Энрико (в центре) в возрасте четырех лет с братом Джулио и сестрой Марией.
Ферми в возрасте 16 лет, перед поступлением в Нормальную школу Пизы.
Энрико Персико (в центре) с Ферми (второй справа) вовремя каникул группы физиков в Валле д’Аоста в декабре 1932 года.
В 1911 году новозеландский физик и химик Эрнест Резерфорд (1871- 1937) заметил, что некоторые альфа-частицы, излучаемые радиоактивным веществом, резко меняют траекторию при прохождении через тонкий лист золотой фольги, при этом небольшое их количество отражается, а большая часть проходит сквозь лист (рисунок 1). Эксперимент, проведенный Резерфордом, Гейгером и Марсденом, противоречил атомной модели Томсона — иногда ее называли моделью «сливового пудинга» или «булочки с изюмом». Отклонение происходило при столкновении альфа-частицы и атомного ядра. Чтобы объяснить результаты, Резерфорд предложил атомную модель, в которой большая часть массы атома и весь его положительный заряд находились в определенной области, названной ядром, а вокруг него, как в миниатюрной планетарной системе, по орбитам вращались электроны, и их общий заряд точно соответствовал положительному заряду ядра (рисунок 2). Эта модель часто используется в изображении атомов и сегодня. Она предусматривает условие, которое совсем не кажется очевидным: большая часть атома пуста. Позже Резерфорд теоретически обосновал существование нейтрона, который обнаружил опытным путем английский физик Джеймс Чедвик в 1932 году.
РИС. 1
РИС . 2
Альберт Эйнштейн заинтересовался теорией Планка и использовал ее в 1905 году для объяснения фотоэлектрического эффекта, который невозможно было объяснить с помощью господствующей волновой теории. Эйнштейн предположил, что свет делится на кванты, то есть на маленькие части, имеющие свойства частиц и называющиеся фотонами.
При фотоэлектрическом эффекте пучок света падает на металлическую пластину и производит электрический ток, который измеряется амперметром (см. рисунок). По классической волновой теории, свет высвобождает электроны металла в зависимости от энергии, или интенсивности падающего света, и независимо от его частоты, или цвета. Поэтому чем интенсивнее свет, тем сильнее должен быть ток. Однако голубой свет низкой интенсивности производил фотоэлектрический эффект, а более интенсивный красный свет — нет.
Схема цели, в которой можно наблюдать фотоэффект.
Следовательно, основополагающим фактором была частота, а не интенсивность света. Эйнштейн пришел к выводу, что электроны высвобождаются из металла под воздействием фотонов, которые следуют закону Планка, поэтому энергия Е фотонов напрямую зависит от частоты, и только фотоны с высокой частотой (превышающей определенный порог) могут выбить электроны из пластины. В 1921 году за свое объяснение фотоэлектрического эффекта Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Благодаря его работе сегодня мы можем пользоваться солнечными батареями и датчиками освещения. Путь квантовой механике был открыт.
ГЛАВА 2
Мир фермионов
На заре XX века классическая физика уже не выдерживала натиска теории относительности и квантовой механики. Появилось несколько моделей атомов, были доказаны корпускулярно-волновой дуализм и важность статистической физики для изучения мира атомов. Статистическая теория Ферми объяснила поведение многих элементарных частиц, названных в его честь фермионами. С этого момента список частиц, составляющих Вселенную, начал неуклонно расти. Последним открытием стала частица, похожая на бозон Хиггса.
