Jedan od najslavnijih teoretskih i eksperimentalnih fizičara prve polovine XX veka svakako je bio Italijan Enriko Fermi (Enrico Fermi, 1901-1954). Kada mu je 1938. godine dodeljena Nobelova nagrada za fiziku, Enriko, čija supruga je bila poreklom Jevrejka, iskoristio je odlazak u Štokholm kao priliku da zajedno pobegnu iz fašističke i antisemitske Italije u Ameriku.
|
NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJI SU PROMENILI ISTORIJU ČOVEČANSTVA Knjigu možete poručiti ovde |
Fermi spada među one (retke) naučnike kojima dodeljivanje Nobelove nagrade nije obeležilo i kraj naučničke karijere i slave. On će se proslaviti tek po njenom dobijanju. Zasluženo poštovanje kolega stekao je uspehom koji je sa ekipom vrsnih stručnjaka postigao ostvarivši prvu kontrolisanu nuklearnu lančanu reakciju u istoriji. To im je pošlo za rukom na Čikaškom univerzitetu tokom Drugog svetskog rata. Još dok je radio na univerzitetu u rodnom Rimu, Fermi je bio zapažen po osećaju za izbor izvrsnih saradnika među studentima. To je isto činio i u Čikagu - mnogi od tih iza branika kasnije će kasnije postati poznati naučnici i nobelovci.
Posle jednog svog članka o karakteristikama zvuka, mladi Fermi je kao sedamnaestogodišnjak dobio školarinu u prestižnoj školi u Pizi, da bi potom nastavio studije u ”Reale Scuola Normale” pri Univerzitetu u Pizi, gde je na temi istraživanja X-zraka doktorirao već u 21. godini. Na toj školi je studirao i mnogo mlađi Karlo Rubia (Carlo Rubbia, 1934), takođe budući fizičar i nobelovac. Ko je tada mogao da pretpostavi da će 1989. godine Rubia postati direktor CERN-a (Organisation Europeene pour la Recherche Nucleaire[1]), u to vreme vodećeg svetskog centra za sudare protona-antiprotona.
Posle doktorata Fermi odlazi u Nemačku, na znameniti Univerzitet Getingen[2] i tamo radi sa fizičarem Maksom Bornom sve do povratka u Italiju 1924. godine, gde podučava studente matematiku na Univerzitetu u Firenci. Kao 26-godišnjak u Rimu postaje profesor teorijske fizike, postavši najmlađi profesor u Italiji još od XVI veka i znamenitog Galileja.
Enriko Fermi je bio prvi koji je matematički izrazio tzv. slabu nuklearnu silu, što mu je omogućilo da podrobno predskaže mnoge nuklearne reakcije, kao npr. onu sa kobaltom 60Co. Naime, profesorka eksperimentalne fizike sa Kolumbija Univerziteta (radila je u Pupinovoj zgradi za fiziku), Čin-Šian Vu (Chien-Shiung Wu, 1912-97), proučavala je 1957. godine radioaktivno jezgro Co 60, izotopa koji je nestabilan i sklon raspadu. Raspada se na jedno jezgro nikla, jedan neutrino i jedan pozitivan elektron (pozitron). Ovaj oblik raspada bio je poznat kao β raspad, jer se tada za elektrone i pozitrone emitovane u takvim procesima govorilo da predstavljaju beta čestice. Fizičari su se pitali zbog čega nastaje beta raspad, a odgovor se krio u slabom nuklearnom međudejstvu. Postoji, dakle, jedna sila u prirodi koja stvara takve reakcije, beta zračenje[3]. Neke sile privlače, neke odbijaju ili guraju, a neke izazivaju određene vrste promena, poput ove koja pretvara kobalt u nikal, pri čemu se emituje jedan lepton.
Postoje mnoge priče o blistavosti uma Enrika Fermija. Recimo, kada je vršena prva probna eksplozija nuklearne bombe u Novom Meksiku (SAD), Fermi je bio udaljen oko 15 kilometara od mesta eksplozije, ležeći na tlu.
