Enrico Fermi

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Enrico Fermi

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Premiul Nobel pentru fizică 1938

Enrico Fermi ( Roma , 29 septembrie 1901 - Chicago , 28 noiembrie 1954 ) a fost un fizician american naturalizat italian ^[2] .

Cunoscut în principal pentru studiile teoretice și experimentale în mecanica cuantică și fizica nucleară , printre contribuțiile majore putem menționa teoria decăderii beta , statisticile Fermi-Dirac și rezultatele privind interacțiunile nucleare .

După ce a fost liderul băieților Via Panisperna , s-a mutat în Statele Unite ale Americii , unde a proiectat și a condus construcția primului reactor de fisiune nucleară care a produs prima reacție nucleară controlată în lanț și a fost unul dintre directorii tehnici ai Manhattanului. Proiect care a dus la crearea bombei atomice . De asemenea, a fost printre primii interesați de potențialul simulării numerice în domeniul științific, precum și inițiatorul unei fructuoase școli de fizicieni, atât în Italia , cât și în Statele Unite.

În 1938 a primit Premiul Nobel pentru fizică pentru „ identificarea de noi elemente de radioactivitate și descoperirea reacțiilor nucleare folosind neutroni lenti ”. În onoarea sa a fost dat numele unui element al tabelului periodic , fermiumul (simbolul Fm), unui submultiplu al contorului utilizat în mod obișnuit în fizica atomică și nucleară, fermi ^[3] , precum și unuia dintre cele două clase de particule de statistici cuantice, fermioni .

Biografie

Copilăria și adolescența

Roma: locul de naștere al lui Enrico Fermi în via Gaeta 19

Roma: placă în memoria diplomei de liceu a lui Fermi în via Daniele Manin 72

S-a născut la Roma la 29 septembrie 1901 de Alberto Fermi, din Piacenza ^[4] , inspector șef la ministerul comunicațiilor , și de Ida De Gattis, din Bari , profesor de școală elementară din capitală. El era cel mai mic dintre cei trei copii: sora sa cea mare Maria (născută la 12 aprilie 1899 și murită la 26 iunie 1959 în accidentul de avion Olgiate Olona ) și fratele său Giulio, cu un an mai în vârstă. Încă de la o vârstă fragedă a arătat că are o memorie excepțională și o mare inteligență, ceea ce i-a permis să exceleze în studiile sale.

Din copilărie a fost nedespărțit de fratele său mai mare, care a murit în 1915 în timpul unei operații chirurgicale de îndepărtare a unui abces al gâtului. Enrico, pentru a calma durerea profundă, s-a aruncat în studiul său și și-a finalizat anul liceal în avans la Liceo Umberto I din Roma (astăzi Liceo classico Pilo Albertelli ).

Una dintre primele surse care și-au satisfăcut foamea de cunoștințe a fost un tratat din 1840 găsit pe piața romană din Campo de 'Fiori , intitulat Elementorum physicae mathicae , de către tatăl iezuit Andrea Caraffa , profesor al Colegiului Roman . Cele nouă sute de pagini în latină , inclusiv subiecte de matematică , mecanică clasică , astronomie , optică și acustică , au fost studiate în profunzime de tânărul Fermi, dovadă fiind descoperirea multor pliante și adnotări în cadrul celor două volume.

De asemenea, a fost importantă cunoașterea unui prieten al fratelui său, Enrico Persico , cu un an mai mare și a prietenului său de liceu, împreună cu care și-a dezvoltat cunoștințele în fizică și matematică, stimulate deja în ambele de către profesorul lor comun de fizică din liceu, profesorul Filippo. Eredia . ^{[5] [6]} Cei doi prieteni au câștigat, în 1926, două dintre primele trei catedre de fizică teoretică (împreună cu Aldo Pontremoli ) create în Italia.

În anii de liceu a întâlnit și un coleg al tatălui său și un prieten de familie, inginerul Adolfo Amidei, care, impresionat de extraordinara inteligență a lui Enrico, i-a îndrumat pregătirea împrumutându-i câteva tratate la nivel universitar, pe care tânărul Fermi le-a citit. cu mare pasiune. În 1914, la vârsta de 13 ani, a primit împrumutat de la Amidei textul Die geometrie der lag și de Theodor Reye și Traité de trigonométrie de Joseph Alfred Serret , în 1915, la vârsta de 14 ani, Cursul de analiză algebrică cu introducere la calculul infinitesimal al lecțiilor de geometrie analitică ale lui Ernesto Cesaro și Luigi Bianchi , la 15 lecțiile de analiză infinitesimală de Ulisse Dini și la 16 Traité de mécanique de Siméon-Denis Poisson . În 1918, Amidei l-a sfătuit să nu participe la Universitatea din Roma , ci să se înscrie la Universitatea din Pisa și să participe la concursul de înscriere în prestigioasa Scuola Normale Superiore din același oraș.

Scuola Normale Superiore din Pisa

Oprit în anii de liceu

Note de Enrico Fermi, Thesauros, măsurători ale activării iodului radioactiv

Pentru a accesa prestigioasa universitate, Fermi a trebuit să susțină un concurs cu următoarea temă: Caracteristici distinctive ale sunetelor și cauzele acestora . Argumentul a fost realizat cu o siguranță extraordinară și o posesie absolută a mijloacelor matematice. Pe baza a ceea ce a învățat în tratatul lui Poisson despre mecanică și folosind concepte precum ecuații diferențiale și dezvoltarea seriei Fourier , el a descris exhaustiv caracterul sunetului prin analiza unor cazuri specifice. Nivelul performanței sale a fost atât de ridicat încât a fost uluitor pentru comisia de examinare. În urma unui interviu oral realizat de prof. Univ. Giulio Pittarelli, a fost confirmată excelența pregătirii pentru Fermi, în vârstă de șaptesprezece ani, care a obținut primul loc în clasament. În timpul interviului, prof. Pittarelli s-a dezvăluit, prevestind tânărul student roman că va deveni un om de știință important.

Între 1919 și 1923 a studiat relativitatea generală , mecanica cuantică și fizica atomică . Pregătirea sa în mecanica cuantică a atins niveluri atât de ridicate încât Luigi Puccianti , directorul Institutului de Fizică de la Scuola Normale, i-a cerut să organizeze câteva seminarii pe această temă. Tot în această perioadă a învățat calculul tensorial , un instrument matematic inventat de Gregorio Ricci Curbastro și Tullio Levi-Civita , indispensabil pentru a demonstra principiile relativității generale.

În 1921, în al treilea an de universitate, a publicat primele două lucrări în revista științifică Nuovo Cimento : Despre dinamica unui sistem rigid de sarcini electrice într-un mod tranzitor și Despre electrostatica unui câmp gravitațional uniform și despre greutate a maselor electromagnetice . Prima dintre aceste lucrări a condus la o concluzie care a contrazis calculul masei efectuat în teoria Lorentz cu principiul echivalenței energetice a lui Einstein . Această contradicție aparentă a fost clarificată în anul următor de Fermi însuși în articolul Corectarea unei grave discrepanțe între teoria electrodinamică și cea a teoriei relativiste a maselor electromagnetice. Inerția și greutatea electricității , care au apărut pentru prima dată în revista I rendiconti și mai târziu în prestigioasa revistă germană Physikalische Zeitschrift .

În 1922 a publicat prima sa lucrare importantă în revista Rendiconti din Accademia dei Lincei , intitulată Deasupra fenomenelor care au loc lângă o linie temporală , unde a introdus pentru prima dată ceea ce va fi numit ulterior coordonatele Fermi și a demonstrat că aproape o linie orară. , spațiul se comportă ca și când ar fi fost euclidian . ^[7]

Fațada Palazzo dei Cavalieri , sediul Scolii Normale Superioare din Pisa

Tot în 1922 și-a început teza experimentală privind imaginile de difracție cu raze X produse de cristale curbate. Trebuie remarcat faptul că tuburile cu raze X au fost fabricate de Fermi împreună cu alți doi studenți: Nello Carrara și Franco Rasetti , ca parte a experimentelor lor „gratuite” în laboratorul de fizică de la Institutul de Fizică din Normale. Cei trei băieți aveau acces gratuit la laborator și la bibliotecă cu permisiunea șefului institutului însuși. Potrivit lui Franco Rasetti, Fermi s-a dovedit a fi un fizician complet prin realizarea unei teze experimentale, în ciuda faptului că era deja cunoscut ca fizician teoretic. În orice caz, se pare că la acea vreme Fermi a preferat aspectele teoretice decât cele experimentale: într-o scrisoare adresată prietenului său Persico, din martie 1922, a arătat clar că abia aștepta să termine teza pentru a se consacra el însuși la mecanica cuantică. La 4 iulie a aceluiași an a absolvit Universitatea cu Luigi Puccianti și la 7 iulie următor a absolvit și Normala; în ambele cazuri, a primit magna cum laude .

