文|環(huán)宇約會史
編輯|通用約會歷史
前言
恩里克·費米是一位杰出的美國化學(xué)家，在核化學(xué)和量子熱領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。 他在原子彈的研制中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，被廣泛認(rèn)為是 20 世紀(jì)最偉大的數(shù)學(xué)家之一。
恩里科·費米 ( Fermi) 1901 年 9 月 29 日出生于意大利羅馬。他從小就表現(xiàn)出出色的語言能力，并從事數(shù)學(xué)事業(yè)，于 1922 年獲得漢堡學(xué)院博士學(xué)位。費米的研究生涯跨越了數(shù)學(xué)的多個領(lǐng)域，包括統(tǒng)計熱力學(xué)、量子理論、核化學(xué)和粒子化學(xué)。 他的工作徹底改變了人們對亞原子世界的理解，并為后來的許多發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
恩里克·費米作為一位杰出的化學(xué)家，他的研究對人類做出了哪些貢獻(xiàn)？
背景資料
20世紀(jì)20年代，費米對量子熱的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。 他向量子理論引入了一種統(tǒng)計方法，今天稱為費米-狄拉克統(tǒng)計，它描述了相同的粒子行為。 這項工作成為費米二氧化碳理論的基礎(chǔ)，并導(dǎo)致了他著名的核反應(yīng)統(tǒng)計模型的發(fā)展。
費米最具開創(chuàng)性的工作出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 30 年代，他提出了β衰變理論，該理論解釋了放射性衰變過程中電子的發(fā)射。 據(jù)悉，1934年，費米進(jìn)行了一系列實驗，最終發(fā)現(xiàn)了中子這種不帶電荷的亞原子粒子。 這一發(fā)現(xiàn)被證明對隨后的核研究和核反應(yīng)堆的發(fā)展至關(guān)重要。
費米在 1930 年代末和 40 年代初參與的核裂變研究在曼哈頓計劃（韓國政府在二戰(zhàn)期間開發(fā)原子彈的努力）中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 1942年，費米和他的朋友在洛杉磯學(xué)院首次進(jìn)行了受控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，標(biāo)志著核化學(xué)史上的一個重要里程碑。
這一成就證明了制造自持核反應(yīng)的可行性，并為原子設(shè)備的發(fā)展鋪平了道路。 戰(zhàn)后，費米繼續(xù)對化學(xué)尤其是基本粒子化學(xué)領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)。 他研究了宇宙輻射，發(fā)現(xiàn)了新的亞原子粒子，并提出了弱相互作用理論。
費米的研究為他贏得了無數(shù)榮譽(yù)，包括因其在人工放射性方面的工作而獲得 1938 年諾貝爾化學(xué)獎。 費米對科學(xué)界的影響超出了他的研究范圍，他指導(dǎo)了幾位年輕的化學(xué)家，他們后來憑借自己的能力成為了杰出人物。 他的教學(xué)和指導(dǎo)培養(yǎng)了一代科學(xué)家，他們將繼續(xù)為化學(xué)領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)。
恩里克·費米的工作徹底改變了我們對原子和亞原子領(lǐng)域的理解。 從他早期對量子熱的貢獻(xiàn)到他在核裂變和原子裝置發(fā)展中的作用，費米的科學(xué)成就已經(jīng)在該領(lǐng)域留下了不可磨滅的印記。 作為一位杰出的科學(xué)家、教育家和導(dǎo)師，他的遺產(chǎn)繼續(xù)激勵著后代化學(xué)家探索宇宙的奧秘。
生活經(jīng)驗
恩里科·費米1901年9月29日出生于意大利羅馬，從小就表現(xiàn)出非凡的數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)能力。 費米對科學(xué)的熱情是由他的兒子阿爾貝托·費米（交通部巡視員）培養(yǎng)的。 在家人的鼓勵下，費米產(chǎn)生了強(qiáng)烈的好奇心和求知欲。
費米的學(xué)術(shù)之旅始于漢堡學(xué)院，他在那里學(xué)習(xí)工程學(xué)。 他真正的熱情是數(shù)學(xué)，因此他轉(zhuǎn)移了注意力并攻讀了數(shù)學(xué)學(xué)位。 21 歲時，他在著名化學(xué)家和物理學(xué)家 Luigi 的指導(dǎo)下獲得了數(shù)學(xué)博士學(xué)位。