Čim se video bljesak eksplozije, Enriko je ustao i bacio nekoliko papirića ispered sebe.
 Enriko Fermi (1901-1954) je bio jedini fizičar XX veka čiji su i eksperimentalni
i teorijski radovi bili jednako vrednovani.
|
Još do njega nije bio dopro zvuk udaljene eksplozije. Vazduh je bio miran i komadići papira su pali na tle. Nekoliko sekundi kasnije kroz zemlju je stigao udarni talas dižući njegove papiriće i noseći ih nekoliko santimetara dalje. Fermi je na osnovu toga izračunao, na licu mesta, kolika je bila snaga nuklearne eksplozije (bila je ekvivalentna eksploziji 20.000 tona klasičnog eksploziva TNT).
Ta njegova procena približno se podudarila s vrednošću koju su dali proračuni izvedeni nekoliko dana kasnije.
Iako je (između ostalog) bio vrstan matematičar, njegov zemljak i prijatelj Emilio Segre se sećao da su računi za njegove troškove na Čikaškom univerzitetu stizali i stizali, a da Fermi takvu matematiku nikada nije uspevao da shvati. Slično se dešavalo i Nikoli Tesli, koji nikako nije mogao ”da uravnoteži” svoje skromne prihode i enormne rashode.
Alan Wattenberg priča sledeću priču. Fermi je sedeo za ručkom s jednom grupom studenata-fizičara, kada je primetio da su prozori restorana prljavi. Upitao je prisutne: ”Ko može da izračuna koliko debeo mora da bude sloj prljavštine na staklu pre nego što opadne od svoje sopstvene težine?” Posle mnogih nedoumica, pomogao je prisutnima u rešavanju zadatka. Trebalo je krenuti od temeljnih konstanti prirode, primeniti elektromagnetna međudejstva, izračunati dielektrična privlačenja zbog kojih se slojevi lepe jedni za druge itd. Veoma komplikovan račun ...
U Los Alamosu, tokom projekta ”Menhetn” (tokom gradnje nuklearne bombe to je bila šifra koja je obezbeđivala tajnost projekta), neko od fizičara je na autoputu pregazio kojota. Fermi je rekao da je moguće izračunati ukupan broj kojota u pustinji, tako što će se evidentirati ”svaki bliski susret” kojot-automobil. ”To vam je isto kao kod sudara atomskih čestica u akceleratoru. Nekoliko retkih događaja omogućava nam uvid u brojnost cele populacije”, govorio je Fermi.
U njegovu čast jedan institut u SAD nazvan je ”Enrico Fermi”. Velika naučna laboratorija za fiziku čestica u Bataviji, kraj Čikaga, u Ilinoisu, takođe nosi njego vo ime - ”Fermi National Accelerator Laboratory”, ili kraće ”Fermilab”. Dalje, sve kvarkove i leptone jednim imenom nazivamo fermionima. Hemijski elemenat s rednim brojem 100 njemu u čast nosi ime fermijum. Ustanovljena je i nagrada koja je ponela njegovo ime, i 1954. godine on je bio prvi koji ju je dobio, kao i novčani stimulans u iznosu od 25.000 tadašnjih dolara.
Međutim, Fermi nam je ostavio nešto kudikamo važnije od svog rada na prvom nuklearnom reaktoru ispod čikaškog ragbi stadiona, za vreme rata. On je opisao jednu novu prirodnu silu, što je od suštinske važnosti za naše razumevanje mikrosveta i vasione.
Francuski fizičar Antoan Anri Bekerel[4] je 1896. godine otkrio radioaktivnost. Srećnim slučajem stavio je parče urana u fioku gde je držao fotopapir. Kasnije je ustanovio da je fotopapir pocrneo – bio je ”prosvetljen”. Konačno je shvatio da je ”krivac” za to uran, koji je zračio nekim nepoznatim i nevidljivim zracima.