În 1923, după scrierea apendicelui cărții Fundamentals of Einsteinian relativity de August Kopff , Fermi, care s-a specializat în continuare în studiul relativității generale datorită lui Giuseppe Armellini și Tullio Levi-Civita, a pus accentul pe cantitatea enormă de energie inerent faimoasei ecuații E = mc² , o observație care poate fi văzută ca primul pas real în direcția generării de energie atomică. În 1924 a fost inițiat în masonerie în Loja „Adriano Lemmi” din Marele Orient al Italiei la Roma ^{[8] [9]} .

Perioada în Göttingen

Mario Corbino , profesor de fizică experimentală, s-a prezentat la Orso imediat după absolvire, iar în 1923, datorită unei burse, a mers șase luni la Gottingen la școala lui Max Born . Perioada de la Gottingen nu a fost foarte fructuoasă și motivele par a fi de diferite feluri: există cei care susțin că nu s-au simțit în largul lor cu stilul excesiv teoretic și formal al școlii principale de fizică cuantică a vremii, care, ca Emilio Segrè susține că Fermi era, pe de o parte, timid și prea mândru, pe de o parte, și că, de asemenea, colegii săi ( Born , Heisenberg , Pauli și Jordan ) erau probabil prea ocupați cu cercetările lor.

În aceste șase luni, mai degrabă decât să se ocupe de rezolvarea contradicțiilor așa-numitei vechi fizici cuantice , introdusă de Bohr și Sommerfeld, și pe care colegii săi din Gottingen experimentau, a preferat să studieze limitele de aplicare a așa-numitei fizici cuantice. principiu adiabatic la sistemele atomice., enunțat de Paul Ehrenfest , care a formulat una dintre ideile călăuzitoare pentru derivarea condițiilor de cuantificare a vechii fizici cuantice .

În ciuda aclimatizării imperfecte, producția științifică a lui Fermi în Gottingen a fost intensă. La o lună după sosirea sa, a publicat un articol intitulat Principiul adiabatic și sistemele care nu admit coordonate unghiulare , articol în care propunea să se determine limitele de valabilitate ale principiului Ehrenfest , arătând că pentru anumite transformări adiabatice a pierdut baza.

Două luni mai târziu a publicat un al doilea articol în revista Physikalische Zeitschrift , intitulat Demonstrația că, în general, un sistem mecanic normal este aproape ergodic , un articol care a atras atenția lui Ehrenfest.

În acest articol, intitulat Câteva teoreme de mecanică analitică importante pentru teoria cuantică , Enrico Fermi demonstrează validitatea principiului lui Ehrenfest pentru determinarea orbitelor cuantice ale unui sistem atomic cu trei corpuri. Dovedind în continuare că în sistemele cu mai mult de o constantă de mișcare principiul Ehrenfest nu este valid.

Întoarcerea din Göttingen și perioada în Leiden

Întorcându-se de la Gottingen, el a scris prima sa contribuție importantă la mecanica cuantică intitulată Despre probabilitatea stărilor cuantice , o lucrare prezentată de Corbino la Accademia dei Lincei la 16 decembrie 1923. În această lucrare arată paradoxul statisticii clasice în legătură cu calculul probabilității diferitelor stări cuantice ale unui gaz de atomi la o temperatură ridicată. Conform statisticilor clasice, diferitele stări cuantice ale unui atom au aceeași probabilitate, o ipoteză care aduce în mod paradoxal suma probabilităților tuturor stărilor cuantice posibile la infinit, atunci când probabilitatea maximă a oricărui sistem este, prin definiție, egală cu 1. soluția formală a acestei contradicții a fost cea a unei ipoteze ad hoc pentru a defini ca fiind imposibile toate orbitele stărilor cuantice pentru care raza atomului este mai mare decât distanța medie dintre atom și atom. Fermi a rezolvat elegant acest paradox calculând prin intermediul termodinamicii o lege care conține un factor care face ca contribuțiile seriei cu numere cuantice mari să fie neglijabile. Această abordare este cunoscută în literatură sub numele de Fermi-Urey .

Grupul de cărturari de la Leiden. Ehrenfest este în centrul orașului, cu ochelari; Fermi este primul din dreapta

În ianuarie 1924, Fermi a publicat o lucrare intitulată Deasupra reflecției și difuziei rezonanței , în care a dezvoltat teoria fenomenului rezonanței optice . În aceeași lună a scris și Considerații privind cuantificarea sistemelor care conțin elemente identice , ceea ce reprezintă primul pas real către ceea ce va fi una dintre principalele sale descoperiri în doi ani: noua statistică cuantică care poartă numele de statistici Fermi-Dirac. .

Datorită interesului celebrului matematician Vito Volterra , Fermi a câștigat o bursă de la Fundația Rockefeller pentru o perioadă de studiu în toamna anului 1924 la Leiden, la institutul regizat de Paul Ehrenfest. Această alegere derivă, în parte, din prezența redusă în Italia la momentul personalităților angajate în cercetări despre mecanica cuantică.

În vara anului 1924, a publicat un articol intitulat Despre teoria coliziunii dintre atomi și corpusculi electrici , publicat mai întâi în italiană în Nuovo Cimento și mai târziu în germană în Zeitschrift für Physik . Acest studiu reprezintă prima contribuție importantă a lui Fermi la așa-numita fizică cuantică veche . În articolul menționat, Fermi a dezvoltat o metodă, cunoscută ulterior sub numele de metoda cuantică virtuală sau metoda fotonului echivalent , bazată pe analogia dintre ionizarea unui atom produs de lumină la o frecvență adecvată și cea produsă de electroni cu viteză suficientă. În propriile sale cuvinte:

Lucrarea, deși fusese dovedită experimental, a găsit critici puternice din partea lui Bohr . Fermi a fost afectat negativ de acest episod și, potrivit lui Emilio Segrè, acesta ar putea fi motivul pentru care Enrico Fermi a arătat ulterior o atitudine negativă față de teoriile dezvoltate de fizicienii din Gottingen și Copenhaga . Emilio Segrè însuși subliniază că, odată ce legile mecanicii cuantice au fost stabilite într-o manieră precisă, lucrarea menționată anterior a fost pe deplin justificată de teoria perturbărilor dependente de timp dezvoltată de Dirac .

În Leiden, pe lângă faptul că a profitat de îndrumările științifice ale lui Ehrenfest, Fermi a ajuns să cunoască și autoritățile mondiale din fizică precum Einstein și Lorentz și s-a împrietenit cu Samuel Goudsmit și Niko Tinbergen .

Primele impresii ale perioadei din Leiden sunt raportate într-o scrisoare din 23 octombrie 1924 către prietenul său Enrico Persico:

Perioada din Leiden a fost deosebit de fructuoasă. Corespondența dintre Fermi și Persico vorbește despre numeroasele descoperiri făcute de Fermi la Leiden. Una mai presus de toate a fost descrisă într-o lucrare publicată cu titlul Deasupra intensității liniilor multiple , unde Fermi derivă expresiile intensității diferitelor componente ale liniilor multiple ale spectrelor atomice ale diferitelor elemente. Acordul găsit cu datele experimentale a fost mai bun decât cel al lui Heisenberg și Sommerfeld în tratamentul teoretic al problemei.

Întoarcerea de la Leiden și începutul carierei universitare

Între 1924 și 1925 Fermi a fost chemat, la invitația primarului din Florența și directorul institutului de fizică Antonio Garbasso , să ocupe catedra de fizică matematică la universitatea orașului . În această perioadă a început unele cercetări în fizica atomică împreună cu noul său prieten Franco Rasetti . Cei doi prieteni au efectuat cercetări experimentale importante asupra spectrelor atomice prin intermediul câmpurilor de radiofrecvență și cu propriile cuvinte ale lui Rasetti:

Căutările au fost, de asemenea, oarecum aventuroase, din nou în cuvintele lui Rasetti:

Între 1924 și 1925 Fermi a încercat să facă o carieră universitară, conștient de abilitățile sale. Mai întâi participă la o competiție la Florența pentru a preda fără succes. Mai târziu, împreună cu Volterra, Civita și Corbino, a încercat să stabilească la Roma prima catedră de fizică teoretică din Italia. Dar va trebui să mai aștepte un an și jumătate pentru a reuși în această ispravă.

Între timp, el încearcă să câștige competiția de la Cagliari pentru fizica matematică, dar Giovanni Giorgi , un fizician matematic din vechea școală, cunoscut mai ales pentru că a propus sistemul internațional de unități de măsură, este preferat. Printre comisari erau Volterra și Levi-Civita care au votat pentru Fermi. Furia pentru neanumire nu a durat mult. În toamna anului 1926, Fermi a câștigat concursul pentru ocuparea locului primei catedre de fizică teoretică din Italia, la numirea lui Corbino și Garbasso. În judecata finală a comisiei de judecată citim:

Descoperirea statisticilor asupra particulelor

Reprezentarea ocupării de către fermioni (de ex. Electroni) a nivelurilor de energie ale unui material conform statisticilor Fermi-Dirac pentru diferite temperaturi

În perioada anterioară și anterioară acestei numiri, Fermi a continuat să fie interesat de mecanica cuantică , dar după cum el raportează el însuși într-o scrisoare către prietenul său Persico în 1925, nu era convins de noua mecanică cuantică sau așa-numita mecanică matricială, dezvoltată de Born , Heisenberg și Jordan .

