦相当的后悔。

美国政府一有了兴趣,建立一个模式原子反应堆就成了科学家的首要任务,以探明自保持的链式反应是否确实可行。由于恩利克·费米是世界上主要的中子权威,且集理论与实验天才于一身,所以被选为世界第一台核反应堆攻关小组组长。他最初在哥伦比亚大学工作,随后又到芝加哥大学工作。

Drawings from the Fermi–Szilárd “neutronic reactor” patent-1 Drawings from the Fermi–Szilárd “neutronic reactor” patent-2

 

原子反应堆的建立

 

1941年底,费米在哥伦比亚大学主持建造了世界上第一座原子反应堆,实现了自持式链式反应,为制造原子弹迈出了决定性的一步。

1942年12月2日,在芝加哥,费米指导下设计和制造出来的核反应堆首次运转成功。这是原子时代的真正开端,因为这是人类第一次成功地进行了一次核链式反应。试验成功的消息以意味深长的预言形式一下子就传到了东方:意大利航海家进入了新世界。……随着这项实验的成功,即刻做出了全速开展曼哈顿工程计划。费米在这项工程中作为一位主要的科学顾问,继续发挥着重要的作用。费米的主要贡献在于他在发明核反应堆中所起的重要作用。十分显然,这项发明的主要功劳应归于费米。他最先对有关方面的基础理论做出了重大的贡献,随后又亲自指挥第一座核反应堆的设计和建造。战后,费米在芝加哥大学任教授。

费米

 

逝世

 

他于1954年去逝。100号化学元素镄就是为纪念他而命名的。他先后获得德国普朗克奖章、美国哲学会刘易斯奖学金和美国费米奖。

 

荣誉

 

1953年被选为美国物理学会主席。还被德国海森堡大学、荷兰乌特勒支大学、美国华盛顿大学、哥伦比亚大学、耶鲁大学、哈佛大学、罗切斯特大学和拉克福德大学授予荣誉博士。

1954年,为纪念费米对核物理学的贡献,美国原子能委员会建立了“费米奖”,以表彰为和平利用核能作出贡献的各国科学家。

1955年8月,在瑞士日内瓦召开的和平利用原子能国际科学技术会议中,根据人工合成这个新元素者们的建议,将100号元素命名为fermium镄,以纪念20世纪中在原子和原子核科学中作出卓越贡献的著名物理学家费米。100号元素符号定为Fm。

Fermi (bottom left), Leó Szilárd (second from right on bottom), and the rest of the pile team

 

费米传
  

书名:费米传

ISBN:710002064

作者:(美)费米著//何兆武

出版社:商务印书馆

定价:16.3

页数:318

出版日期:1997-8-1

版次:

开本:32开

包装:

简介:意大利物理学家费米是1938年的诺贝尔物理学奖得主,费米统计、B射线理论和对中子的研究,使他在理论和实验方面都达到了物理学的顶峰。本书通过翔实可靠的资料和自己的亲身经历,生动丰满地描述了费米的一生和他的科学发展历程,引领我们了解这位物理学天才的成长、费米学派的诞生和第一颗原子弹的研制过程。

目录:

Fermiac---The FERMIAC, an analog device invented by Enrico Fermi to implement studies of neutron transport

第一部 意大利

一 最初的邂逅

二 我们相识之前

三 我们相识之前(续)

四 一个学派的诞生

五 微型“标致”

六 婚后的最初岁月

七 北先生和科学院

八 安阿伯之夏

九 工作

十 南美洲的插曲

十一 一个偶然的发现

十二 多么不懂得养育孩子

十三 1938年11月10日

十四 离去

第二部 美国

十五 美国化的过程

十六 未来事物的某些影象

十七 一个敌国侨民在为山姆大叔工作

十八 保密和反应堆

十九 成功

二十 Y基地

二十一 一名警卫员和几位朋友

二十二 台地上的生活

二十三 战争结束了

二十四 蓬泰科尔沃退出舞台

二十五 一件新玩具:巨型回旋加速器

致谢

插图目录

朱利奥、恩里科(四岁)和玛丽亚

十六岁时的恩里科·费米

埃米利奥·塞格雷、恩里科·佩尔西科和恩里科·费米(1927年)

婚礼前

在婚礼上(1928年)

费米和黑羊

费米和“小动物”内拉

微型“标致”

“红衣主教”(拉塞蒂)、“教皇”(费米)和“蛇怪”(塞格雷)

罗马大学旧物理楼

柯尔比诺的“孩子们”,1934年

意大利王家科学院院士

在阿尔卑斯山滑雪:费米和佩尔西科准备出发

费米使他自己和他的滑雪杖保持良好状态

1930年在安阿伯,荷兰小组与费米

南美归来途中:费米和拉斯皮吉(1934年)

