В 1909 году американские физики Роберт Милликен (1868-1953) и Харви Флетчер (1884-1981) провели опыт, вызвавший впоследствии большую критику, поскольку в нем было допущено несколько ошибок, и измерили заряд электрона. Он оказался приблизительно равен e ≈ -1,6 · 10-19 Кл. До открытия кварков заряд электрона считался самым маленьким зарядом, встречающимся в природе.

РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Квантовая физика родилась 14 декабря 1900 года, когда немецкий физик Макс Планк (1858-1957) на заседании Немецкого физического общества прочел свою работу «К теории распределения энергии излучения нормального спектра».

В ней Планк высказывался в поддержку дискретных состояний энергии, а не непрерывных, как утверждалось в классической теории, согласно которой частицы могут иметь энергию, равную любому численному значению.

Дискретизация подразумевала, что обмен энергией между системами постоянный. Закон Планка связывает энергию излучения с ее частотой (v) так, что E = hv, где постоянная h — постоянная Планка — приблизительно равна h ≈ 6,626 х 10-34 Дж с. Планк заключал, что при переходе с одного уровня на другой энергия организовывается в кванты, то есть в минимальные порции энергии, которые можно вычислить с помощью уравнения.

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.

АТОМ РЕЗЕРФОРДА

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.

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.