Эмилио Сегре

Биография

Итальянско-американский физик Эмилио Джино Сегре родился в Тиволи, небольшом городке неподалеку от Рима, и был одним из трех сыновей промышленника Джузеппе Сегре и Амелии (в девичестве Тревес) Сегре. Эмилио сначала учился в начальной школе в Тиволи, среднее образование завершил в римском лицее Мамиани в 1922 г. Прежде чем заняться физикой, интерес к которой С. проявлял с детства, ему пришлось в течение пяти лет учиться на инженерном факультете Римского университета. Переход к специализации по физике произошел отчасти под влиянием преподававшего в том время на физическом факультете Энрико Ферми. С. и Ферми становятся близкими друзьями и коллегами, а докторская диссертация С. по физике (1928) была успешно защищена под руководством Ферми.

По окончании университета С. проходит четырехгодичную срочную воинскую службу в итальянской армии в качестве артиллерийского офицера, после чего возвращается в Римский университет на должность инструктора по физике. Получение стипендии Рокфеллеровского фонда позволило ему поработать с Отто Штерном в Гамбурге и с Питером Зееманом в Амстердаме. После этого С. становится адьюнкт-профессором на кафедре Ферми.

Первоначально, еще до службы в армии, С. занимался атомной спектроскопией, молекулярными пучками и рентгеновским излучением. Он выполнял важные исследования в области спектроскопии запрещенных линий и эффектов Зеемана и Штарка. Эффектом Зеемана называется расщепление линий во внешнем магнитном поле на несколько компонент. В эффекте Штарка (названном так в честь Йоханнеса Штарка) расщепление линий происходит под действием электрического поля.

Позднее С. начинает интересовать ядерная физика. Вместе с Ферми и другими коллегами он становится первооткрывателем в области нейтронной физики. Группа Ферми подвергала облучению нейтронами много различных материалов. В 1935 г. она получила медленные нейтроны, скорость которых понизилась в результате столкновений с легкими ядрами. Позднее медленные нейтроны стали играть важную роль в производстве ядерной энергии: ядра-мишени захватывают медленные нейтроны с большей вероятностью, чем быстрые нейтроны, и с большей вероятностью претерпевают ядерные реакции.

В 1936 г. С. назначается деканом физического факультета Университета Палермо. В том же году он наносит свой первый визит в Соединенные Штаты, где работает на циклотроне в Калифорнийском университете в Беркли. В течение некоторого времени он пытается найти неоткрытый элемент с атомным номером 43 (43 протона в ядре) – пробел в периодической системе элементов между молибденом (42) и рутением (44). В Беркли Эрнест О. Лоуренс передал С. образец молибдена, облученного дейтронами (ядрами водорода с одним нейтроном, добавленным к протону). По возвращении в Италию С. и его коллеги подвергли образец тщательному химическому анализу. Их труд увенчался успехом: им удалось идентифицировать следы элемента с атомным номером 43. С. назвал его технецием от греческого technetos (искусственный), поскольку это был первый элемент, полученный искусственным путем. Технеций, оказавшийся ценным лечебным препаратом в медицине, не встречается в естественном виде на Земле, но он был обнаружен спектроскопическими методами на звездах.

Свой второй визит в Беркли С. наносит в 1938 г. В сотрудничестве с Дейлом Р. Корсоном и К.Р. Маккензи он синтезирует искусственный элемент с атомным номером 85 (тем самым заполнив еще один пробел в периодической таблице элементов), который получил название астата. В 1940 г. С. вместе с Тленном Т. Сиборгом и другими сотрудниками открывает плутоний-239 (с атомным номером 94).

Летом 1938 г. итальянское правительство принимает антисемитские законы о гражданских правах, и С., еврей по национальности и давний оппонент режима, принимает решение остаться в Соединенных Штатах. В качестве ассистента-исследователя в радиационной лаборатории в Беркли С. продолжает исследования искусственной радиоактивности и ядерного изоморфизма (существования ядер с одним и тем же числом протонов и нейтронов, но находящихся в разных энергетических соединениях и потому обладающих различными ядерными свойствами). Работая с Сиборгом, С. разрабатывает действенный химический метод разделения ядерных изомеров. В 1944 г. он получает американское гражданство.

Открытие плутония-239 привело к непредвиденным последствиям, так как новый элемент оказался расщепляющимся. Начиная с 1944 г. были синтезированы большие количества плутония. Именно плутоний стал главным источником энергии в атомной бомбе, сброшенной в августе 1945 г. на Нагасаки (Япония). После войны, во время которой С. был начальником группы в Лос-Аламосской лаборатории Манхэттенского проекта (совершенно секретной организации, в задачу которой входило создание атомной бомбы), он возвращается в Беркли в качестве полного (действительного) профессора. Его последующие исследования по физике элементарных частиц, проводимые с присущим ему размахом, снискали ему заслуженную репутацию одного из новаторов современной физики как в области теории, так и в области эксперимента.