20 年代，費米在量子熱領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)，他在發(fā)展量子理論的統(tǒng)計方法（即所謂的費米-狄拉克統(tǒng)計）方面發(fā)揮了重要作用。 這種統(tǒng)計框架描述了具有半整數(shù)載流子的粒子的行為，徹底改變了對量子系統(tǒng)的理解。 費米的工作為費米二氧化碳的研究奠定了基礎(chǔ)，費米二氧化碳是服從這種統(tǒng)計的不可區(qū)分的粒子系統(tǒng)。
這一時期的另一個值得注意的成就是費米的β衰變理論，他于1933年提出了一個物理模型來解釋放射性衰變過程中電子的發(fā)射。 這個理論被稱為費米β衰變理論，在理解粒子的基本相互作用方面取得了重大進(jìn)展。
費米最杰出的貢獻(xiàn)之一是 1934 年，當(dāng)時他進(jìn)行的實驗最終發(fā)現(xiàn)了中子。 通過用慢中子轟擊鈾，費米觀察到鈾原子核發(fā)生了巨大的變化并發(fā)射出β粒子。 通過仔細(xì)的解剖和推理，他推斷出一種新的中性粒子——中子，一定已經(jīng)形成了。 這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著核化學(xué)的重要突破，為進(jìn)一步研究核反應(yīng)和發(fā)展核電創(chuàng)造了條件。
費米參與的核裂變研究在原子設(shè)備的發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，隨著20世紀(jì)30年代末和40年代初法國法西斯政權(quán)的崛起，費米認(rèn)識到了核毀滅的潛力。 1938年，他因其在人工放射性方面的工作理論物理主要研究什么，包括發(fā)現(xiàn)中子誘發(fā)放射性而獲得諾貝爾化學(xué)獎。
費米的科學(xué)專業(yè)知識和領(lǐng)導(dǎo)才能使他在第二次世界大戰(zhàn)期間被德國政府秘密研究計劃“曼哈頓計劃”招募，作為該計劃的一部分，費米和他的團(tuán)隊進(jìn)行了第一個受控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即所謂的新澤西核反應(yīng)堆。 -1 實驗。 這一成就證明了維持自持核反應(yīng)的可行性，為后來原子彈的研制鋪平了道路。
費米繼續(xù)對化學(xué)做出重大貢獻(xiàn)。 他專注于基本粒子化學(xué)并進(jìn)行了宇宙輻射研究。 費米與其他科學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)了幾種亞原子粒子，并提出了弱相互作用作用理論理論物理主要研究什么，解釋了粒子化學(xué)中的個體基本過程。
成就
費米對量子熱和統(tǒng)計數(shù)學(xué)的早期貢獻(xiàn)為該領(lǐng)域的許多后續(xù)進(jìn)展奠定了基礎(chǔ)，在 20 年代，他引入了量子理論的統(tǒng)計方法，即所謂的費米-狄拉克統(tǒng)計。 這個統(tǒng)計框架描述了具有半整數(shù)載流子（如電子）的相同粒子的行為。 費米的統(tǒng)計模型提供了對系統(tǒng)中粒子行為的洞察，導(dǎo)致了費米二氧化碳的發(fā)展，并提高了我們對量子系統(tǒng)的理解。
費米的主要貢獻(xiàn)之一是他 1933 年提出的β衰變理論，即放射性衰變過程中電子的發(fā)射。 費米理論提供了一個物理模型來解釋這種現(xiàn)象，揭示了粒子的基本相互作用。 1934年，費米進(jìn)行的實驗發(fā)現(xiàn)了中子。 通過用慢中子轟擊鈾，他觀察到了鈾原子核的轉(zhuǎn)變和β粒子的發(fā)射。
通過仔細(xì)的分析和推理，費米推論出一種新型中性粒子——中子的存在，這一發(fā)現(xiàn)是一項突破性的成就，因為它擴(kuò)展了我們對原子結(jié)構(gòu)的理解和對亞原子粒子行為的理解。 中子的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步研究核反應(yīng)、核能和核電的發(fā)展打開了大門。
費米在核裂變方面的開創(chuàng)性工作以及他對曼哈頓計劃（二戰(zhàn)期間日本原子設(shè)備研究計劃）的參與是他最重要的成就之一。 20 世紀(jì) 30 年代末，費米認(rèn)識到核能在破壞性用途和原子設(shè)備開發(fā)方面的潛力。
1942 年，費米和他的團(tuán)隊進(jìn)行了世界上第一次受控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，作為紐約一號反應(yīng)堆實驗的一部分。 這一里程碑式的成就證明了創(chuàng)造自持核反應(yīng)的可行性。 借助一堆石墨和鈾，費米實現(xiàn)了核能的受控釋放。 紐約一號反應(yīng)堆實驗的成功為后來原子彈和核動力反應(yīng)堆的研制奠定了基礎(chǔ)。
