При температуре ниже, чем температура Ферми, газ может считаться вырожденным, и следовательно, давление Ферми имеет место только благодаря принципу исключения. Температура Ферми зависит от массы задействованных фермионов и от плотности энергетических уровней. Для металлов она равна тысячам градусов Кельвина. Максимальная энергия фермионов при абсолютном нуле равна энергии Ферми, которая определяет границу перехода электронов, связанных с ядром, к электрической проводимости.
Итак, в металле одна часть электронов остается при атомах, которые формируют его структуру, а другая, находящаяся на внешних уровнях и орбиталях, становится газом свободных электронов (см. рисунок на следующей странице). Их можно легко сдвигать с помощью внешних электромагнитных полей. Таким образом, батарейка может легко вызвать движение электронов в металле и, следовательно, электрический ток.
Понимание явления проводимости металлов в середине XX века позволило создать полупроводниковые материалы, имеющие фундаментальное значение для современной электроники. Они стали основой технологической революции в нашу кремниевую эпоху.
Схема свободных электронов лития. Только некоторые из них перешли от последнего уровня, или уровня Ферми, к зоне проводимости — своего рода бульону, в котором электроны двигаются с большой легкостью и который обеспечивает хорошую проводимость металлов.
Во время субботних вечеринок у профессора Кастельнуово сложилась тесная компания студентов и молодых профессоров. Среди «ребят с улицы Панисперна» были такие студенты, как Амальди и Сегре, и близость к ним по возрасту Ферми, Персико и Разетти способствовала зарождению тесной дружбы. Лаура и Энрико тоже сближались все сильнее и в конце концов встали рядом перед алтарем. Они поженились жарким днем 19 июля 1928 года. Лаура была умной девушкой, очень непосредственной и эмоциональной. Она влюбилась не только в гений Ферми, в ученого, поражавшего (и даже иногда пугавшего) ее своими знаниями и открывавшего ей чудеса физики, но и в сердечного, простого человека, способного наслаждаться малым, получать удовольствие от жизни и мечтать.
Лаура редко сопровождала мужа в поездках и впервые оказалась вместе с ним в США в 1930 году, когда Энрико должен был прочитать лекцию на конференции в Энн-Арборе, в Мичиганском университете. Так она увидела страну, которая позже стала ее второй родиной, и так началась, как писала сама Лаура, ее «американизация». Вернувшись в Рим после медового месяца, чета переселилась в квартиру, где через несколько лет родилась их старшая дочь Нелла (1931), а потом сын Джулио (1936), названный в честь погибшего брата Энрико. Этот период был очень плодотворным для Ферми-ученого. Казалось, ничто не могло поколебать их счастье, но внешние обстоятельства оказались сильнее человека. Ужесточение фашистского режима вынудило семью Ферми эмигрировать.
Ферми с Лаурой Капой в 1954 году. Они поженились в 1928-м.
Корбино, создатель группы «ребята с улицы Панислерна».
Под наблюдением Корбино Ферми руководил «ребятами с улицы Панисперна». Слева направо: Оскар Д’Агостино, Эмилио Сегре, Эдоардо Амальди, Франко Разетти и Энрико Ферми. Около 1930 года.
Спектроскопия позволяет проанализировать химический состав вещества на основе, например, его спектра излучения или поглощения (см. рисунок). Если газ подвергается действию высокочастотной радиации, то поглощает часть спектра и в результате получается спектр поглощения, в котором нет полос, соответствующих длине волн поглощенного излучения. С другой стороны, возбужденный газ может испускать излучение с длиной волн, обусловленной его химическим составом, поэтому каждый газ имеет собственный спектр излучения. В первые годы работы на улице Панисперна Ферми изучал молекулярную спектроскопию в тесном сотрудничестве с Разетти, так как понял, что это прямой способ получить сведения о структуре материи. Его догадку подтверждали и исследования спектра водорода, сделанные Иоганном Якобом Бальмером в 1885 году, и последующие дополнения Йоханнеса Ридберга. В 1908 году Ридберг опытным путем получил формулу частоты спектральных линий для перехода атома водорода между уровнями n и n':
Схема устройства для измерения атомных спектров.
Фотографическая пластина идет в комплекте с камерами переменного тока, подключенными к компьютеру. Наблюдаемые спектральные линии говорят составе вещества, его атомной и молекулярной структуре.
v = RH(1/n2 - 1/n'2),
где RH — постоянная Ридберга для водорода, на сегодняшний день равная RH = 10967 758,341 ± 0,001 м-1 (в то время это значение было гораздо менее точным). Американский физик Теодор Лайман (1874-1954) открыл новые линии в ультрафиолетовой зоне, а позднее Пашен, Браккет и Пфунд выявили новые линии в инфракрасной. Даже Бор, создавая в 1913 году свою атомную модель, предусмотрел, чтобы она соответствовала спектроскопическим прогнозам, так как частота излучения фотонов должна совпадать с переходами электронов на другие энергетические уровни. Этому условию должна соответствовать модель атома (см. рисунок на следующей странице).
