文|環(huán)宇約會(huì)史
編輯|通用約會(huì)歷史
前言
恩里克·費(fèi)米是一位杰出的美國(guó)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(fèi)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(yǔ)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(fèi)米的研究生涯跨越了數(shù)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，包括統(tǒng)計(jì)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(duì)亞原子世界的理解，并為后來(lái)的許多發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
恩里克·費(fèi)米作為一位杰出的化學(xué)家，他的研究對(duì)人類做出了哪些貢獻(xiàn)？
背景資料
20世紀(jì)20年代，費(fèi)米對(duì)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(jì)方法，今天稱為費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，它描述了相同的粒子行為。 這項(xiàng)工作成為費(fèi)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(jì)模型的發(fā)展。
費(fèi)米最具開(kāi)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(guò)程中電子的發(fā)射。 據(jù)悉，1934年，費(fèi)米進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，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(duì)隨后的核研究和核反應(yīng)堆的發(fā)展至關(guān)重要。
費(fèi)米在 1930 年代末和 40 年代初參與的核裂變研究在曼哈頓計(jì)劃（韓國(guó)政府在二戰(zhàn)期間開(kāi)發(fā)原子彈的努力）中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 1942年，費(fèi)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(gè)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(fèi)米繼續(xù)對(duì)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(fèi)米的研究為他贏得了無(wú)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(jiǎng)。 費(fèi)米對(duì)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(lái)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(fèi)米的工作徹底改變了我們對(duì)原子和亞原子領(lǐng)域的理解。 從他早期對(duì)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(fèi)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(lì)著后代化學(xué)家探索宇宙的奧秘。
生活經(jīng)驗(yàn)
恩里科·費(fèi)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(fèi)米對(duì)科學(xué)的熱情是由他的兒子阿爾貝托·費(fèi)米（交通部巡視員）培養(yǎng)的。 在家人的鼓勵(lì)下，費(fèi)米產(chǎn)生了強(qiáng)烈的好奇心和求知欲。
費(fèi)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(shí)，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(fèi)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(jì)方法（即所謂的費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)）方面發(fā)揮了重要作用。 這種統(tǒng)計(jì)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(duì)量子系統(tǒng)的理解。 費(fèi)米的工作為費(fèi)米二氧化碳的研究奠定了基礎(chǔ)，費(fèi)米二氧化碳是服從這種統(tǒng)計(jì)的不可區(qū)分的粒子系統(tǒng)。
這一時(shí)期的另一個(gè)值得注意的成就是費(fèi)米的β衰變理論，他于1933年提出了一個(gè)物理模型來(lái)解釋放射性衰變過(guò)程中電子的發(fā)射。 這個(gè)理論被稱為費(fèi)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(fèi)米最杰出的貢獻(xiàn)之一是 1934 年，當(dāng)時(shí)他進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)最終發(fā)現(xiàn)了中子。 通過(guò)用慢中子轟擊鈾，費(fèi)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(guò)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(fèi)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(guó)法西斯政權(quán)的崛起，費(fèi)米認(rèn)識(shí)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(jiǎng)。
費(fèi)米的科學(xué)專業(yè)知識(shí)和領(lǐng)導(dǎo)才能使他在第二次世界大戰(zhàn)期間被德國(guó)政府秘密研究計(jì)劃“曼哈頓計(jì)劃”招募，作為該計(jì)劃的一部分，費(fèi)米和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了第一個(gè)受控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即所謂的新澤西核反應(yīng)堆。 -1 實(shí)驗(yàn)。 這一成就證明了維持自持核反應(yīng)的可行性，為后來(lái)原子彈的研制鋪平了道路。
費(fèi)米繼續(xù)對(duì)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(fèi)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(gè)體基本過(guò)程。
成就
費(fèi)米對(duì)量子熱和統(tǒng)計(jì)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(jì)方法，即所謂的費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。 這個(gè)統(tǒng)計(jì)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(fèi)米的統(tǒng)計(jì)模型提供了對(duì)系統(tǒng)中粒子行為的洞察，導(dǎo)致了費(fèi)米二氧化碳的發(fā)展，并提高了我們對(duì)量子系統(tǒng)的理解。