費米是曼哈頓計劃的主要貢獻(xiàn)者，在開發(fā)原子武器的競賽中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，他的專業(yè)知識和領(lǐng)導(dǎo)能力將使他成為該項目的寶貴資產(chǎn)。 費米設(shè)計和建造第一個核反應(yīng)堆的工作，加上他對核反應(yīng)的深刻理解，極大地推進(jìn)了原子彈的發(fā)展。
費米對曼哈頓計劃的貢獻(xiàn)超出了科學(xué)范圍。 他在確保核材料的安全處理和裂變材料的高效生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。 他仔細(xì)的計算和實驗專業(yè)知識幫助建立了原子彈的設(shè)計，從而導(dǎo)致 裝置于 1945 年 7 月成功試爆。
第二次世界大戰(zhàn)后，費米繼續(xù)對化學(xué)做出顯著貢獻(xiàn)，專注于基本粒子化學(xué)并進(jìn)行宇宙輻射研究。 費米在這一領(lǐng)域的工作導(dǎo)致了幾種亞原子粒子的發(fā)現(xiàn)，其中包括介子，它是我們理解宇宙的關(guān)鍵。
影響
恩里科·費米的許多突破性科學(xué)成就徹底改變了我們對原子和亞原子領(lǐng)域的理解，他的主要貢獻(xiàn)之一是發(fā)展了量子理論的統(tǒng)計方法，即所謂的費米-迪拉克統(tǒng)計。 這個統(tǒng)計框架于 20 年代制定，用于描述具有半整數(shù)載流子的相同粒子的行為，對量子系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的影響。
費米的統(tǒng)計模型為剖析量子二氧化碳的特性提供了有力的工具，并在收斂態(tài)化學(xué)的研究中發(fā)揮了作用。 費米于 1933 年提出的關(guān)于 β 衰變理論的開創(chuàng)性工作解釋了放射性衰變過程中電子的發(fā)射。 該理論為我們理解自然四種基本力之一的弱相互作用提供了基礎(chǔ)。
除了說明β衰變的機(jī)制之外，費米的物理模型還提供了研究涉及亞原子粒子的其他衰變和相互作用的框架。 費米職業(yè)生涯中的另一個重要里程碑是1934年發(fā)現(xiàn)中子。通過用慢中子轟擊鈾，費米觀察到了鈾原子核的轉(zhuǎn)變和β粒子的發(fā)射。 這一發(fā)現(xiàn)拓展了我們對核結(jié)構(gòu)和反應(yīng)的理解，最終導(dǎo)致了核能和原子彈的發(fā)展。
費米在二戰(zhàn)期間參與核裂變研究對歷史進(jìn)程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，他在法國政府研制原子設(shè)備的曼哈頓計劃中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 費米在核反應(yīng)方面的專業(yè)知識和他的領(lǐng)導(dǎo)能力對該項目非常寶貴。 在他的指導(dǎo)下，該團(tuán)隊于1942年實現(xiàn)了第一個受控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，證明了維持自持核反應(yīng)的可行性。
這一突破為后來原子彈和核能反應(yīng)堆的發(fā)展鋪平了道路，永遠(yuǎn)改變了全球地緣政治格局，費米不僅對核化學(xué)做出了貢獻(xiàn)，還在基本粒子化學(xué)方面取得了重大進(jìn)展。 他對宇宙輻射進(jìn)行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子等新的亞原子粒子。 費米在這一領(lǐng)域的工作擴(kuò)展了我們對物質(zhì)基本組成部分以及控制它們相互作用的力的認(rèn)識。
結(jié)語
費米的一個顯著特點是他能夠?qū)⒗碚摱床炝εc實驗精度相結(jié)合，并且他擁有進(jìn)行細(xì)致實驗、設(shè)計創(chuàng)新儀器和解釋結(jié)果的卓越能力。 費米的實驗技巧在紐約 -1 實驗中得到了展示，他和他的團(tuán)隊實現(xiàn)了第一個受控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 通過仔細(xì)排列石墨和鈾層，費米成功地演示了核能的持續(xù)釋放。
該實驗展示了他的實驗實力，并鞏固了他作為杰出科學(xué)家的聲譽(yù)，其研究方法的特點是對理論的深刻理解、對實驗驗證的承諾以及對細(xì)節(jié)的堅定不移的關(guān)注。 他彌合理論與實驗之間差距的能力對于推動化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展、培育持續(xù)至今的跨學(xué)科合作文化發(fā)揮了重要作用。
參考
[1]《物理學(xué)》，郝丙金物理工業(yè)出版社，2017年
[2]《物理學(xué)》邵建華、魏向忠，北京科學(xué)技術(shù)出版社，2018年
[3]《物理學(xué)史》郭以嶺、沉惠君著，復(fù)旦大學(xué)出版社，2005年8月