Enrico Fermi. storia di un fisico italiano

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1 Enrico Fermi storia di un fisico italiano

2 Nasce a Roma 29 settembre 1901 Legame col fratello Giulio Amicizia con Enrico Persico Lezioni informali dall amico di famiglia Amidei Ammissione alla Scuola Normale di Pisa con il tema: Caratteri distintivi dei suoni e loro cause

3 Scuola Normale di Pisa Studio della relatività, della meccanica quantistica e della fisica atomica ( ) Articoli pubblicati: Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in modo transitorio Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche (1921) Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria (1922) pubblicato sulla rivista Rendiconti dell Accademia dei Lincei Inizio della tesi di laurea sulle immagini di diffrazione dei raggi X prodotte da cristalli curvi. Conoscenza profonda della relatività: riflessioni sull equazione E = mc 2

4 Göttingen - Leida 1923 presso la scuola di Max Born Studia il principio delle adiabatiche enunciato da Ehrenfest e dimostra la non applicabilità per alcune trasformazioni adiabatiche e la validità per la determinazione delle orbite quantiche per un sistema a tre corpi grazie a Vito Volterra vince un borsa di studio per un periodo a Leida presso la scuola di Paul Ehrenfest. Pubblica l articolo: Sulla teoria dell'urto fra atomi e corpuscoli elettrici primo contributo di Fermi alla old quantum physics. Conosce Einstein e Lorentz.

5 1924 cattedra di fisica presso l università di Firenze (professore incaricato). Inizio delle ricerche con l amico Franco Rasetti Cerca di istituire la prima cattedra di fisica teorica in Italia occupa la cattedra di fisica teorica su nomina di Corbino e Garbasso.

6 Statistica delle particelle A Leida nel 1923 affronta il problema della determinazione della costante assoluta dell entropia di un gas monoatomico. «L'insuccesso delle regole di Sommerfeld nel calcolo quantitativo degli atomi di numero atomico più grande di uno [...] è dovuto al fatto che questi atomi contengono almeno due elettroni non distinguibili tra loro, e che le regole di Sommerfeld, anche nel caso della possibilità della separazione delle variabili, non sono applicabili nel caso che alcune parti del sistema siano tra loro completamente identiche.» 1925 Pauli enuncia il principio di esclusione di Pauli Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico per la prima volta compare l equazione della statistica di Fermi Dirac. Applicazione della statistica a problemi di astrofisica (R. Howard Fowler) e per lo studio di sostanze paramagnetiche (Pauli) convegno a Como per il centenario della morte di Volta, Sommerferld mostra come fenomeni termici ed elettrici sono spiegati dalla statistica di Fermi-Dirac. Rasetti: «Fu per Fermi un vero trionfo, e molti professori italiani rimasero stupiti che un giovane ventiseienne, appena noto in Italia, fosse già così celebre in Germania.»

7 L istituto di via Panisperna Fermi, già docente di fisica teorica, cerca assieme a Corbino di trasformare l istituto di via Panisperna in un centro di avanguardia. Assume Franco Rasetti per ricerche in fisica atomica si completa il gruppo con Emilio Segré, Edoardo Amaldi ed Ettore Majorana; più avanti si aggiunge Bruno Pontecorvo e il chimico Oscar D agostino anno della svolta dalla ricerca sulla spettroscopia e sull atomo alla fisica del nucleo. Fermi è nominato da Mussolini membro della Reale Accademia d Italia e si iscrive al partito fascista cercando di ottenere ulteriori finanziamenti.

8 Conoscenze di fisica nucleare nel 1929: Esisitenza di nuclei di natura stabile e altri di natura instabile; Decadimenti radioattivi: emissione di una particella α emissione di una particella β emissione elettromagnetica ad alta frequenza γ Nel 1931 Fermi organizza un congresso internazionale di fisica nucleare: Pauli ipotizza l esistenza del neutrino (per spiegare gli spettri continui degli atomi radioattivi) ipotesi contrastata da Bohr (violazione della conservazione dell energia); Fermi favorevole. Nel 1932: James Chadwick (Cavendish Laboratorydi Cambridge) scopre il neutrone; Karl Anderson al (Caltech) scopre il positrone; Urey, Brickwedde e Murphy scoprono il deuterio; Ettore Majorana propone il modello atomico col nucleo formato solo da neutroni e protoni, e la teoria delle forze che li tengono uniti (Forze di Majorana); Nel 1933 Pauli pubblica le sue teorie sul neutrino.

