Ферми. Ядерная энергия

На атолле Эниветок, входящем в архипелаг Маршалловых островов, 1 ноября 1952 года в ходе операции «Айви» была взорвана первая водородная бомба, «Майк». Последствия взрыва были разрушительными: температура в миллионы градусов полностью уничтожила экосистему атолла и окружающего его водного пространства. В следующем году СССР также провел испытания первой водородной бомбы.

ГЛАВА 6 Создание Фермилаба

За короткий промежуток времени ускорители позволили лабораторным путем получить частицы, содержащиеся в космических лучах. Открытие новых составляющих квантового мира расширило карту элементарных частиц. Компьютеры упростили сложнейшие вычисления, появились новые области физики, изучающие нелинейные системы. Ферми принимал участие во всех главных открытиях, раздвигавших пределы физики. Сегодня этот прогресс поставил под вопрос даже теорию относительности Эйнштейна.

При помощи статистической физики Ферми смог исследовать, что происходит при столкновении ядер на большой скорости, во время чего образуется множество частиц. Он хотел выяснить, какие из этих частиц на самом деле элементарные. Этому вопросу ученый посвятил свои выступления на конференциях, организованных Стилманом в Йельском университете и самим Ферми в Италии. Оба цикла докладов были впоследствии собраны в его книге «Элементарные частицы*. Упрощенные модели Ферми по аналогии с FERMI АС фиксировали тенденции и позволяли рассчитать порядок главных переменных, задействованных в эксперименте, как, например, в случае с эффективным сечением или с вероятностью поглощения частиц. Ферми знал, что с этого момента без статистики не обходится ни один опыт в области физики частиц.

ЧИКАГСКИЙ СИНХРОЦИКЛОТРОН

Весной 1951 года в Чикагском университете заработал новый синхроциклотрон. Ферми наконец-то мог провести опыты со столкновением нуклонов в 450 МэВ: вместе с Андерсоном он проанализировал взаимодействие между протонами и пионами л* и л', измерил их интенсивность и энергию, а также изучил передачу пионов через жидкий водород, что представляло для него особый интерес в связи с работой над водородной бомбой в Лос-Аламосе. Ученый упорно стремился улучшить синхроциклотрон и спроектировал систему с тележкой, получившую название тележки Ферми, при помощи которой цель столкновения могла перемещаться по периферии циклотрона. Тележка контролировалась посредством магнитного поля благодаря бобинам, связанным с колесами, и ей не требовалось ни электричество, ни топливо. Это изобретение Ферми прекрасно проработало в течение долгих лет.

С 17 по 22 сентября 1951 года ученый организовал в Чикаго международную конференцию по ядерной физике, в рамках которой торжественно представил публике новый синхроциклотрон. После окончания мероприятия он взял неделю отдыха, чтобы отпраздновать свое 50-летие. На конференции Ферми предложил список из 21 элементарной частицы, хотя предполагал, что некоторые из них могут быть исключены из этого перечня.

Чикагский синхроциклотрон, или синхронизированный циклотрон, представлял собой улучшенный вариант циклотрона, созданного Лоуренсом в Калифорнийском университете. У него был тот же принцип действия: движущиеся частицы с электрическим зарядом отклонялись магнитным полем. Синхроциклотрон обладал большей точностью по сравнению с циклотроном, так как исправлял некоторые побочные эффекты, проявляющиеся при высоких энергиях.

Ферми сосредоточился на анализе взаимодействия пионов с нуклонами и атомами водорода, измеряя, в частности, эффективное сечение столкновений и угловое распределение дисперсии пионов. Он доказал, что поперечное сечение с увеличением энергии быстро увеличивается (чего и следовало ожидать от сильного взаимодействия), но в случае с положительными π⁺ пионами больше, чем с отрицательными π^-. Его эксперименты заставили вернуться к идее Гейзенберга (предложенной в далеком 1932 году) назначать частицам квантовое число изоспин (или изотопический спин), связанный с сильным взаимодействием. Сила этого взаимодействия между любой парой нуклонов одинакова, независимо от того, ведут они себя как протоны или нейтроны.

ЧАСТОТА СИНХРОЦИКЛОТРОНА

В циклотроне, в области магнитного поля В, ускоряется частица с массой m и зарядом q с частотой резонанса f_o так, что

f_o = qB/2πm.