Mai degrabă Fermi, după cum relatează Emilio Segrè, s-a lăsat impresionat de munca lui Schrödinger despre mecanica undelor . În această perioadă, pornind de la o lucrare a lui Born în care formalismul lui Schrödinger a fost folosit pentru a înțelege coliziunile și difuzia dintre particule, împreună cu o primă interpretare probabilistică a funcției undei, Fermi a publicat o lucrare intitulată Despre mecanica undelor șocurilor proceselor . În cele din urmă, în decembrie 1925, Fermi a scris celebra sa lucrare Despre cuantificarea gazului perfect monoatomic , care a fost prezentată de Corbino la Accademia dei Lincei și publicată într-o versiune completă și completă în Zeitschrift für Physik .

În această lucrare Fermi formulează pentru prima dată celebra sa ecuație a statisticilor Fermi-Dirac , care sunt respectate de particulele elementare cu spin semi-întreg (numite în onoarea sa fermioni ), care este acum cunoscută sub numele de statistica antisimetrică Fermi-Dirac , din numele omului de știință englez Paul Dirac , care, deși cu aproximativ șase luni mai târziu decât Fermi, a ajuns la aceleași concluzii. Într-o scrisoare trimisă de Fermi lui Dirac, citim:

Geneza statisticii particulelor

Fermi a început să se ocupe pentru prima dată în 1923 la Leiden, când s-a confruntat cu determinarea constantei absolute a entropiei pentru un gaz monatomic perfect. Această problemă îi implicase deja pe Otto Sackun și H. Tetrode mai întâi , iar mai târziu pe Otto Stern . Fermi a publicat în 1923 în Rendiconti dell'Accademia dei Lincei un articol intitulat Deasupra teoriei lui Stern a constantei absolute a entropiei, respingând structura de bază a teoriei sale și cu cuvintele sale:

În anul următor a publicat în Nuovo Cimento articolul intitulat Considerare asupra cuantificării sistemelor care conțin elemente identice . În acest articol Fermi arată cum regulile de cuantificare ale lui Sommerfeld prezic perfect frecvențele spectrului atomului de hidrogen, dar nu oferă nicio siguranță pentru spectrele atomilor mai complexi. El declară:

Fermi a concluzionat că regulile de cuantificare ale lui Sommerfeld nu mai erau suficiente pentru a obține formula Sackur-Tetrode pentru entropie:

În 1925 Wolfgang Pauli a enunțat ceea ce se numește principiul excluderii Pauli . Firm așa cum își amintește Rasetti

Scopul lui Fermi era clar: voia

Pentru a putea aplica principiul excluderii Pauli pentru electronii orbitali ai atomului la moleculele unui gaz ideal, Fermi a trebuit să se confrunte cu problema cuantificării mișcării lor. A questo proposito Fermi impose che le molecole del gas fossero soggette a un campo di forze elastiche attrattive tridimensionali sul modello dell'oscillatore armonico. Ricorda Rasetti

Come conseguenza dell'uso del potenziale armonico, Fermi, sfruttando il principio delle adiabatiche di Ehrenfest, riuscì a stabilire che esiste una temperatura critica al di sotto della quale la statistica di un gas di particelle devia fortemente dalla statistica classica di Boltzmann. In seguito ottenne le espressioni per un gas fortemente degenere (al di sotto della temperatura critica) della pressione e dell'energia di punto zero, e una formula per il calore specifico a volume costante che tende a zero linearmente con la temperatura. Riottenne anche l'equazione classica di un gas perfetto e un valore dell'entropia coincidente con quello di Sackur-Tetrode .

La statistica scoperta da Fermi è del tutto generale, nel senso che vale per un gran numero di particelle. Le particelle scoperte finora possono essere divise in due gruppi: quelle descritte da Fermi, con spin semi intero, denominate fermioni (come il protone , il neutrone e l' elettrone ), e quelle con spin intero, dette bosoni (come il fotone ), che obbediscono alla statistica di Bose-Einstein . Lo spin determina una funzione d'onda totalmente asimmetrica per i fermioni e totalmente simmetrica per i bosoni. Le relazioni fra le due statistiche quantistiche sono state messe in luce da Dirac. A Fermi invece bisogna dare atto di aver reso il principio di Pauli un principio di fisica generale.

Applicazione della statistica e riconoscimento della sua importanza

Nel dicembre del 1926 il fisico britannico Ralph Fowler applicò la statistica di Fermi-Dirac per un problema di astrofisica riguardante le cosiddette nane bianche . Lo stesso Pauli applicò la statistica per uno studio riguardante sostanze paramagnetiche. Nel 1927, in occasione del centenario della morte di Alessandro Volta , fu organizzato a Como un importante congresso internazionale a cui presero parte tutti i principali scienziati del mondo. Durante tale congresso, Sommerfeld mostrò come una serie di fenomeni termici ed elettrici non interpretabili con le teorie classiche, trovassero immediata spiegazione grazie alla nuova statistica di Fermi-Dirac. Rasetti ricorda:

Nel 1927 lo stesso Fermi applicò la sua stessa statistica al cosiddetto modello atomico Thomas-Fermi . In tale modello gli elettroni sono ipotizzati essere come un gas degenere di Fermi, mantenuti intorno al nucleo dalla forza coulombiana. Fermi ei suoi allievi usarono tale modello per studiare le proprietà degli atomi che variano regolarmente al variare del numero atomico. A proposito di questo periodo e in generale sul metodo di lavoro di Fermi sono interessanti le parole di Amaldi :

L'Istituto di Via Panisperna e la fisica nucleare italiana

I ragazzi di via Panisperna . Da sinistra: Oscar D'Agostino , Emilio Segrè , Edoardo Amaldi , Franco Rasetti ed Enrico Fermi. Foto scattata da Bruno Pontecorvo

Quando Enrico Fermi occupò la cattedra di Fisica teorica a Roma, cercò, congiuntamente con Corbino, di trasformare l'Istituto di via Panisperna in un centro di avanguardia a livello mondiale. In questo contesto Fermi necessitava di collaboratori adatti, al fine di formare il gruppo che più tardi divenne famoso come i " ragazzi di via Panisperna ", dal nome della via nella quale erano ubicati i laboratori (ora parte del complesso del Viminale e del Ministero dell'interno ). Il primo a essere assunto fu Franco Rasetti, al quale fu assegnato il compito di portare avanti le ricerche nel campo della fisica atomica. In seguito lo stesso Corbino, durante una lezione presso la facoltà di Ingegneria, annunciò che presso il suo istituto vi era posto per chi avesse interesse nella fisica pura.

Così nel 1927-1928 Emilio Segrè , Edoardo Amaldi ed Ettore Majorana completarono il gruppo. Fermi aveva così, grazie anche al forte interessamento di Corbino, la sua scuola formata da allievi giovanissimi, dove, attraverso seminari informali e spesso improvvisati, insegnava i segreti della fisica. Il gruppo dei ragazzi di via Panisperna, all'apice del suo splendore, fu costituito da Amaldi, Bruno Pontecorvo , Rasetti, Segrè, Majorana e dal chimico Oscar D'Agostino . Il gruppo proseguì con i suoi famosi esperimenti fino al 1933 , quando Rasetti lasciò l'Italia per il Canada e poi per gli Stati Uniti , Pontecorvo andò in Francia e Segrè preferì andare a insegnare a Palermo .

Segrè ricorda così la maniera di fare lezione al gruppo da parte di Fermi:

L'attività di ricerca del gruppo durante questo periodo è ricordata da Rasetti con le sue stesse parole:

Fermi in toga accademica (al centro) con Franco Rasetti (a sinistra) ed Emilio Segrè (a destra)

Le ricerche di quel periodo si concentrarono sull'effetto Raman in molecole e cristalli, sugli spettri di assorbimento dei metalli alcalini e sulle strutture iperfini righe spettrali. Nel 1929 Fermi e Rasetti compresero che la ricerca sulla spettroscopia e la fisica atomica stava per volgere alla fine, dato che la meccanica quantistica aveva risolto la maggior parte delle questioni aperte. Il nuovo corso del gruppo fu di investigare il nucleo dell'atomo. Corbino, in un celebre discorso intitolato I nuovi compiti della fisica sperimentale , si fece carico davanti alla Società Italiana per il Progresso delle Scienze del progetto di modernizzare la ricerca scientifica in Italia. Rasetti, Fermi e Corbino si fecero pertanto promotori della nuova politica scientifica che doveva basarsi sulla fondazione di laboratori di ricerca ben attrezzati, sulla formazione di ricercatori sia teorici sia sperimentali, e soprattutto sulla concentrazione di finanziamenti, risorse materiali e umane, nei settori più promettenti.

Il nuovo corso veniva così delineato da Corbino:

Il 29 marzo 1929 Fermi è nominato da Mussolini membro della Reale Accademia di Italia e si iscrive al partito fascista ^[10] . Fermi, in seguito, cercò di ottenere ulteriori finanziamenti per il suo istituto, finanziamenti che arrivarono tramite fondi del CNR e che ammontavano a circa dieci volte il valore medio dei finanziamenti degli altri istituti.