Posle otkrća radioaktivnosti, Raderford je bio taj koji je objasnio podelu na alfa, beta i gama zračenja. Počelo je grozničavo istraživanje beta čestica. Utvrđeno je da su to elektroni. Ali odakle oni dolaze?
Fizičari su utvrdili da se te čestice emituju iz atomskog jezgra, kada ono spontano menja svoje stanje. Tridesetih godina fizičari su utvrdili da se jezgro sastoji od protona i neutrona, i da radioaktivnost nastaje zbog njihove nestabilnosti u nekim jezgrima. Bilo je očigledno da nisu sva jezgra nestabilna (nisu radioaktivna). Zakon o očuvanju energije i tzv. slaba sila igraju važnu ulogu u odlučivanju da li će, i kada, neki proton ili neutron u nekom jezgru da se raspadne. Krajem dvadesetih godina XX veka vršena su merenja mase radioaktivnog jezgra na početku i posle izlaska beta zraka, ne zaboravljajući energiju i masu elektrona koji su izlazili (uz pomoć Ajnštajnove jednačine E = m C2).
Tada se došlo do neverovatnog otkrića: vrednost izmerene energije posle nije se podudarala s vrednošću od pre. Nedostajala je izvesna količina energije - u reakciju je ulazilo više nego što je izlazilo. Volfgang Pauli je dao teorijski predlog da taj deo energije koji nedostaje odnosi neka nepoznata mala i neutralna čestica.
Godine 1933. na scenu stupa Enriko Fermi. Potvrđuje da elektroni u beta zracima potiču iz atomskog jezgra, ali ne direktno. Prvo se u atomskom jezgru dogodi nešto drugo. Najpre se jedan neutron u jezgru raspadne na jedna proton, jedan elektron i jednu malu neutralnu česticu, onu koju je predvideo Pauli. Toj čestici kumuje Fermi, i daje joj ime neutrino[5]. Zvuči li malo italijanski? Ali ako, baš lepo ime – lako se pamti i jednostavno piše na svim jezicima. Sad znamo šta se dešava u atomskom jezgru pre nego iz njega izlete elektroni u obliku beta zraka, ali da pogledamo zašto se to dešava.
Razlog zbog koga se jedan neutron u atomskom jezgru raspadne na proton, elektron (koji zatim izleće kao beta zrak), i neutrino, jeste tzv. slaba nuklearna sila. Fermi je tu silu tako nazvao i ona se od baš tada zove – ”slaba sila” i kvit. A zove se tako, jer je milijardama puta slabija od jake nuklearne sile i hiljadama puta od elektromagnetne sile.
Taj mali nestaško, neutrino, koji se tada rodi, nema dimenzije, nema nikakvo naelektrisanje i skoro nikakvu masu. Prvi deo njegovog imena govori o elektro-neutralnosti, a drugi da je u pitanju deminutiv, što je kum Enriko dobro smislio. U to vreme ga nije bilo moguće neposredno otkriti (tridesetih godina); kasnie da ali s velikom mukom baš zbog toga što je mali i nema naelektrisanje, pa je bilo nemoguće otkriti gde se skriva. To su fizičari provalili tek pedesetih godina, te je knjigovodstvo (bilans) očuvanja energije najzad bilo u redu. I danas se, kada se u savremenim akceleratorima zaključi da sa bilansom energije nešto nije u redu, odmah posumnja na postojanje nekog neutrina.
Opisani raspad neutrona je svakodnevna pojava kod slobodnih neutrona u atomskom jezgru. Takav se raspad može dogoditi i kod onih neutrona koji su zarobljeni u atomskom jezgru, ali samo pod posebnim uslovima. Nasuprot neutronu, proton kao slobodna čestica ne može uopšte da se raspadne (ili je to moguće tek nakon više od 1032 godina. Za upoređenje: od nastanka vasione do danas je prošlo tek nešto više od 1010 godina), dok se sputan u jezgru raspada na jedan neutron, jedan pozitron, i jedan neutrino.