В начале 50-х гг. С. начинает сотрудничать с Оуэном Чемберленом, стремясь получить и детектировать новую частицу антипротон, существование которой было предсказано теоретически (антипротон – отрицательно заряженный аналог положительно заряженного протона, обладающий и другими противоположными свойствами). Более чем за 20 лет до этого П.А.М. Дирак, исходя из математической симметрии релятивисткой квантовой теории, предсказал существование позитрона – положительно заряженного аналога хорошо известного электрона. В 1932 г. Карл Д. Андерсон сообщил об открытии этой частицы в космических лучах – высокоэнергетическом излучении от внеземных источников. Открытие Андерсона стимулировало поиск других античастиц. Используя рассчитанные на соответствующую энергию ускорители, физики обнаружили, что для мезона (частицы с массой, промежуточной между массой электрона и протона) существует аналог – антимезон. Однако энергии действующих ускорителей оказалось недостаточно для рождения антипротона.

Такие энергии стали доступны после строительства беватрона (ускорителя, способного разгонять частицы до энергий в миллиарды электрон-вольт) в Беркли. Беватрон был спроектирован отчасти в расчете на эксперименты с антипротоном. С., Чемберлен и их коллеги, используя беватрон, разогнали протоны до энергии в 6,2 млрд. электрон-вольт и направили их на атомы меди. Как утверждала теория, при этой энергии должны рождаться антипротоны. Физики ожидали, что антипротоны будут рождаться сравнительно редко, будут очень короткоживущими (так как антипротоны почти сразу же будут соприкасаться с протонами и аннигилировать) и детектировать их среди большого числа других субатомных частиц, рождающихся при высокоэнергетических столкновениях, будет чрезвычайно трудно.

Крупным достижением С., Чемберлена и их сотрудников явилась разработка остроумного метода обнаружения и безошибочной идентификации частиц, ранее ускользавших от исследователей. Экспериментаторы использовали сложную систему магнитов и фокусирующих магнитных устройств для выделения частиц с массой, предсказываемой теорией, отрицательным зарядом и определенной скоростью. Электронные счетчики и таймеры позволяли хронометрировать прохождение частицами заранее определенного расстояния. Наконец, фотоэмульсия позволяла фиксировать аннигиляцию протона и антипротона для конечного подтверждения. Для предотвращения ошибочных результатов экспериментаторы использовали и другие средства. Акты аннигиляции порождают звездообразные треки, которые показывают, что налетающие антипротоны, сталкиваясь с протонами, исчезают и на один акт аннигиляции рождается около пяти мезонов.

Накопив достаточное количество убедительных данных, ученые в 1955 г. объявили об экспериментальном подтверждении существования антипротонов. Эксперимент также показал, что антипротоны рождаются не отдельно, а в парах протон – антипротон (подобно тому как позитроны рождаются в электрон-позитронных парах).

В 1959 г. С. и Чемберлен были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие антипротона». В результате их работы, заявил на церемонии вручения премии Эрик Хюльтен, член Шведской королевской академии наук, «ныне нет ничего, что было бы известно лучше и яснее, чем процесс образования пар и аннигиляции».

После получения Нобелевской премии С. продолжал свои исследования по физике элементарных частиц в Беркли вплоть до своей отставки в 1972 г. Еще через два года его деятельность завершилась назначением профессором ядерной физики Римского университета, а в 1975 г. – заслуженным профессором того же университета.

В 1936 г. С. женился на Эльфриде Спиро. У супругов родилось трое детей: сын и две дочери. Жена С. умерла в 1970 г. Два года спустя он вступил во второй брак с Розой Минее. С. оказался талантливым популяризатором физики, выпустив биографическое исследование «Энрико Ферми, физик» («Enrico Fermi, Physicist», 1970) и ряд других книг. Он был страстным рыболовом и альпинистом.

С. удостоен медали Августа Вильгельма фон Хофмана Германского химического общества (1958) и премии Станислав Канниццаро Итальянской национальной академии наук (1958), а также других наград. Он был членом американской Национальной академии наук, Итальянской национальной академии наук, Американского философского общества, Американского и Итальянского физических обществ, Американской академии наук и искусств, Индийской академии наук, Гейдельбергской академии наук, Уругвайского научного общества и Национальной академии наук Перу. Ему были присвоены почетные ученые степени университетами Палермо, Сан-Марко (Лима) и Тель-Авива, колледжем Густава Адольфа.