Gli scienziati riuniti alla 7ª Conferenza Solvay. Fermi è il quinto da sinistra della prima fila in piedi

Insieme con Antonio Garbasso evitò che i finanziamenti fossero mal distribuiti e li concentrò sulla fisica nucleare e sulla fisica dei raggi cosmici . Quando Fermi focalizzò le sue ricerche sul nucleo, si era già a conoscenza che la maggior parte dei nuclei esistenti era di natura stabile, e che altri sono radioattivi. In caso di decadimento radioattivo se ne conoscevano di tre tipi: tramite emissione di una particella ${\displaystyle \mathrm{<a\; href="/wiki/Particella\_alfa"\; class="mw-redirect"\; title="Particella\; alfa"><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\alpha </span></span></a>}}${\displaystyle \alpha } o tramite l'emissione di una particella ${\displaystyle \mathrm{<a\; href="/wiki/Decadimento\_beta"\; title="Decadimento\; beta"><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\beta </span></span></a>}}${\displaystyle \beta } , e in genere accompagnati dall'emissione di un fotone ${\displaystyle \mathrm{<a\; href="/wiki/Raggi\_gamma"\; title="Raggi\; gamma"><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\gamma </span></span></a>}}${\displaystyle \gamma } . Compito della fisica nucleare era quello di studiare le forze che tengono insieme il nucleo. Infatti, attraverso la meccanica quantistica, si era in grado di spiegare solo, e approssimativamente, l'emissione di particelle ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\alpha </span></span>}}${\displaystyle \alpha } .

Al fine di comprendere meglio il problema, Fermi organizzò fra l'11 e il 17 ottobre 1931 un congresso internazionale di fisica nucleare, insieme all'Accademia d'Italia e al CNR , di cui Fermi era segretario del comitato di fisica ^[11] . Il congresso fu finanziato con duecentomila lire, una cifra enorme per l'epoca, e aperto con un intervento dello stesso Mussolini. L'organizzazione scientifica del congresso fu affidata a Fermi che personalmente invitò i più grandi scienziati mondiali, definendo direttamente il taglio degli interventi, e chiedendo espressamente di esporre non solo i problemi già risolti, ma soprattutto quelli non risolti.

Il congresso ebbe un'importanza scientifica enorme e vide la partecipazione di Marie Curie , Niels Bohr , Patrick Blochett , Robert Millikan , Arthur Compton , Werner Heisenberg e Wolfgang Pauli . Il congresso fu un catalizzatore di idee e soprattutto mise a fuoco le questioni centrali, teoriche e sperimentali, ancora aperte. Wolfgang Pauli, per esempio, avanzò per la prima volta l'esistenza di una nuova particella, il neutrino , per spiegare gli spettri continui degli atomi radioattivi durante il processo di decadimento ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\beta </span></span>}}${\displaystyle \beta } . Ipotesi contrastata da Bohr, secondo cui in questo modo si violava la legge di conservazione dell'energia. Al contrario Fermi vedeva l'ipotesi favorevolmente. Il congresso si concluse con le seguenti parole di Corbino:

Tale profezia si rivelò corretta. Nel febbraio del 1932 James Chadwick scoprì al Cavendish Laboratory di Cambridge il neutrone . Nel settembre del 1932 Karl Anderson al CalTech scoprì il positrone , risultato che venne poco dopo confermato da Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini a Cambridge, dove crearono coppie elettrone/positrone confermando così la teoria di Dirac. Lo stesso anno Urey, Brickwedde e Murphy scoprirono il deuterio . Nel luglio 1932 una relazione congressuale accennò per la prima volta al neutrino di Pauli.

In seguito alle pubblicazioni di Chadwick sull'esistenza del neutrone, un allievo di Fermi, Ettore Majorana , propose un modello di atomo dove il nucleo era composto dai soli protoni e neutroni, elaborandone una teoria delle forze nucleari che li tengono insieme. Tali forze sono note oggi come forze di Majorana . Nell'ottobre del 1933, durante il settimo congresso Solvay, Pauli si convinse finalmente a pubblicare le sue teorie sul neutrino.

Teoria del decadimento β

Due mesi dopo il convegno Solvay, Fermi pubblicò il suo celebre lavoro sulla teoria del decadimento beta dal titolo: Tentativo di una teoria dei raggi β . Rasetti ne ricostruisce così la genesi:

Il badge di Fermi a Los Alamos

Nella teoria di Fermi, egli riprendeva l'ipotesi di Pauli del neutrino, e assunse che neutrone e protone fossero due stati differenti dello stesso oggetto, aggiungendo anche l'ipotesi che assumeva che l'elettrone espulso durante il procedimento di decadimento β non preesisteva nel nucleo prima di essere espulso, ma che veniva creato, insieme al neutrino nel processo di decadimento contemporaneamente alla trasformazione di un neutrone in un protone, analogamente a quello che avviene nella formazione di un quanto di luce che accompagna un salto quantico di un atomo. Per costruire la teoria del processo di decadimento beta, processo in cui il numero di particelle leggere non si conserva, Fermi ricorse al formalismo elaborato da Dirac all'interno della sua teoria quantistica della radiazione relativa all'interazione dell'elettrone con il corpo elettromagnetico. All'interno della sua teoria, Dirac descrive gli operatori di costruzione e distruzione che definiscono il processo di annichilimento o creazione di una particella una volta che abbia interagito con il campo elettromagnetico.

Fermi dimostrò che così come l'interazione elettromagnetica produce la conversione di un fotone in una coppia elettrone-positrone, così l'interazione di Fermi, oggi chiamata interazione debole , produce la trasformazione di un neutrone in un protone (o viceversa), accompagnato dalla creazione di un elettrone e di un neutrino.

Al fine di calcolare la probabilità con cui il processo avviene, Fermi costruì la funzione hamiltoniana più semplice e compatibile con le leggi di conservazione e di simmetria. La costante di grandezza che compare nell'hamiltoniana fu determinata da un confronto con dati sperimentali. Tale costante per l'interazione debole ha un significato analogo a quella della gravitazione. Nel suo lavoro, rifiutato dalla rivista Nature , e accettato in seguito prima su Nuovo Cimento , e poi su Zeitschrift für Physik , Fermi calcolò la vita media del decadimento β, l'energia spettrale dell'elettrone emesso e le cosiddette regole di selezione del processo. A proposito di questo lavoro, Segrè ricorda:

La teoria di Fermi aprì un nuovo campo della fisica delle particelle elementari: la fisica delle interazioni deboli .

La scoperta dei neutroni lenti e della fissione nucleare

Il gruppo di Fermi cominciò a lavorare sulla radioattività artificiale in seguito alla scoperta della stessa da parte di Irene Curie e suo marito Frederic Joliot nel gennaio del 1934. Nell'autunno del 1934 Fermi e Rasetti cominciarono con la costruzione degli strumenti necessari al fine di studiare la radioattività basata sull'esperienza fatta qualche mese prima da Rasetti al Kaiser Wilhelm Institut für Chemie a Berlino . Insieme costruirono una grande camera a nebbia e uno spettrometro a cristalli per raggi γ e vari contatori Geiger-Müller . Le sorgenti di neutroni vennero fornite e preparate da Giulio Cesare Trabacchi , direttore del laboratorio di fisica dell' Istituto Superiore di Sanità . ^[12] Al contrario di quanto fatto da Curie e Joliot, Fermi decise di bombardare i nuclei bersagli con neutroni (cariche neutre) anziché con particelle α (cariche positive). Utilizzando come sorgenti di neutroni radon e berillio , Fermi cominciò a bombardare gli elementi del sistema periodico in maniera sistematica, ma solo quando arrivò al fluoro e all' alluminio , il suo contatore Geiger-Müller segnò finalmente i primi conteggi.

I primi risultati positivi vennero inviati alla rivista scientifica del CNR Ricerca Scientifica il 25 marzo del 1934, spiegati da Fermi come un nucleo che una volta soggetto a bersaglio assorbe un neutrone ed emette una particella α, dando luogo a un nuovo elemento radioattivo con numero atomico minore di due unità rispetto a quello di partenza. Fermi scrisse dieci articoli su questo tema, tutti con il titolo Radioattività provocata da bombardamento di neutroni N , con N da 1 a 10. Il gruppo di Fermi lavorò intensamente sulle nuove ricerche, e data la necessità di profonde conoscenze in chimica , decise di assumere Oscar D'Agostino , un chimico che si trovava a Parigi per approfondire le tecniche di radio chimica. Il lavoro procedeva speditamente ei risultati venivano, come detto, pubblicati immediatamente su Ricerca Scientifica . In poco tempo vennero irradiati con neutroni circa 60 elementi e almeno in 40 vennero identificati nuovi elementi radioattivi. Durante la fase di classificazione delle reazioni, il gruppo si accorse che i neutroni davano luogo alla formazione di nuovi nuclei radioattivi praticamente in tutti gli elementi irradiati, indipendentemente dal numero atomico. Scoprirono inoltre che nel caso di atomi leggeri, i radionuclidi prodotti avevano un numero atomico inferiore di una o due unità rispetto al nucleo iniziale mentre nel caso di elementi più pesanti i nuovi elementi erano isotopi del nucleo bombardato.