Razlog zbog kojeg se slobodni neutron može raspasti (i to slabim raspadom) jeste, j ednostavno, očuvanj e energij e. Neutron j e teži od protona, pa kad se slobod- ni neutron pretvori u proton, ostaje dovoljno energije u obliku viška mase mi- rovanja da se stvori jedan elektron i jedan mali neutrino, i da ta dva budu poslata na put i usput ponesu nešto malo energije sa sobom. Slobodni proton nema dovoljno mase za tako nešto. Međutim, u atomskom jezgru prisustvo onih drugih čestica delotvorno menjaju masu sputanog protona. I šta se dešava? Ako protoni i neutroni (koji su se zatekli unutar jezgra) mogu, raspadajući se, da povećaju sta- bilnost, a smanje masu jezgra u kome se nalaze, oni to i urade. Ali, ako je jezgro već u svome stanju najniže energije, ono je stabilno i neće se ništa desiti.
Otkriveno je da ono što navodi sve članove hadronske porodice (protone, neutrone i njihove brojne ”rođake”) na raspadanje jeste baš ta slaba sila. Jedini izuzetak od ovoga su, izgleda, slobodni protoni.
Glavna odlika slabe sile je narušavanje parnosti.
Generalno, sve elementarne čestice u kosmosu možemo podeliti na dve grupe: FERMIONEi BOZONE. Fermioni su nazvani po Fermi-Dirakovoj statistici, koja opisuje njihovo ponašanje, a bozoni po imenu indijskog matematičara i fizičara Satjindre Bosa i oni se upravljaju po Bos-Ajnštajnovoj statistici.
Fermioni učestvuju u građi celokupne materije koju poznajemo. Tu porodicu čine sve subatomske čestice koje imaju polovične spinove (1/2, 3/2, 5/2, itd.), i delimo ih u dve potkategorije: leptone i kvarkove. Leptoni poseduju celobrojna jedinična električna naelektrisanja, dok kvarkovi imaju trećine tog naelektrisanja. Bozoni idu ruku pod ruku sa četiri fundamentalne sile, jer su zapravo prenosioci dejstva njihovih sila. To su čestice sa celobrojnim ugaonim momentom, spinom (0, 1, 2, itd.). Bozoni se razlikuju od fermiona po tome što u istom kvantnom stan- ju nisu brojčano ograničeni.
Sve te čestice se različito ponašaju u uslovima velike gustine i temperature. Prema zakonima kvantne mehanike, elektroni u atomu mogu da se kreću oko atomskog jezgra samo po izvesnim diskretnim putanjama. Stanje elektrona u atomu karakteriše njegova putanja oko jezgra i njegov spin. Rekli smo već da prema Paulijevom principu najviše dva elektrona mogu da se nađu na istoj putanji, ali tada moraju imati različiti spin.
Usled sabijanja gasa, svaki elektron može zauzeti svako stanje, pa dolazi do otpora sabijanju. Elektroni vrše pritisak prema spolja i to njihovo svojstvo naziva- mo Fermijevim pritiskom (pritisak elektronske degeneracije), za koji smo u počet- nim poglavljima knjige videli da predstavlja bitan faktor u proučavanju određenih stanja u evoluciji zvezda.
Kada je u svojstvu predsednika Američkog društva za fiziku (APS) Fermi 1954. godine održao oproštajni govor, prorekao je da će u skoroj budućnosti ljudi graditi moćne akceleratore na putanji oko Zemlje, kako bi iskoristili vakuum koji tamo postoji. Finansiranje takvog zamašnog poduhvata nije tolika utopija kao što možda izgleda – u to doba mogli su da ga izdrže vojni budžeti SAD i tadašnjeg Sovjetskog Saveza (oko \(10 hiljada milijardi).