Формула боровской модели
E = 13,6eV/n2
точно предсказывала переходы атомов водорода. Ферми очень интересовался атомной физикой. В 1928 году он опубликовал «Введение в атомную физику», в котором, помимо прочего, продемонстрировал свои незаурядные педагогические способности. Ферми был убежден: если кто-то действительно что-то понял, он должен быть в состоянии это объяснить. В последующие годы он много занимался популяризаторской работой. В 1928 году вышел учебник Ферми по физике для учеников старших классов, в 1929-м — серия статей для широкого круга читателей, например «Экспериментальное обоснование новых физических теорий» или «Современные задачи физики», а в 1930-м — «Современная физика», «Атомы и звезды» и «О квантовой электродинамике». Ферми считал, что ученые обязаны рассказывать обществу о своих открытиях, хотя в то время Италии только предстояло пройти долгий путь к всеобщей грамотности, а физика еще не до конца восприняла теории квантов и относительности. Разетти же, со своей стороны, был прекрасным экспериментатором и брал на себя большую часть работы по постановке опытов, оставляя на долю Ферми их продумывание и теоретическую интерпретацию результатов.
Энергетические уровни водорода с квантовым числом л на каждом уровне и приблизительное изображение некоторых переходов, которые появляются в спектре (серия Лаймана в ультрафиолетовом, Балмера в видимом и Пашена в инфракрасном). Шкала длины волны и частоты не линеарна. Энергия измеряется в электрон вольтах (эВ), длина волны — в ангстремах
(1А = 10-10 м), а частота — в герцах (Гц).
Ферми всегда стремился выйти за рамки простой констатации результатов, его интуиция подсказывала ему саму суть проблемы, а полученные данные ученый анализировал с большим математическим изяществом. Вместе с Разетти они дали хорошую техническую подготовку Сегре и Амальди, которые впоследствии сделали в спектроскопии большие открытия, имевшие огромное значение для развития итальянской физики.
Вслед за Сегре в 1928 году физикой решил заняться Этторе Майорана, обладавший уникальными вычислительными способностями и привлеченный успехами рабочей группы Ферми. Вместе с Джованни Джентиле, еще одним молодым профессором с улицы Панисперна, он начал заниматься квантовыми исследованиями в области спектроскопии, применением модели Томаса — Ферми к квантовым состояниям электронов, находящихся на нижних уровнях урана и гадолиния, а также изучением тонкой структуры цезия.
В первых атомных моделях, например в боровской, спектральные линии были соотнесены с переходами между квантовыми уровнями, основанными на квантовом числе n. Однако Уилсон и Зоммерфельд разработали правила квантования, объясняющие так называемую тонкую структуру, или расщепление спектральных линий на несколько составляющих. Оно наблюдается во всех спектрах при наличии достаточно точных спектрометров и обусловлено спин-орбитальным взаимодействием, которое в конце 20-х годов еще было окутано тайной. Разетти и Ферми изучали тонкую структуру из-за ее способности точно предсказать структуру атомных уровней.
В 1929 году Корбино перед Итальянским Обществом научного прогресса заявил: «Единственная существующая сегодня возможность сделать великие открытия в физике появится, когда кому-нибудь удастся изменить ядро атома». Переход к ядерной физике был неизбежен, и стажировки за рубежом были хорошей возможностью познакомить Италию с открытиями других ученых. Так, период с 1928 по 1929 год Разетти провел в Калифорнийском технологическом институте, где изучал эффект Рамана с американским физиком Робертом Эндрюсом Милликеном, а затем — год в Берлине, работая с австрийским физиком Лизой Мейтнер и овладевая техниками наблюдения в ядерной физике. В это же время Сегре поехал в Гамбург учиться у Отто Гана, а потом — в Амстердам, к Питеру Зееману, чтобы улучшить свои знания спектроскопии; Амальди изучал дифракцию рентгеновских лучей в жидкостях вместе с Дебаем в Лейпциге, а вернувшись в Рим, вместе с Ферми сконструировал первую в Италии туманную камеру (или камеру Вильсона). В 1933 году, как раз когда к власти в Германии пришли нацисты, Майорана тоже уехал в Лейпциг, чтобы работать с Гейзенбергом над новой ядерной теорией. Бруно Понтекорво в 1936 году уехал в Париж, где работал вместе с Ирен Кюри и Фредериком Жолио, открывшими в 1934 году эмпирическим путем нейтрон и искусственную радиацию. Будучи евреем, он больше не вернулся в Италию, где ужесточался фашистский режим, и позже оказался замешан в странном шпионском скандале.
Группа, которую Корбино удалось собрать вокруг Ферми, состояла из разносторонне одаренных исследователей. За годы своего существования она приобрела международный авторитет в физике и продолжала бы двигать вперед итальянскую науку, если бы Муссолини не спровоцировал побег ученых, ставший прелюдией ко Второй мировой войне. Дуче понял, что эксперименты, над которыми работали «ребята с улицы Панисперна», могли прославить Италию. Эти молодые ученые исследовали структуру материи и секреты атома, который очень скоро стал проявлять свои волшебные и даже пугающие свойства. В марте 1929 года Ферми вступил в Королевскую академию Италии, созданную Муссолини в 1926 году для пропаганды новых национальных ценностей. Помимо этого, Ферми, который всегда был вне фашизма в частности и вне политики вообще, пришлось вступить в Национальную фашистскую партию: это была единственная возможность гарантировать финансирование его исследовательской группы.