Il FERMIAC inventato da Fermi

I risultati vennero interpretati in termini di reazioni nucleari (n, p) o (n,α), ovvero in termini di altezza del potenziale elettrostatico che le particelle cariche (protoni o particelle α) emesse dai nuclei bersaglio devono attraversare, essendo il potenziale elettrostatico minore per atomi leggeri rispetto agli atomi pesanti. I risultati del gruppo di Fermi fecero presto il giro del mondo, e il loro successo può essere riassunto per esempio con le parole di Lord Ernest Rutherford , eminenza dell'epoca nel campo della fisica nucleare:

Fermi e il suo gruppo proseguirono nella loro attività di bombardamento di tutti gli elementi della tavola periodica . Arrivati al numero 90 ( torio ) e al numero 92 ( uranio ), osservarono numerosi radionuclidi che erroneamente interpretarono come nuovi elementi.

La loro scoperta venne confermata dai maggiori fisici dell'epoca. I due nuovi elementi vennero denominati esperio e ausonio in onore di due antiche civiltà italiche. La scoperta, che nei piani di Fermi doveva rimanere segreta, venne invece subito resa pubblica da Corbino durante un discorso, dal titolo Risultati e prospettive della fisica moderna , tenuto di fronte all'Accademia dei Lincei alla presenza del re Vittorio Emanuele III . Fermi era contrario a dichiarazioni sensazionalistiche ed era convinto che le spiegazioni da loro date fossero errate. Infatti ciò che il gruppo aveva scoperto non erano due nuovi elementi, ma si trattava della fissione dell'uranio , come fu suggerito dalla chimica tedesca Ida Noddack . Nella seconda metà del 1934, il gruppo decise di passare da uno studio qualitativo delle attività radioattive dei materiali a uno quantitativo.

Lo studio fu assegnato da Fermi ad Amaldi ea Bruno Pontecorvo che si era da poco unito al gruppo. Il primo obiettivo era quello di ottenere risultati ben riproducibili, ma i due si imbatterono in difficoltà enormi, dato che le proprietà dei vari metalli sembravano dipendere fortemente dai materiali su cui la sorgente di neutroni e il campione irradiato venivano disposti. Per la mattina del 20 ottobre 1934 tutto era pronto per un esperimento sistematico per capire l'origine di questi strani fenomeni. Amaldi costruì il castelletto con pareti di piombo e ripeté le misure, collocando la sorgente e il campione d'argento da irradiare secondo varie disposizioni geometriche. L'esperimento consisteva nel bombardare con neutroni un bersaglio costituito da un campione di argento inserendo tra la fonte e il bersaglio un cuneo di piombo allo scopo di distinguere i neutroni "assorbiti" da quelli "diffusi".

In fisica, non sono rari i casi in cui scoperte e invenzioni sono il frutto del "caso fortuito", sotto il quale si cela l'intuizione, la creatività e l'ispirazione dell'autore. Tra i tanti episodi di cui è costellata la storia della scienza uno dei meno noti, ma anche dei più clamorosi, avvenne proprio quella mattina del 20 ottobre 1934 e coinvolse Enrico Fermi durante le sue ricerche sulla radioattività artificiale indotta da neutroni . Fermi si trovava da solo nel laboratorio mentre i suoi collaboratori e allievi erano impegnati in lezioni e sessioni d'esame. Impaziente e irrequieto com'era, decise di avviare subito le procedure previste ma un istante prima di iniziare ebbe un'intuizione e sostituì il cuneo di piombo con un pezzo di paraffina . I risultati, e cioè l'induzione di radioattività artificiale, furono straordinari, ben oltre ogni più rosea previsione, del tutto inaspettati e, al momento, incomprensibili. Fu chiaro in seguito che il successo dell'esperimento si doveva proprio alla paraffina, sostanza ricca di idrogeno , cioè di protoni, che "rallentavano" i neutroni incidenti amplificando la loro efficacia nel determinare la radioattività artificiale. L'esperimento fu ripetuto, per conferma, sostituendo la paraffina con acqua, anch'essa ricca di protoni, ottenendo gli stessi risultati clamorosi.

Emilio Segrè ricorda:

Fermi giustificò immediatamente il tutto nel seguente modo: alla base di tutto stava la definizione di neutroni lenti . Infatti i neutroni venivano rallentati in una serie di urti elastici con i protoni della paraffina aumentando così la loro efficacia nel provocare la radioattività artificiale. Fermi dimostrò come la probabilità di cattura dei neutroni e di produzione delle reazioni nucleari aumentasse con la diminuzione della velocità dei neutroni, cosa inaspettata per l'epoca, visto che si credeva il contrario. Enrico Fermi vinse in seguito a questa scoperta il Premio Nobel per la fisica nel 1938. Ma perché allora utilizzò proprio paraffina e perché ebbe questa intuizione apparentemente bizzarra, non è ancora oggi chiaro. Neppure il grande scienziato seppe trovare una risposta e certamente la persona più sorpresa di quella modifica fu proprio lui. Così Subrahmanyan Chandrasekhar , il famoso fisico teorico di origine indiana, ricorda la conversazione che ebbe con Fermi a questo proposito:

La sera stessa Fermi ei suoi colleghi scrissero un breve articolo circa la scoperta per la rivista Ricerca Scientifica . L'articolo venne intitolato Azione di sostanze idrogenate sulla radioattività provocata da neutroni I , in cui gli autori avanzarono come possibile spiegazione:

In seguito a tale scoperta, il gruppo riorganizzò le sue attività di ricerca decidendo di concentrarsi maggiormente sull'effetto dei neutroni lenti piuttosto che sullo studio dei radionuclidi prodotti. La prima ricerca fu di determinare quantitativamente il cosiddetto coefficiente di acquacità che determina di quanto l'immersione in acqua di una sorgente e dei campioni sotto esame aumentasse la radioattività artificiale. Gli esperimenti mostrarono che alcuni elementi avevano una cattura neutronica maggiore di un ordine di grandezza fra 3 e 4 volte maggiore della cosiddetta sezione d'urto geometrica dei nuclei irradiati. Utilizzando la meccanica quantistica, Fermi riuscì a spiegare questo fenomeno, trovando una spiegazione per queste sezioni d'urto anomale e ricavando la legge generale della dipendenza dalla sezione d'urto di cattura dalla velocità dei neutroni incidenti, scoprendo così che, per velocità molto basse, la probabilità di cattura è inversamente proporzionale alla velocità.

Corbino convinse Fermi ei suoi ragazzi a brevettare il processo di produzione di sostanze radioattive artificiali mediante bombardamento di neutroni e l'aumento dell'efficienza del processo stesso dovuto all'uso dei neutroni lenti. Tale brevetto porta la data del 26.10.1935 e fu determinante per il successivo sviluppo dell' energia atomica . L'attività del gruppo proseguì con la ricerca della comprensione del gran numero di attività indotte nel torio e nell'uranio. L'ipotesi su cui si basava la ricerca era che oltre al decadimento β ci fosse un secondo decadimento denominato α, con un'emissione di nuclei di elio. Amaldi venne incaricato da Fermi di procedere con gli esperimenti alla ricerca degli emettitori α, ricerca che fallì, a parte per il caso dell'uranio.

Nell'estate del 1935, il gruppo cominciò a disperdersi. Rasetti si recò alla Columbia University . Segrè fu anch'esso negli USA e, quando tornò in Italia, vinse la cattedra di Fisica sperimentale a Palermo . D'Agostino lasciò il gruppo per andare al neo-costituito Istituto di Chimica del CNR. Pontecorvo partì per Parigi per lavorare con i Joliot-Curie. Majorana infine sparì. Con le parole di Amaldi

Come reazione al pesante clima politico, i ritmi di lavoro divennero forsennati. Amaldi ricorda:

Verso la fine del 1936 la situazione politica in Italia deteriorò ulteriormente in seguito all'Asse Roma-Berlino fra l' Italia fascista di Mussolini e la Germania nazista di Hitler . Il colpo del KO al gruppo arrivò il 23 gennaio del 1937, quando Corbino morì improvvisamente di polmonite . Fermi ne era il naturale successore alla guida dell'istituto di via Panisperna ma, attraverso manovre politiche, il professor Antonino Lo Surdo riuscì a prendere il posto del defunto Corbino. Il blocco di paraffina utilizzato da Fermi per il suo esperimento del 20 ottobre 1934, recante la sigla "Regio Istituto di Fisica" (RIF), è ancora oggi conservato nel museo del Dipartimento di Fisica dell' Università La Sapienza di Roma .