♦
♦ ♦
Pre nekoliko godina moj otac i ja smo napisali veliku knjigu (preko 1000 strana!), koja po sadržaju nema konkurenciju na našem jeziku. U njoj su predstavljene teme iz nekoliko oblasti prirodnih nauka: astronomije, nuklearne fizike, matematike, hemije, elektrotehnike, geologije, itd. Na koji način su pisani tekstovi, koji nivo znanja i informisanosti pokriva i kome se knjiga obraća?Da bi to videli, nastavljam praksu da povremeno na našem sajtu objavim ponešto iz te dvotomne enciklopedije o velikim otkrićima i pronalascima koji su promenili istoriju. Ovog puta radi se o tekstu koji se tiče nuklearne fizike. Priča spada u Drugi tom enciklopedije, za koji nažalost nemam (niti ću ikada imati) dovoljno para da je odštampam. Zato postoji u štampanom formatu Prvi tom, koji reklamiram na sajtu i koji je moguće naručiti preko te reklame, ili javljanjem meni lično (Ova adresa el. pošte je zaštićena od spambotova. Omogućite JavaScript da biste je videli.).
Dok se Prvi tom uglavnom bavi kosmosom, a kroz povest solarnog sistema i naše planete i geologijom i istorijom života i ljudske civilizacije, Drugi tom je zanimljiv jer obrađuje teme i pronalaske vezane za hemiju, fiziku, elektrotehniku, nuklearnu fiziku, matematiku (pročitaj npr. Razvoj matematike od 2.000 p.n.e. do 700 n.e.), itd. Ovog puta, tekst je vezan za slavnog Ferija, bez čijeg učinka u nauci Zemlja ne bi bila ovakva kakva je danas.
[1] Danas najsnažniji i najraznovrsniji istraživački centar za fiziku čestica na svetu, kao i rodno mesto svetskog čuda WWW. Od početnih 11 članica evropskih zemalja (tu je bila i Jugoslavija!), danas je broj porastao na 20. Organizacija je osnovana 1954. godine na osnovu predloga Nobelovca Isidora Isaka Rabija iznešenog na petoj Generalnoj skupštini UNESCO-a.
Počeli su 1957. godine sa sinhrociklotronom (SC) od 600 MeV za posmatranja zračenje pi mezona. Sa jačanjem laboratorije, jačali su i uređaji, pa je 1959. napravljen protonski sinhrotron (PS) od 29 GeV, a 1976 i SPS (Super Proton Synchrotron), obima 7 kilometara, gde su iz sudara proton-antiproton 1981. godine otkriveni nosioci slabe nuklearne sile, subatomske čestice W i Z.
To su uradili Rubia i Fan der Mer, i kasnije podelili novelovu nagradu.
Godine 1989. napravljen je LEP (Large Electron-Positron Collider) obima 27 km, kojim je detaljnije studirana Z čestica. Sa početnih 45 GeV energije (znači da masu jednog elektrona, koja u miru iznosi 511 keV, povećava 90.000 puta), danas je apgrejdovan do 105 Gev.
Trenutno, CERN-ov kompleks ima 6 glavnih akceleratora.
Svetski pimat u ovoj oblasti preuzeo im je američki Fermilab sa svojim akceleratorom Tevatronom (prema TeV; Tera je prefiks za 1012), ali je CERN kao odgovor u septembru 2008. pustio u rad hadronski kolajder (Large Hadron Collider) od 7 TeV obima 27 km. Koštao je fantastičnih \)3 mld.!
Danas CERN zapošljava preko 3.000 ljudi, a oko 6.500 naučnika i inženjera (koji predstavljaju 500 univerziteta i 80 zemalja), što je polovina svih svetskih fizičara za čestice, rade na nekom od brojnih eksperimenata u CERN-u.
[2] Čitavo ime glasi ”Georg-August-Universitat zu Gottingen”; jedan od najpoznatijih univerziteta u Evropi; osnovao ga je 1737. godine engleski kralj Džordž II. Njegov upravnik je bio i Karl F. Gaus, a tokom XX veka su bili privučeni mnogi mladi fizičari iz čitavog sveta, među kojima i budući nobelovci Maks Born, Džems Frenk, Verner Hajzenberg i Maks fon Laue.
Treba znati da je u to vreme, sve do pred kraj rata, Nemačka bila centar napredne nauke i tehnološkog razvoja.