Приехав в Пизу, молодой Ферми получил скромную, холодную, но собственную комнату, а предоставленная ему стипендия позволяла не заботиться о хлебе насущном. Меню студента не отличалось разнообразием, но гораздо больше его внимание привлекала обширная библиотека Нормальной школы. Энрико быстро выполнял учебные задания и продолжал свое образование, выходившее за рамки программы. Наставника Амидеи рядом не было, и Ферми самостоятельно выбирал себе литературу. В его записках того периода часто встречаются аккуратные списки прочитанных книг. В 1919 году Ферми начал изучать первые работы Нильса Бора (1885-1962) о спектре водорода, электронную теорию материи Оуэна Уилланса Ричардсона (1879-1959), тензорное исчисление Туллио Леви-Чивиты (1873-1941), труды по специальной теории относительности, работы Людвига Больцмана (1844-1906) по статистической физике и учебник Эрнеста Резерфорда (1871-1937) по радиоактивности.
Ферми проводил время не только за учебой. В Пизе он познакомился с Франко Разетти, тоже студентом-физиком первого курса, который, как и Ферми, увлекался не только естественными науками, но и горными прогулками. Энрико часто бывал у Разетти дома, где мама товарища готовила лакомства, вносившие разнообразие в однообразную диету юноши в Нормальной школе. Какое-то время друзья развлекались тем, что подшучивали над профессорами. Вместе с товарищами, среди которых был Нелло Каррара, они подвешивали ведра с водой над полузакрытыми дверями, устраивали маленькие взрывы в химической лаборатории и взрывали вонючие бомбочки в классе. К счастью для Ферми, их преподаватель по экспериментальной физике, Луиджи Пуччанти, был очень терпеливым человеком, на специально созванной комиссии он вступился за талантливых студентов и помог им избежать исключения из школы.
Более того, Пуччанти разрешил Ферми, Разетти и Карраре свободно пользоваться лабораториями. В его собственной лаборатории было оборудование для спектроскопии и работы с рентгеновскими лучами, которое имело огромную важность для первых экспериментальных работ Ферми и впоследствии для его докторской диссертации.
Люди должны смириться с тем, что невежество не может быть лучше знания.
Энрико Ферми
В 1920 году Ферми изучил труд немецкого физика Арнольда Зоммерфельда (1868-1951) Atombau und SpektraUinien («Строение атома и спектры»), который считался библией атомной физики. Зоммерфельд был известен как эксперт по теории Бора — Зоммерфельда. В атомной модели датского физика Нильса Бора электроны были распределены вокруг ядра равномерно. По его мнению, они двигались по круговым орбитам, или квантовым уровням (n). Энергия электрона зависела от орбиты, на которой он находился: чем дальше от ядра, тем энергия выше. Радиусы орбит и энергия электронов могли иметь всего несколько численных значений: в атоме водорода энергия электрона была бы примерно равна
E = -13,6 eV/n2
Электрон-вольт (эВ) — это единица, равная количеству энергии, которое нужно затратить, чтобы частицу с зарядом, равным заряду электрона, переместить в электрическом поле на разность потенциалов в один вольт. Это количество примерно равно 1,602-10-9 Джоуля.
Квантовая механика легла в основу физической научной революции начала XX века и лучше, чем классический подход, объясняла мир атомов. Она описывает поведение частиц и сил, управляющих Вселенной, посредством математических уравнений, определяющих квантовые состояния, в которых может находиться каждая частица или система. Квантовые состояния описываются квантовыми числами (см. таблицу ниже).
| Название | Обозначение | Возможные значения | Значение |
| Главное число | n | 1 ≤ n n = 1, 2, 3... | Обозначает расстояние между ядром и электроном в зависимости от энергетического уровня. |
| Орбитальное число | l | 0 ≤ l ≤ n-1, следовательно n = 3: l = 0,1,2 (s, р. d) | Определяет форму орбит и энергетический подуровень, на котором находится электрон. |
| Магнитноечисло | m1 | -l ≤ m1 ≤ l, следовательно l = 2: m1 = - 2,-1, 0, 1, 2 | Характеризует ориентацию орбитального энергетического подуровня в пространстве. |
| Спиновое число | ms | Для электрона: -1/2, 1/2 | Связанос предполагаемым вращением электрона вокруг своей оси. |