La fine del gruppo e il Nobel

Un ciclotrone di fine anni trenta. Il fascio azzurro è costituito da aria ionizzata da particelle accelerate

La scoperta dei neutroni lenti consolidò definitivamente la fama del gruppo di Fermi a livello mondiale. Già nel 1935 , il gruppo si era reso conto che le sorgenti al radon - berillio erano molto deboli e che solo un acceleratore di particelle le avrebbe rese più intense. Fermi, intuendone l'importanza, voleva dotare il gruppo di una macchina di questo tipo. Nell'estate del 1935, Rasetti fu inviato a visitare il laboratorio di Robert Millikan a Pasadena e ilRadiation Laboratory a Berkeley al fine di studiare le prestazioni degli impianti realizzati presso quei laboratori nel caso si fosse deciso di costruirne uno in Italia. A Pasadena, Rasetti studiò un acceleratore ad alto voltaggio messo a punto da uno studente di Millikan, mentre a Berkeley studiò il ciclotrone inventato da Ernest Lawrence .

La produzione di neutroni del ciclotrone era dell'ordine di 10 ¹⁰ neutroni al secondo, equivalente ai neutroni ottenibili con un chilogrammo di radon mescolato al berillio. Dopo un anno dalla visita di Rasetti, anche Segrè si recò a Berkeley e notò che il ciclotrone era stato nel frattempo enormemente migliorato. Tornato in Italia, abbandonò insieme a Fermi l'idea di costruire un ciclotrone in Italia a causa del costo elevato. Nel novembre 1936, Fermi e Domenico Marotta, direttore dell' Istituto di Sanità pubblica , presentarono la proposta per realizzare un acceleratore di tipo Cockcraft-Walton da 1 MeV , che sarebbe stato realizzato, presso l'Istituto di Sanità pubblica, solo alcuni mesi dopo la fuga di Fermi dall'Italia fascista. Al fine di mantenere la posizione internazionale raggiunta, Fermi presentò il 29 gennaio 1937 una dettagliata proposta per la costituzione di un Istituto di radioattività nazionale:

e continuava sottolineando che

Fermi non si limitava a sottolineare l'importanza della ricerca di base, ma evidenziava anche le possibili ricadute pratiche:

La richiesta finale da parte di Fermi era di 300 000 lire più 230 000 per le spese di personale e gestione. Nel 1937 lo stesso Fermi si recò a Berkeley per studiare il modo di costruire un ciclotrone economico, ma questa pianificazione non portò a nulla per il crescente isolamento politico e scientifico che Fermi cominciò a subire dopo la morte di Corbino e che si accentuò ulteriormente con l'improvvisa morte di Guglielmo Marconi , che in quanto presidente del CNR e dell' Accademia d'Italia , era un influente e ascoltato protettore del gruppo. Nel maggio 1938 , la proposta di Fermi venne definitivamente affossata con la giustificazione che non vi erano soldi a sufficienza. Venne solo concesso un contributo di 150 000 lire per l'anno 1938-1939. Questa decisione segnò la fine del sogno di un ciclotrone italiano e la morte della fisica nucleare italiana, proprio alcuni mesi prima dell'assegnazione del premio Nobel per la fisica. ^{[ senza fonte ]}

In questo periodo maturò la decisione (anche in seguito ai continui viaggi effettuati verso gli USA) di lasciare l'Italia per volare oltre oceano, dato che negli USA vi erano finanziamenti adeguati per la ricerca. Come ricorda Segrè:

Fermi riceve il Nobel ( Karl Sandels )

A ogni modo la situazione europea, con l' annessione dell'Austria da parte della Germania nazista, cominciava a degenerare rapidamente. Nel luglio 1938 cominciò anche la campagna antisemita in Italia con la pubblicazione del manifesto della razza e le successive leggi razziali , per cui Fermi dovette rinunciare alla collaborazione di alcuni suoi assistenti. La stessa moglie di Fermi, Laura Capon (figlia dell' ammiraglio Augusto Capon ), essendo ebrea , era soggetta alle persecuzioni razziali imposte dal regime , insieme ai loro figli. La moglie di Fermi ricorda nel libro Atomi in famiglia che la coppia decise di lasciare l'Italia in seguito all'attuazione di quella legge. Lo stesso Fermi era soggetto a controlli di ogni tipo.

Il 10 novembre del 1938, il prof. Enrico Fermi ricevette, all'età di soli trentasette anni, l'annuncio ufficiale del conferimento del premio Nobel . L'illustre scienziato italiano decise che, dopo la consegna del premio a Stoccolma , avrebbe fatto rotta con la famiglia verso gli Stati Uniti, dove la Columbia University di New York lo aveva invitato per una serie di lezioni. Edoardo Amaldi ricostruisce così l'atmosfera che precedette la proclamazione ufficiale dell'assegnazione a Fermi del Nobel:

Un interessante racconto circa il clima intorno alla figura del famoso fisico romano ci viene da un controllo di routine fatto da un informatore del ministro dell'Interno. In seguito alla cerimonia che la Magneti Marelli , società di cui Fermi era consulente scientifico, organizzò per festeggiare il neo premio Nobel, vennero invitate tutte le maggiori autorità cittadine della regione. Dal racconto dell'informatore:

Il 6 dicembre 1938 Fermi partì con il treno per Stoccolma. Alla stazione Termini , la famiglia Fermi fu accompagnata da Rasetti e Amaldi, che riporta gli ultimi momenti con il maestro:

Il 10 dicembre 1938 l'Accademia delle scienze di Stoccolma conferisce il premio Nobel a Enrico Fermi

Il comportamento di Enrico Fermi durante la consegna del premio fece scalpore all'interno dell'informazione del regime fascista ^[13] . Come ricorda Amaldi:

Nei giorni successivi Otto Hahn e Fritz Strassmann rilevarono, in seguito al bombardamento dell'uranio con neutroni, la presenza di bario radioattivo, cioè di un elemento con numero atomico intermedio (simile alla scoperta del gruppo di Fermi degli elementi con numero atomico superiore denominati esperio e ausonio). I due scienziati tedeschi ipotizzarono per la prima volta la possibile fissione dell'uranio.

La fuga negli Stati Uniti e le prime ricerche

Dopo aver ricevuto il premio Nobel, Fermi andò a Copenaghen da Bohr per imbarcarsi insieme alla moglie Laura Capon il 24 dicembre 1938 sul transatlantico Franconia diretto a New York , dove arrivò il 2 gennaio 1939. Egli rimase in un primo momento a New York presso la Columbia University , dove il 25 gennaio dello stesso anno fece parte di un team sperimentale che nel seminterrato dell'università condusse il primo esperimento di fissione nucleare negli Stati Uniti. Fermi verificò gli esperimenti iniziali di Hahn e Strassmann sulla fissione nucleare con l'aiuto di Dunning e Booth e, trasferitosi a Chicago , cominciò la costruzione della prima pila nucleare, la Chicago Pile-1 . In un discorso tenuto nel 1954, quando si pensionò da Presidente della Società Americana di Fisica, ricordò l'inizio del progetto:

Dopo la famosa lettera di Albert Einstein del 1939 (redatta da Leó Szilárd ) al Presidente Roosevelt , nella quale, di fronte alla minaccia rappresentata dal regime nazista , veniva sottolineata la possibilità di realizzare una bomba atomica , la Marina stabilì un fondo di 6 000 dollari per la Columbia University, fondo che fu incrementato per il Progetto Manhattan e per il lavoro di Fermi.

Il progetto Manhattan

Il direttore del progetto Manhattan, Oppenheimer, con Fermi e Lawrence

Nel suo saluto all' American Physical Society , Fermi disse anche:

Fu Fermi così a risolvere il primo grande ostacolo scientifico del Progetto Manhattan , il 2 dicembre 1942 alle 14:20 ora locale, quando sotto le gradinate dello stadio del campus dell' Università di Chicago il gruppo da lui guidato iniziò la prima reazione nucleare a catena auto-alimentata ( Chicago Pile-1 ). ^[14] Un messaggio in codice (" Il navigatore italiano è giunto nel nuovo mondo ") fu inviato dal generale Groves al presidente Roosevelt per avvisarlo che l'esperimento aveva avuto successo. La messa in funzione della Chicago Pile 1 è da tutti considerata come il momento in cui è iniziata l'era dell' energia nucleare . Fermi fu presente quando il reattore "X-10 Graphite" a Oak Ridge, nel Tennessee, divenne critico nel 1943 , e quando il "Reattore B" nel sito di Hanford lo fece l'anno successivo. Al Los Alamos National Laboratory , diresse la divisione F, parte della quale lavorò alla bomba termonucleare "Super" di Edward Teller .

Dopo la resa della Germania nel maggio 1945, i dubbi degli scienziati impegnati nel Progetto Manhattan erano cresciuti però di intensità. A Chicago, nei giorni immediatamente successivi alla fine della guerra in Europa, Arthur Compton nominò un comitato per affrontare la questione dell'uso della bomba, formato da vari scienziati del Metallurgical Laboratory, fra i quali lo stesso Szilard, e presieduto da James Franck , un fisico tedesco di grande valore, immigrato negli Stati Uniti per sfuggire alle persecuzioni antisemite dei nazisti. All'inizio di giugno del 1945 il rapporto finale, noto come Rapporto Franck anche se stilato in massima parte da Szilárd, fu recapitato urgentemente al ministro della guerra Henry Stimson perché lo inoltrasse al presidente Truman. Nel rapporto si sconsigliava l'uso delle bombe atomiche contro il Giappone e si suggeriva una dimostrazione incruenta della nuova arma.

