1中子物理學簡介

研究中子與各種物質間的相互作用的近代物理學的一個分支。大
中子物理學之父:恩里科·費米

  中子物理學之父:恩里科·費米

致可分為
1 .宏觀中子物理:研究各種能量的中子在宏觀物質中的運動規律。
2 .微觀中子物理:研究各種能量的中子與分子、原子和核間的相互作用。
此學科的研究,在原子動力和國防上都很重要,例如中子輻射武器(中子彈)的研製;並開闢了同位素在各學利和生廠· ,中的應用,還可探索新的利用原子能力一法的重要途徑。

2中子物理學之父

恩里科·費米(Enrico Fermi,1901—1954),美籍義大利裔物理學家,第一座核反應堆的設計者。比薩大學哲學博士,佛羅倫薩大學、羅馬大學和芝加哥大學教授。在物理學史上,要給費米正確的評價,現在似乎還為時太早。他是20世紀唯一擅長理論與實驗的物理學家,是一位多學科性的學者。他總是搖擺於理論物理學與實驗物理學之間,很方便地適應著變化中的需要。
費米19019月29日年生於義大利羅馬,費米小時候就表現出非凡的才能,他父親的一位同事便有意識地培養他,給他讀數學、物理方面的書。當他還是一個中學生的時候,就已具備大學研究生的水平。1918年進入比薩大學,1922年獲比薩大學博士學位。1923年前往德國,在玻恩的指導下從事研究工作。1924年到荷蘭萊頓研究所工作。1926年任羅馬大學理論物理學教授。1929年任義大利皇家科學院院士。1934年用中子轟擊原子核產生人工放射現象,開始中子物理學研究,被譽為「中子物理學之父」。1936年出版的熱力學講義成為後人教學用書的著名藍本。由於他在中子轟擊方面,尤其是用熱中子轟擊方面的成績,1938年榮獲諾貝爾物理學獎。1939年任教於美國哥倫比亞大學。
美國原子能委員會設立了費米獎金,1954年首次獎金授予他本人。20世紀以來,物理學研究領域的廣度和深度都發展得很快;很少有人能在幾個領域都作出重要的貢獻。可是費米對理論物理和實驗物理都作出了重要的貢獻,有些還是開創性的成就,這在20世紀是少見的。1954年11月29日費米病逝於芝加哥。終年53歲。
1925—1926年,費米根據泡利不相容原理,與英國物理學家狄拉克各自導出物理學的深奧分支——量子統計中的「費米-狄拉克統計」。費米發展了統計理論並運用它來描述現在稱為「費密子」的粒子裂變。這項研究導出了他的第一項不朽的工作,導出了「費米分佈」、「費米球」、「費米液體」、「費米子」等概念。費米的理論在科學上是非常重要的,使我們能更好地了解原子核。
1932年,英國物理學家詹姆斯·查德威克發現了一種新的遜原子微粒——中子。費米從1934年起用中子轟擊許多已知的化學元素,開始了史無前例的關於中子引起的核反應的研究,提出熱中子的擴散理論。他在用中子轟擊鈾原子的核反應實驗中,得到了一種「新元素」。當時他把這種元素起名為「超鈾」元素,首創了β衰變的定量理論,為原子能研究奠定了重要的理論基礎。
費米因利用中子輻射發現新的放射性元素,及慢中子所引起的有關核反應,獲1938年諾貝爾物理學獎。但這時他卻在義大利遇到了麻煩。首先,他的妻子是猶太人,而墨索里尼政府頒布了一系列反猶太人的法律。第二,費米強烈地反對法西斯,在墨索里尼的獨裁統治下,這是危險的。1938年12月,他前往斯德哥爾摩領取諾貝爾獎,之後就再也沒有返回義大利。他去了紐約,求賢若渴的哥倫比亞大學聘用了他,1944年他成為美國公民。
其實,費米得到的並不是「超鈾」元素。1939年費米到了美國。當時德國科學家哈恩與斯特拉斯曼用化學方法檢驗了費米的實驗,發現:用中子轟擊鈾原子,只能得到地球上已存在的鋇。這不啻石破天驚!從費米的錯誤結論出發,竟然得到一個意想不到的驚人成就。因為鋇的重量略高於鈾的一半,這是無法用原子核的「衰變」理論解釋的。因此,哈恩與斯特拉斯曼便大膽地提出一種新設想,認為鈾原子核受到中子的轟擊后,不是「衰變」,而是「分裂為大致相等的兩個中等質量的原子」。這就是著名的「裂變理論」。
「裂變理論」誕生之時,費米正在外出途中。當他從雜誌上獲悉這一驚人的消息后,就像別的一流科學家一樣,立刻認識到了鈾裂變可能會釋放出大量的中子,產生鏈式反應。費米還預見到鏈式反應的潛在軍事用途。他馬上返回哥倫比亞大學,一頭扎進物理實驗室。他用精密細緻的實驗驗證了「裂變理論」的正確性,並致力於研究裂變的「鏈式反應」,進而建立了一整套「鏈式反應」的基本概念和基礎理論。
