В том же году состоялось первое официальное зарубежное признание Энрико Ферми – его избирают иностранным членом-корреспондентом Академии наук СССР, а в 1932 году он становится и членом Академии дей Линчей.
В обыденной жизни Ферми всегда оставался человеком педантичным. Будучи блестящим организатором, он столь же пунктуально и продуманно строил свой рабочий день. С 5.30 до 7.30 утра – обдумывание и написание теоретических статей. Ровно в 9.00 Ферми приходил на службу. Днем – двухчасовой перерыв для отдыха и обеда. Все остальное время – работа в университете и лаборатории. И – минута в минуту – в 22.00 ученый ложился спать.
Лето он, если не отдыхал в Альпах, проводил за границей, где читал лекции, становившиеся впоследствии основой его новых книг. Так появились «Квантовая теория излучения» и «Термодинамика», основанные на лекционных курсах, с которыми ученый выступал в Мичиганском и Колумбийском университетах.
Кипучая деятельность Ферми-теоретика в Риме до осени 1933 года, когда он начал работать в области ядерной физики, шла по трем главным направлениям. Во-первых, он осваивал квантовую механику, а затем квантовую электродинамику и успешно пропагандировал их в научных кругах. Здесь надо особенно выделить его переформулировку квантовой электродинамики, которая представляет собой блестящий пример ясной трактовки трудного вопроса. Второе важное направление состояло в продолжении работ по статистической механике. Наконец, своими трудами Ферми сделал неоценимый вклад в учение о структуре атомов и молекул.
В начале 30-х годов он переключил свое внимание с внешних электронов атома на атомное ядро. Осенью 1933-го, после участия в VII Сольвеевском конгрессе физиков в Брюсселе, ученый предложил теорию бета-распада, позволившую объяснить, каким образом ядро спонтанно испускает электроны и какова роль нейтрино-частиц, лишенных электрического заряда и не поддававшихся до сих пор экспериментальному обнаружению. Существование таких частиц было постулировано Паули, а название придумано Ферми (нейтрино экспериментально обнаружено в 1956 году). Теория бета-распада Ферми затрагивала новый тип сил, получивших название слабого взаимодействия. Такие силы действуют между нейтронами и протонами в ядре и обусловливают бета-распад. По интенсивности слабое взаимодействие значительно уступает сильному, удерживающему вместе нуклоны – частицы, из которых состоит ядро.
Написав статью о бета-распаде, Ферми направил эту работу в английский журнал «Нейче» для срочного опубликования в виде письма в редакцию. Это означало, что он сам вполне осознавал значение данной теории. Однако редакция журнала отказала в публикации на том основании, что работа слишком абстрактна и не представляет интереса для читателей. Это была действительно самая абстрактная из теоретических работ Ферми, но не приходится сомневаться в том, что редактор впоследствии всю жизнь сожалел о своем «диагнозе». Статью опубликовали итальянский и немецкий журналы. Опираясь на высказанные Ферми идеи, американский ученый японского происхождения Хидеки Юкава предсказал в 1935 году существование новой элементарной частицы, известной ныне под названием пи-мезона, или пиона.
В 20-е годы XX века было принято считать, что атом содержит два типа заряженных частиц: отрицательные электроны, которые обращаются вокруг ядра из положительных протонов. Физиков интересовало, может ли ядро содержать частицу, лишенную электрического заряда. Эксперименты по обнаружению электронейтральной частицы достигли кульминации в 1932 году, когда Джеймс Чедвик открыл нейтрон, в котором физики, особенно Вернер Гейзенберг, почти сразу признали ядерного партнера протона. Ферми по достоинству оценил значение нейтрона как мощного средства инициирования ядерных реакций. Экспериментаторы пытались бомбардировать атомы заряженными частицами, но для преодоления электрического отталкивания заряженные частицы необходимо разгонять на мощных и дорогих ускорителях. Налетающие электроны отталкиваются атомными электронами, а протоны и альфа-частицы – ядром, так, как это происходит с одноименными электрическими зарядами. Поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, необходимость в ускорителях отпадает.
В январе 1934 года Фредерик Жолио и Ирен Кюри сообщили об открытии искусственной радиоактивности. Облучив алюминий альфа-частицами, они получили радиоактивный фосфор.
Ознакомившись со статьей французских ученых, Энрико Ферми решил вызвать радиоактивность нейтронами. Теоретикам в те годы еще не было ясно, можно ли добиться этого с помощью нейтральных частиц. Ответ на вопрос могли дать только опыты.
Как и Фредерик Жолио, Ферми начал эксперименты с легкими элементами. Методика была проста: после облучения нейтронами исследуемое вещество подносили к тонкому окну счетчика Гейгера. Ни водород, ни гелий, ни литий, ни бор не проявили активности. Тем не менее, опыты продолжались. Вскоре дошла очередь до фтора.
Счетчик заработал полным ходом, когда к его окну поднесли облученную плавиковую кислоту. Сделав вывод, что с помощью нейтронов можно превратить нерадиоактивные ядра в радиоактивные, Ферми не остановился на этом. Он решил подвергнуть нейтронному обстрелу тяжелые элементы. Это было важное решение: в опытах супругов Жолио – Кюри бомбардировка вольфрама, золота и свинца ничего не дала. Это и понятно: заряд тяжелых ядер велик и они, разумеется, отталкивают одноименно заряженную альфа-частицу с огромной силой. «Альфа-снаряд» не долетает до ядра-мишени.
На нейтральную частицу электрические силы не действуют. У нейтрона были шансы проникнуть в массивное ядро и что-то там натворить…
«Ребята с улицы Панисперна» начали систематические исследования. Химические элементы облучались один за другим. Иногда, если наведенная активность исчезала не слишком быстро, удавалось определить атомный номер радиоактивного излучателя по его химическим свойствам. Так, когда физики облучали нейтронами железо, оно становилось радиоактивным. По-видимому, часть его атомов превращалась в радиоактивный изотоп одного из соседних элементов. Но какого? Чтобы выяснить это, к азотнокислому раствору облученного железа добавляли соли хрома, марганца, кобальта. Затем по известным прописям эти элементы выделяли из растворов. Счетчик Гейгера молчал, когда к нему подносили фракции, содержащие хром или кобальт. Если же у окна гейгеровской трубки помещали извлеченные марганцевые соли, начинался счет. Получалось, что под действием нейтронов железо превратилось в марганец…
Особенно большие надежды физики связывали с облучением элемента № 92, занимавшего тогда в таблице Менделеева последнюю клетку. Ферми ожидал, что естественный уран, захватив нейтрон, перейдет в искусственный изотоп 239U, а затем уран-239, испустив бета-частицу, превратится в изотоп первого зауранового элемента с атомным номером 93!