Non essendo giunto alcun riscontro al Rapporto Franck, Szilárd decise di scrivere una petizione al presidente Truman, e la fece circolare fra gli scienziati del Metallurgical Laboratory, raccogliendo 53 firme. Ne inviò poi alcune copie ai laboratori di Oak Ridge e di Los Alamos, con una lettera di accompagnamento in cui scriveva: «Per quanto limitata sia la possibilità che la nostra petizione possa influire sul corso degli eventi, io personalmente sento che sarebbe importante se un vasto numero di scienziati che hanno lavorato in questo campo si esprimesse pubblicamente con chiarezza e sicurezza sull'opposizione per motivi morali all'uso di queste bombe nell'attuale fase della guerra», ma a Los Alamos la petizione di Szilárd non venne fatta circolare. Inviata da Szilárd attraverso i canali istituzionali, la petizione non raggiunse mai Truman perché «la questione dell'uso della bomba era stata già pienamente affrontata e risolta dalle autorità competenti».

Hiroshima dopo il bombardamento nucleare del 6 agosto 1945

La decisione fu presa al massimo livello politico, ma Fermi e gli altri leader scientifici del Progetto Manhattan svolsero comunque un ruolo importante nel processo decisionale: due mesi prima, nel maggio del 1945, Truman aveva infatti creato un'apposita commissione, nota come Interim Committee per affrontare la questione dell'eventuale uso della bomba atomica. L'Interim Committee fu affiancato da una commissione scientifica composta da quattro scienziati di primo piano del Progetto Manhattan: Oppenheimer, Fermi, Lawrence e Compton, che avevano la responsabilità delicatissima di dare consigli tecnici sull'uso dell'arma nucleare contro il Giappone . I quattro scienziati ricevettero da Stimson il Rapporto Franck ma non lo trovarono convincente.

La raccomandazione di Fermi e degli altri leader del progetto convinse i membri dell'Interim Committee che approvarono all'unanimità i seguenti provvedimenti:

1. la bomba dovrà essere usata contro il Giappone al più presto;
2. dovrà essere usata su un doppio bersaglio, cioè su installazioni militari o impianti bellici circondati o adiacenti ad abitazioni;
3. dovrà essere usata senza preavviso sulla natura dell'arma.

Era tra gli scienziati presenti al test nucleare Trinity il 16 luglio 1945 , la prima esplosione nucleare della storia, dove fu usato il suo " metodo Fermi " per stimare la resa della bomba.

Fermi fu eletto membro dell' Accademia Nazionale delle Scienze degli Stati Uniti nel 1945 ^[15] . Dopo la guerra gli fu offerta e accettò la cattedra di fisica Charles H. Swift presso l' Università di Chicago , e divenne membro del nuovo istituto per gli studi nucleari di quell'università.

Il team dell'Università di Chicago nel dicembre 1946

Il Progetto Manhattan fu sostituito dalla Commissione per l'energia atomica (AEC) il 1º gennaio 1947 e Fermi fece parte del Comitato consultivo generale, l'influente comitato scientifico presieduto da Robert Oppenheimer. Dopo la detonazione della prima bomba sovietica a fissione nucleare nell'agosto del 1949, si oppose fermamente allo sviluppo di una bomba all'idrogeno , per motivi sia morali che tecnici.

Ritorno in Italia

Nell'estate del 1949 , Fermi tornò brevemente in Italia per partecipare a una conferenza sui raggi cosmici che si tenne a Como dove ebbe modo di rivedere alcuni colleghi e amici tra i quali Amaldi , Bernardini , Pontecorvo , Segrè . Dopo la conferenza, organizzata dall' Accademia dei Lincei , prima di tornare negli Usa, Fermi tenne anche alcune lezioni a Roma e Milano ^[16] . Le lezioni, raccolte dagli assistenti delle due università, furono pubblicate nel 1950 ^[17] .

Fermi tornò nuovamente in Italia, per l'ultima volta, già gravemente malato, pochi mesi prima di morire, nel 1954 per tenere un corso di lezioni sulla fisica dei pioni e dei nucleoni a Varenna presso villa Monastero, sul lago di Como ^[18] . La stessa villa è ora sede della Scuola internazionale di fisica, intitolata allo scienziato italiano.

Morte

Lapide commemorativa posta nella Basilica di Santa Croce a Firenze in onore di Enrico Fermi

Il 28 novembre 1954 Fermi morì di tumore dello stomaco a Chicago e venne sepolto nel locale Oak Woods Cemetery . Aveva 53 anni. Di lui Eugene Wigner scrisse: «Dieci giorni prima che Fermi morisse mi disse: "Spero che non duri molto". Si è riconciliato perfettamente con il suo destino».

Il professor Edoardo Amaldi ebbe a dire, durante la commemorazione tenuta a classi riunite il 12 marzo 1955 dall' Accademia dei Lincei :

Una lapide commemorativa lo ricorda nella basilica di Santa Croce a Firenze , nota anche come il Tempio dell'itale glorie per le numerose sepolture di artisti, scienziati e personaggi importanti della storia italiana.

Fermi anticipatore dei suoi tempi

La targa della via di Roma intitolata allo scienziato nel quartiere Portuense

Fermi fu un uomo estremamente brillante, dall'inusuale elasticità mentale e senso comune. Fu un teorico veramente dotato di talento, come dimostra la sua teoria sul decadimento beta. Ebbe lo stesso talento anche sul lavoro in laboratorio, procedendo velocemente e con un grande intuito. Sostenne che la sua velocità in laboratorio lo aveva portato al Nobel, dicendo che le stesse scoperte a cui lui era arrivato presto sarebbero state fatte da qualcun altro, e che lui ci era semplicemente arrivato prima.

Nel 1933 propose il suo famoso studio sul decadimento beta alla rivista scientifica Nature , ma l'editore della rivista lo respinse perché « [...] conteneva speculazioni che erano troppo distanti dalla realtà». Per questo, Fermi pubblicò la sua teoria in italiano e in tedesco . ^[19]

Comprese immediatamente l'importanza dei calcolatori elettronici , come risultò dal problema di Fermi–Pasta–Ulam–Tsingou . ^[13] Non dimenticò mai di essere un precursore dei suoi tempi, ed era solito dire ai suoi allievi preferiti: «Non siate mai i primi, cercate di essere secondi».

Opere e alcuni lavori

• Introduzione alla fisica atomica , Bologna, Zanichelli, 1928.
• Fisica. Ad uso dei licei , 2 voll., Bologna, Zanichelli, 1929; 1937.
• Sui momenti magnetici dei nuclei atomici , Roma, Tip. Del Senato, G. Bardi, 1930.
• Sul calcolo degli spettri degli ioni , Roma, Tip. Del Senato, G. Bardi, 1930.
• L'effetto Raman nelle molecole e nei cristalli , Roma, Reale Accademia D'Italia, 1932.
• Sulla Teoria delle strutture iperfini , con Emilio Segrè , Roma, Reale Accademia D'Italia, 1933.
• Molecole e cristalli , Bologna, Zanichelli, 1934.
• Conferenze di fisica atomica. Raccolte da professori ed assistenti di fisica delle università di Roma e Milano , Roma, Accademia Nazionale dei Lincei, 1950.
• Particelle elementari , Torino, Einaudi, 1952; Boringhieri, 1963.
• Termodinamica , Torino, Boringhieri, 1958 (traduzione del testo originale Thermodynamics, raccolta di lezioni tenute da E. Fermi nel 1936 presso la Columbia University ).
• Note e memorie , 2 voll.,

I, Italia 1921-1938 , Roma-Chicago, Accademia Nazionale dei Lincei-The University of Chicago press, 1962.

II, United States 1939-1954 , Roma-Chicago, Accademia Nazionale dei Lincei-The University of Chicago Press, 1965.

• Atomi, nuclei, particelle. Scritti divulgativi ed espositivi, 1923-1952 , Torino, Bollati Boringhieri, 2009.
• Alcune teorie fisiche. Caorso - Roma, 1919 , Piacenza, Tipolito Farnese, 2011 (contiene la riproduzione del taccuino ms. conservato presso la Biblioteca dell'Università di Chicago).
• Notes on Quantum Mechanics (Appunti di meccanica quantistica) , Chicago, The University of Chicago Press, 1961 (pubblicato postumo).