[3] Pri različitim procesima radioaktivnih raspadanja emituju se različita ”zračenja”. Termin ”zračenje” ostao je još iz vremena kada se mislilo da su sve te emisije neka vrsta zrakova. Emituju se:
- Helijumska jezgra, danas nazvana alfa česticama (a ne zračenjem), i označavaju se kao α-čestice ili kao helijum sa dvostrukim plus nabojem, He+2.
- Visokoubrzani elektroni (i pozitroni), nazvani beta česticama (a ne zračenjem), da bi se ukazalo na poreklo radioaktivnog raspada i označavaju se kao β- čestice.
- Gama zraci, koji su zapravo elektron. talasi jako velike učestalosti i označavaju se kao γ-zraci.
- Pozitroni, koji su zapravo pozitivno naelektrisani elektroni i označeni su kao P+ čestice.
- Slobodni elektron iz putanje radioaktivnog atoma može biti zarobljen i uvučen u jezgro, gde se kombinuje sa protonom, stvarajući neutron i neutrino. To se naziva K-hvatanjem.
Svi ovi procesi (sem gama zračenja) stvaraju izotope različitih elemenata - supstance sa različitim atomskim brojem. Kao što se vidi, prilično je zamršeno i složeno ...
[4] Bekereli su poznata francuska porodica fizičara. Navešću neke od njih:
Antoan Sezar (Antoine Cezar, 1788-1878), jedan od prvih istraživača elektrohemije; njegov sin Aleksandar Edmond (Alexandre Edmond, 1820-91), poznat po istraživanjima iz fosforescencije i spektroskopije; i njegov unuk, pomenuti nobelovac Antoan Anri (Antoine Henry Becquerel, 1852-1908). Anriju u čast, jedan krater na Mesecu i jedan na Marsu nose njegovo ime.
[5] 
. Ovo znači da se jedan neutron raspada na jedan proton, jedan elektron i jedan elektronov antineutrino. Primećuješ da na desnoj strani reakcije imamo pozitivan proton i negativan elektron koji se uzajamno poništavaju, a antineutrino je neutralan, nenaelektrisan.
Sve se lepo uklopilo, ali ovo je samo površan pogled na tu reakciju - kao kad gledamo kako jaje pukne i iz njega se pojavi pile. Nismo uopšte videli šta je sve fetus radio unutra. Neutron je, ustvari, konglomerat tri kvarka - jednog gore i dva dole (udd), a proton dva gore i jednog dole (uud). Znači, kad se neutron raspadne i proizvede jedan proton, tom prilikom se jedan kvark d (dole) preobrati u jedan kvark u (gore). Zato je uputnije da pogledamo u neutron i opišemo šta se dešava s tim kvarkovima. Jezikom kvarkova, ova reakcija se može napisati i ovako:
Dakle, jedan kvark dole u neutronu pretvara se u jedan kvark gore, a pri tome emituje jedan elektron i jedan antineutrino. Međutim, čak i ovo je preveliko pojednostavljenje onoga što se stvarno desilo. Prava verzija događaja mora uzeti u obzir činjenicu da elektron i antineutrino ne iskaču neposredno iz kvarka dole. Zato Kvantna teorija slabe sile proces raspada neutrona piše kao događaj koji ima dve faze:
Obrati pažnju da se kvark dole (d) raspada prvo u česticu W- i u jedan kvark gore (u). Tek posle toga se ta W čestica raspada u elektron i antineutrino. Dakle, W je posrednik slabe sile i učesnik u reakciji raspada. U gornjoj reakciji to mora biti negativna W čestica, da bi se uravnotežila promena naelektrisanja koje se dogodila pretvaranjem d u kvark u. Kad sabereš -1, naelektrisanje pomenute čestice W-, i +b, naelektrisanja kvarka gore (u), dobiješ -a, a to je naelektrisanje kvarka dole (d) koji je reakciju i pokrenuo. Sve se lepo uklapa.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