費(fèi)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(guò)程中電子的發(fā)射。 費(fèi)米理論提供了一個(gè)物理模型來(lái)解釋這種現(xiàn)象，揭示了粒子的基本相互作用。 1934年，費(fèi)米進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中子。 通過(guò)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(guò)仔細(xì)的分析和推理，費(fèi)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(xiàng)突破性的成就，因?yàn)樗鼣U(kuò)展了我們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的理解和對(duì)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(kāi)了大門。
費(fèi)米在核裂變方面的開(kāi)創(chuàng)性工作以及他對(duì)曼哈頓計(jì)劃（二戰(zhàn)期間日本原子設(shè)備研究計(jì)劃）的參與是他最重要的成就之一。 20 世紀(jì) 30 年代末，費(fèi)米認(rèn)識(shí)到核能在破壞性用途和原子設(shè)備開(kāi)發(fā)方面的潛力。
1942 年，費(fèi)米和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了世界上第一次受控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，作為紐約一號(hào)反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)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(fèi)米實(shí)現(xiàn)了核能的受控釋放。 紐約一號(hào)反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)的成功為后來(lái)原子彈和核動(dòng)力反應(yīng)堆的研制奠定了基礎(chǔ)。
費(fèi)米是曼哈頓計(jì)劃的主要貢獻(xiàn)者，在開(kāi)發(fā)原子武器的競(jìng)賽中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，他的專業(yè)知識(shí)和領(lǐng)導(dǎo)能力將使他成為該項(xiàng)目的寶貴資產(chǎn)。 費(fèi)米設(shè)計(jì)和建造第一個(gè)核反應(yīng)堆的工作，加上他對(duì)核反應(yīng)的深刻理解，極大地推進(jìn)了原子彈的發(fā)展。
費(fèi)米對(duì)曼哈頓計(jì)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)專業(yè)知識(shí)幫助建立了原子彈的設(shè)計(jì)，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(fèi)米繼續(xù)對(duì)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(fèi)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(fèi)米的許多突破性科學(xué)成就徹底改變了我們對(duì)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(jì)方法，即所謂的費(fèi)米-迪拉克統(tǒng)計(jì)。 這個(gè)統(tǒng)計(jì)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(duì)量子系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的影響。
費(fèi)米的統(tǒng)計(jì)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(fèi)米于 1933 年提出的關(guān)于 β 衰變理論的開(kāi)創(chuàng)性工作解釋了放射性衰變過(guò)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(shuō)明β衰變的機(jī)制之外，費(fèi)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(fèi)米職業(yè)生涯中的另一個(gè)重要里程碑是1934年發(fā)現(xiàn)中子。通過(guò)用慢中子轟擊鈾，費(fèi)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(duì)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(fèi)米在二戰(zhàn)期間參與核裂變研究對(duì)歷史進(jìn)程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，他在法國(guó)政府研制原子設(shè)備的曼哈頓計(jì)劃中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 費(fèi)米在核反應(yīng)方面的專業(yè)知識(shí)和他的領(lǐng)導(dǎo)能力對(duì)該項(xiàng)目非常寶貴。 在他的指導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)于1942年實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)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(lái)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(fèi)米不僅對(duì)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(duì)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(fèi)米在這一領(lǐng)域的工作擴(kuò)展了我們對(duì)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(shí)。
結(jié)語(yǔ)
費(fèi)米的一個(gè)顯著特點(diǎn)是他能夠?qū)⒗碚摱床炝εc實(shí)驗(yàn)精度相結(jié)合，并且他擁有進(jìn)行細(xì)致實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)創(chuàng)新儀器和解釋結(jié)果的卓越能力。 費(fèi)米的實(shí)驗(yàn)技巧在紐約 -1 實(shí)驗(yàn)中得到了展示，他和他的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)受控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 通過(guò)仔細(xì)排列石墨和鈾層，費(fèi)米成功地演示了核能的持續(xù)釋放。
該實(shí)驗(yàn)展示了他的實(shí)驗(yàn)實(shí)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(diǎn)是對(duì)理論的深刻理解、對(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的承諾以及對(duì)細(xì)節(jié)的堅(jiān)定不移的關(guān)注。 他彌合理論與實(shí)驗(yàn)之間差距的能力對(duì)于推動(dòng)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