Allievi famosi di Enrico Fermi

• Mario Ageno ^[20]
• Edoardo Amaldi
• Herbert Lawrence Anderson
• Owen Chamberlain - Premio Nobel 1959
• Geoffrey Chew
• Jerome Isaac Friedman - Premio Nobel 1990
• Murray Gell-Mann - Premio Nobel 1969
• Marvin Leonard Goldberger
• Richard Lawrence Garwin
• David Lazarus
• Tsung-Dao Lee - Premio Nobel 1957
• Ettore Majorana
• Jay Orear
• Bruno Pontecorvo
• James Rainwater - Premio Nobel 1975
• Franco Rasetti
• Arthur Rosenfeld
• Emilio Segrè - Premio Nobel 1959
• Jack Steinberger - Premio Nobel 1988
• Sam Treiman
• Gian Carlo Wick
• Chen Ning Yang - Premio Nobel 1957

Intitolazioni

La centrale nucleare di Trino Vercellese

• A Enrico Fermi è stata intitolata laterza centrale nucleare italiana : l'impianto da 270 MW di Trino ( VC ), che dal 1964 al 1987 ha prodotto oltre 26 milioni di MWh .
• Portano il nome di Fermi i fermioni (particelle con spin semi-intero).
• L'unità di misura del fermi (equivalente a 10 ⁻¹⁵ metri).
• Il laboratorio americano Fermilab .
• Il dipartimento di fisica della University of Chicago dove era solito lavorare è ora conosciuto come The Enrico Fermi Institute .
• Il riconoscimento presidenziale statunitense Enrico Fermi ^[21] .
• In suo onore il satellite GLAST dedicato allo studio dei raggi gamma è stato chiamato Fermi Gamma-ray Space Telescope ^[22] .
• Fermi è il nome di un cratere sulla Luna ^[23] di ben 241 km di diametro e un asteroide, l' 8103 Fermi .
• Da Fermi prende nome il paradosso di Fermi , sulla possibilità dell'esistenza di civiltà aliene.
• Il Premio Enrico Fermi della Società italiana di fisica .
• Il Premio Enrico Fermi del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America .
• A Enrico Fermi è stato intitolato il dipartimento di fisica dell'Università di Pisa, presso il quale ha studiato.
• A Enrico Fermi è stato intitolato il dipartimento di Ingegneria Nucleare del Politecnico di Milano , che contiene un reattore nucleare.
• A Enrico Fermi è intitolato uno dei due edifici del dipartimento di fisica della Università degli Studi di Roma "La Sapienza" .
• A Fermi sono intitolate numerose scuole superiori, soprattutto licei scientifici e istituti tecnici, in varie città d'Italia.
• A Fermi è stata intitolata una delle stazioni della metropolitana di Roma (Linea B) : EUR Fermi .
• A Fermi è stata intitolata una delle stazioni della metropolitana di Torino .
• A Fermi è stato intitolato l'elemento nº 100 della tavola degli elementi, ovvero il fermio .
• A Fermi sono stati dedicati dalle Poste italiane due francobolli, il primo nel 1967 da 50 lire e il secondo nel 2001 da 800 lire (0,41 euro ).
• Fermi è il nome dell'acceleratore di particelle lineare (FEL) costruito presso il centro di ricerca Elettra Sincrotrone situato in prossimità di Trieste ^[24] .
• Fermi è il nome di un'architettura per GPU .
• Problema di Fermi .
• Gas di Fermi .
• Liquido di Fermi .
• Livelli energetici di Fermi e di quasi-Fermi .
• Un supercomputer con architettura di tipo Blue-Gene/Q, installato presso il CINECA dal 2012 al 2016, è stato battezzato supercomputer Fermi , e, nel luglio 2012, è stato il settimo più potente al mondo.

Riconoscimenti

• Nel 1926 gli fu assegnata la Medaglia Matteucci ^[25] ;
• Nel 1938 gli fu assegnato il Premio Nobel per la fisica ;
• Nel 1947 gli fu assegnata la Medaglia Franklin ^[26] ;
• Nel 1953 gli fu assegnato l' Henry Norris Russell Lectureship ;
• Nel 1954 gli fu assegnata la Medaglia Max Planck .

Filmografia

- I ragazzi di via Panisperna.

Il film I ragazzi di via Panisperna venne dedicato a Enrico Fermi e al gruppo di grandi scienziati ( Segre , Pontecorvo , Amaldi e Majorana ) che raccolse all'istituto di via Panisperna di Roma. Andò in onda per la prima volta in due puntate su Rai2 nel 1990. Oggi è disponibile gratuitamente su RaiPlay .

- L'incredibile storia di Enrico Fermi.

Il documentario "L'incredibile storia di Enrico Fermi" venne prodotto dalla RAI per celebrare il centesimo anniversario della nascita dello scienziato. Andò in onda per la prima volta il 18 settembre 2001 ^[27] su Rai 1 in una puntata di Speciale Superquark . ^[28]

Note

Bibliografia

• Laura Fermi , Atomi in famiglia , Milano, Mondadori, 1954.
• Emilio Segrè , Enrico Fermi, fisico. Una biografia scientifica , Bologna, Zanichelli, 1971 (con successive edizioni).
• Bruno Pontecorvo , Fermi e la fisica moderna , Roma, Editori Riuniti, 1972.
• Gerald Holton , "La grande avventura del gruppo Fermi", in: FL Cavazza, SR Graubard (a cura di), Il caso italiano , 2 voll., Aldo Garzanti Editore, Milano, 1975, Vol. 2, pp. 478-525.
• Lanfranco Belloni, Da Fermi a Rubbia. Storia e politica di un successo mondiale della scienza italiana , Milano, Rizzoli, 1988.
• Edoardo Amaldi , Da via Panisperna all'America. I fisici italiani e la seconda guerra mondiale , a cura di Giovanni Battimelli e Michelangelo De Maria, Roma, Editori Riuniti, 1997.
• Michelangelo De Maria, Fermi. Un fisico da via Panisperna all'America , Milano, I Grandi della Scienza, 1999, supplemento a "Le Scienze" n. 368, aprile 1999 ISSN 1126-5450 ( WC · ACNP )
• Roberto Vergara Caffarelli, Enrico Fermi. Immagini e documenti , con scritti di Roberto Vergara Caffarelli e Elena Volterrani. Nel Centenario della nascita di Enrico Fermi, La Limonaia — Associazione per la diffusione della cultura scientifica e tecnologica, Pisa, Edizioni PLUS, 2001.
• Francesco Cordella, Alberto De Gregorio, Fabio Sebastiani, Enrico Fermi. Gli anni italiani , Roma, Editori Riuniti, 2001. ISBN 88-359-5097-X .
• Giulio Maltese, Enrico Fermi in America. Una biografia scientifica: 1938-1954 , Bologna, Zanichelli, 2003. ISBN 88-08-07727-6 .
• Giovanni Battimelli, L'eredità di Fermi. Storia fotografica dal 1927 al 1959 dagli archivi di Edoardo Amaldi , Roma, Editori Riuniti, 2003.
• Giuseppe Bruzzaniti, Enrico Fermi. Il genio obbediente , Torino, Einaudi, 2007. ISBN 978-88-06-16682-3 .
• Giulio Maltese, Il papa e l'inquisitore. Enrico Fermi, Ettore Majorana, via Panisperna , Bologna, Zanichelli, 2010. ISBN 978-88-08-16814-6 .
• Giorgio Colangelo, Massimo Temporelli, La banda di via Panisperna. Fermi, Majorana ei fisici che hanno cambiato la storia . Milano, Hoepli, 2013, ISBN 978-88-203-5945-4 .
• Giovanni Battimelli, Maria Grazia Ianniello, Fermi e dintorni. Due secoli di fisica a Roma (1748-1960) , Milano, Mondadori Università, 2013.
• Francesco Guerra, Nadia Robotti, Enrico Fermi e il quaderno ritrovato. La vera storia della scoperta della radiazione indotta da neutroni , SIF Edizioni, Bologna, 2015 (traduzione inglese per la Springer nel 2018). ISBN 978-88-7438-096-1 .
• Gino Segrè, Bettina Hoerlin, Il Papa della fisica. Enrico Fermi e la nascita dell'era atomica , Milano, Raffaello Cortina Editore, 2017, ISBN 978-88-603-0948-8 .
• David N. Schwartz, Enrico Fermi. L'ultimo uomo che sapeva tutto , Milano, Solferino Libri/RCS, 2018, ISBN 978-88-282-0016-1 .

Voci correlate

• Radioattività
• Ragazzi di via Panisperna
• Laura Fermi
• Paradosso di Fermi
• Fisica atomica
• Fisica nucleare
• Meccanica statistica
• Problema di Fermi–Pasta–Ulam–Tsingou

Altri progetti

• Wikisource contiene una pagina in lingua inglese dedicata a Enrico Fermi
• Wikiquote contiene citazioni di o su Enrico Fermi
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Enrico Fermi

Collegamenti esterni

• Enrico Fermi , su sapere.it , De Agostini .
• ( EN ) Enrico Fermi , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Emilio Segrè, FERMI, Enrico , in Dizionario biografico degli italiani , vol. 46, Istituto dell'Enciclopedia Italiana , 1996.
• Enrico Fermi , su siusa.archivi.beniculturali.it , Sistema Informativo Unificato per le Soprintendenze Archivistiche .
• ( EN ) Enrico Fermi , su nobelprize.org , Nobel Media AB.
• ( EN ) Enrico Fermi , su MacTutor , University of St Andrews, Scotland.
• ( EN ) Enrico Fermi , su Mathematics Genealogy Project , North Dakota State University.
• ( EN ) Opere di Enrico Fermi , su Open Library , Internet Archive .
• ( EN ) Enrico Fermi , su Internet Movie Database , IMDb.com.
• Archivio fotografico di Fermi e dei "ragazzi di via Panisperna" , su phys.uniroma1.it .

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