费米

在诺贝尔奖金授奖典礼上

瑞典国王古斯塔夫五世向费米授诺贝尔奖金

爱因斯坦致罗斯福的信,1939年8月2日

网球场上第一座原子反应堆在建造中

在洛斯阿拉莫斯制订政策

尼尔斯·玻尔在索耶岭上

洛斯阿拉莫斯:“澡盆路”的一家

战后,旧的绿色房子都刷成白色,街道也命了名

格罗夫斯将军为费米别勋章

爱德华·特勒和费米

基础科学研究所

旧日的西看台

1930年左右:罗马大学物理楼的一间实验室

二十年后:芝加哥大学的大型回旋加速器

费米电车

约翰·马歇尔和赫伯特·安德森在观看回旋加速器的屏蔽

讲课

研究

费米夫妇和儿子朱利奥在华盛顿州,1947年

时光过去了……1953年

Graffiti of Enrico Fermi in the city of Vitoria, in Spain

 

评价

 

费米之所以成为重要人物,有以下几个原因:

一是他是为数不多的兼具杰出的理论家和杰出的试验家天才的人。他在其生涯中写了250多篇科学论文。二是费米在发明原子爆破方面是一个非常重要的人物,尽管别人在推动这项事业的发展上也起了同样重要的作用。

从1945年以来,原子武器从未用于战争。出于和平目的,大量的核反应堆建成用来产生能源。在未来,反应堆将成为更重要的能源来源。此外,一些反应堆被用来生产有用的放射性同位素,用在医学和科学研究上。反应堆还是钚的一个来源,这是制造原子武器的一种材料。人们对核反应堆可能对人类产生危害存有害怕心理,但没人抱怨它是个无意义的发明。不管是好还是坏,费米的工作对未来世界产生了巨大的影响。

费米

 

逸闻

 

给费米发错的诺贝尔奖

 

本世纪30年代初,中子被发现以后,科学家就利用它去轰击各种元素,研究核反应。以意大利皇家科学院院士费米为首的一批青年人,干得最起劲。他们按照元素周期表的顺序,从头到尾地轰击已知的各种元素,看看都会发生什么情况。

1934年,元素周期表上最后一个是92号元素铀。当用中子轰击时,他们发现铀被强烈地激活了,并产生出好些种元素。他们认为,在这些铀的衰变产物中,有一种是原子序数为93的新元素。这是由于中子打进铀原子核里,使铀的原子量增加而转变成的新元素。

费米等人关于93号新元素的实验报告发表后,世界各国的报纸立即进行了轰动性的报道。

关于93号元素问题,在各国科学家中引起一场激烈而持续的争论。有不少人肯定,也有不少人持怀疑态度。这场争论迟迟没有定论的原因是当时缺乏一种有效的手段,可以对铀元素受到中子轰击后的产物进行精确的分离和分析。

1934年10月,费米研究小组未解决这个谜团,却意外地取得另一项重大发现:中子在到达被辐射物质之前,和含氢物质中的氢原子核碰撞,速度大大降低;这种降低了速度的“慢中子”,更容易引起被辐射物质的核反应。这正如速度太快的篮球容易从框上弹出去,速度慢的较容易进篮一样,使用慢中子轰击原子核很快被各国科学家采用。

1938年11月10日,也就是“93号元素”发现4年多以后,费米接到来自斯德哥尔摩的电话,瑞典科学院宣布费米获得诺贝尔物理学奖的奖状:

“奖金授予罗马大学恩里科·费米教授,以表彰他认证了由中子轰击所产生的新的放射性元素,以及他在这一研究中发现由慢中子引起的反应。”

费米带着全家去斯德哥尔摩领奖后,没有返回意大利,而是乘上了去美国的轮船。

就在这一年,德国威廉皇家化学研究所的两位化学家哈恩和斯特拉斯曼,与女物理学家梅特涅合作,试验用慢中子轰击铀元素,而且用化学方法分离和检验核反应的产物,获得了令人难以置信的结果:铀核在中子的轰击下,分裂成大致相等的两半,它们不是93号新元素,而是56号元素钡!原子核的这一种变化现象过去还从未发现过。

1938年11月22日,也就是在诺贝尔奖颁发后的12天,哈恩把分裂原子的报告寄往柏林《自然科学》杂志,该杂志1939年1月便登出了哈恩的论文,推翻了费米的实验结果。显而易见,诺贝尔奖搞错了!

听到这惊人的消息,费米的第一个反应是来到哥伦比亚大学实验室,利用那里较好的设备,重复了哈恩的试验,结果和哈恩的试验一样。

这一事实,对费米来说无疑是难堪的。然而和人们的想象相反,费米坦率地检讨和总结了自己的错误判断,表现了一个科学家服从真理的高尚品质。

此时此刻,费米考虑的不是个人的名誉得失,他在别人成就的基础上继续向前迈进。

在裂变理论的基础上,费米很快提出一种假说:当铀核裂变时,会放射出中子。这些中子又会击中其它铀核,于是就会发生一连串的反应,直到全部原子被分裂。这就是著名的链式反应理论。根据这一理论,当裂变一直进行下去时,巨大的能量就将爆发。如果制成炸弹,它理论上的爆炸力是TNT炸药的2000万倍!

The sign at Enrico Fermi street in Rome

 

物理长度单位

 

由于费米在核物理和粒子物理方面的杰出贡献,物理学家以费米作为长度单位之一,1fm=10^(-15)m,即一费米等于一千万亿分之一米,这个单位约等于一般的原子核的直径。现在中国的教材多用“飞米”来代替“费米”。

 

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