1939年3月,費米與美國海軍聯繫,試圖使他們對發展核武器感興趣。也就是幾個月後,愛因斯坦就此項目給羅斯福總統寫了一封信,美國政府開始對原子能感興趣了。
一旦美國政府對此發生了興趣,科學家的首要任務就是建立一個核反應堆樣本,看看自持續鏈式反應是否可行。由於費米是世界上第一流的中子權威,以及他兼具試驗和理論才能,所以他被選為組長,組織建立世界上第一個核反應堆。他先在哥倫比亞大學工作,后又在芝加哥大學工作。就是在芝加哥,1942年12月2日,在費米領導下設計和生產的第一座核反應堆成功運行了。這確實是原子時代的開始,因為這是人類頭一次成功地實現鏈式反應。成功的消息傳到東部時用的是暗語,但也是一種預言:「這位義大利的航海家進入了新世界。」
由於這次成功的試驗,美國決定全速實行曼哈頓計劃。費米作為傑出的科學顧問,繼續在該項目中起重要作用。
戰後,費米在芝加哥大學任教。1945年之後。轉向介子物理學和天體物理學研究。他先後獲得德國普朗克獎章、美國哲學會劉易斯獎學金和美國費米獎。1953年被選為美國物理學會主席。還被德國海森堡大學、荷蘭烏特勒支大學、美國華盛頓大學、哥倫比亞大學、耶魯大學、哈佛大學、羅切斯特大學和拉克福德大學授予榮譽博士。1954年因胄癌逝於芝加哥 1955年原子序數100的人工所制元素被命名為鐨,以紀念他對科學的貢獻。
費米之所以成為重要人物,有以下幾個原因。一是他是無可爭議的20世紀最偉大的科學家,而且是為數不多的兼具傑出的理論家和傑出的試驗家天才的人。他在其生涯中寫了250多篇科學論文。二是費米在發明原子爆破方面是一個非常重要的人物,儘管別人在推動這項事業的發展上也起了同樣重要的作用。
然而費米最重要的作用是在研製核反應堆上。他首先是對基本理論的形成作出了貢獻,其次是在實踐中主持了第一座反應堆的設計和生產。沉湎於科學研究中的費米用自己的心血,換取了人類科學史上的又一個劃時代的進步。鈾核反應的實驗成功及其基礎理論的產生,為後來原子彈的試製成功提供了有力的實驗基礎和可靠的理論依據。這一重大成果,打開了長期封閉的原子核能寶庫的巨鎖,為人類找到了取之不盡、用之不竭的新能源寶藏。由於取得如此巨大的成就,費米成為原子能事業的先驅,成為世界上最有聲望的科學家之一。
從1945年以後,原子武器從未用於戰爭。出於和平目的,大量的核反應堆建成用來產生能源。在未來,反應堆將成為更重要的能源來源。此外,一些反應堆被用來生產有用的放射性同位素,用在醫學和科學研究上。反應堆還是鈈的一個來源,這是製造原子武器的一種材料。人們對核反應堆可能對人類產生危害存有害怕心理,但沒人抱怨它是個無意義的發明。不管是好還是壞,費米的工作對未來世界產生了巨大的影響。
費米是20世紀所有偉大的物理學家中最受尊敬和崇拜者之一。他之所以受尊敬和崇拜,是因為他在理論物理和實驗物理兩方面的貢獻,是因為在他領導下的工作為人類發現了強大的新能源,而更重要的是因為他的個性:他永遠可靠和可信任;他永遠腳踏實地。他的能力極強,卻不濫用影響,也不嘩眾取寵,或巧語貶人。不論是作為一位物理學家還是作為一個人,費米深為所有的人所崇敬。他之所以使人肅然起敬是因為他是一個紮實的人。他的所有表現無不散發出他的這種品格的魅力。為了反對把原子能用於戰爭目的,費米於1946年初離職回到芝加哥大學任教,轉入粒子物理這個新領域的研究。一批有為的青年慕名來到芝加哥大學,聚集在他的左右,其中如楊振寧、李政道、M.蓋耳-曼和O.張伯倫等人,後來都成為有重要貢獻的物理學家。芝加哥大學的同步回旋加速器建成以後,費米和他的小組於1951年發現了第一個核子共振態。
楊振寧於1945年獲獎學金離開中國赴美國留學,他渴望在費米的指導下學習,為此來到哥倫比亞大學。當他得知費米已轉到芝加哥大學時,便又前往芝加哥讀研究生。後來,費米和楊振寧在基本粒子的研究中共同提出了「費米-楊振寧模型」。
瓊·希頓(寒春)是第二次世界大戰中費米在洛斯阿拉莫斯的助手之一,戰後成為芝加哥大學的研究生。1948年春她去了中國,和她的男朋友歐文·恩斯特(陽早)結婚,並定居中國,夫婦兩人均從事奶牛品質改良及農機具革新工作。在她離開之前,她覺得應該告訴費米她打算去中國共產黨控制區。考慮幾天後她終於告訴了費米。費米說什麼呢?「他沒有反對,對此我永生感激。」寒春說。

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