9 Teoria del decadimento dei raggi β Riprende l'ipotesi di Pauli del neutrino ed assume che neutrone e protone siano due stati differenti dello stesso oggetto; aggiunge anche l'ipotesi che l'elettrone espulso durante il procedimento di decadimento β sia creato, insieme al neutrino, nel processo stesso con la trasformazione di un neutrone in un protone. Per dimostrare le sue ipotesi usa il formalismo di Dirac (operatori di costruzione e distruzione). Per il calcolo della probabilità con cui avviene il processo,crea la funzione hamiltoniana più semplice e compatibile con le leggi di conservazione e di simmetria; Determina la costante di grandezza, che ha significato analogo a quella di gravitazione, da un confronto con dati sperimentali. L articolo viene pubblicato su Nuovo Cimento, e poi su Zeitschrifft für Physik. Calcola la vita media del decadimento β, l'energia spettrale dell'elettrone emesso e le cosiddette regole di selezione del processo. «Fermi ci espose la sua teoria ad alcuni di noi durante una vacanza nell'inverno del 1933, in Val Gardena, dopo una giornata di sci [...]. Era pianamente consapevole dell'importanza del suo lavoro e disse che pensava che quello sarebbe stato il suo capolavoro, ricordato dalla posterità, certo il meglio di quanto aveva fatto fino ad allora.» Segré

10 Scoperta dei neutroni lenti In seguito alla scoperta della radioattività artificiale (Irene Curie e il marito Frederic Joliot) il gruppo di Fermi inizia a fare esperimenti. Fermi decide di bombardare sistematicamente gli elementi della tavola con neutroni (usando come sorgenti radon e berillio) anziché con particelle α. Pubblicazione dei primi risultati sulla rivista scientifica del CNR Ricerca scientifica nel Spiegazione di Fermi: un nucleo assorbe un neutrone ed emette una particella α originando un nuovo elemento radioattivo con numero atomico minore di 2 unità rispetto a quello di partenza. Il gruppo osserva che i neutroni generavano nuclei radioattivi in quasi tutti gli elementi irradiati. Bombardando torio e uranio osservano molti radionuclidi interpretati erroneamente come nuovi elementi (esperio e ausonio); si tratta della fissione dell uranio.

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12 Fermi a Chandrasekhar (fisico teorico indiano): «Le racconterò come arrivai a fare la scoperta che credo sia la più importante della mia carriera. Stavamo lavorando molto intensamente sulla radioattività indotta dai neutroni e i risultati che stavamo ottenendo erano incomprensibili. Un giorno, appena arrivato in laboratorio, mi venne in testa che avrei dovuto esaminare l'effetto prodotto da un pezzo di piombo piazzato davanti ai neutroni incidenti. E, contrariamente alle mie abitudini, misi un grande impegno a preparare un pezzo di piombo lavorato con grande precisione. Ero chiaramente insoddisfatto di qualcosa: cercai ogni scusa per tentare di rinviare la disposizione di quel pezzo di piombo al suo posto. Quando finalmente con grande riluttanza stavo per collocarlo, mi dissi: «No! Non voglio questo pezzo di piombo, ciò che voglio è un pezzo di paraffina!». Andò proprio così, senza nessuna premonizione e nessun precedente ragionamento conscio. Presi immediatamente un pezzo di paraffina che trovai sul momento a portata di mano e lo collocai dove avrebbe dovuto essere disposto il pezzo di piombo.» Articolo per la rivista Ricerca scientifica: «I neutroni per urti multipli contro nuclei di idrogeno, perdono rapidamente la propria energia. È plausibile che la sezione d'urto neutrone-protone cresca al calare dell'energia e può quindi pensarsi che dopo alcuni urti i neutroni vengano a muoversi in modo analogo alle molecole diffondentesi in un gas, eventualmente riducendosi fino ad avere solo l'energia cinetica competente all'agitazione termica. Si formerebbe così intorno alla sorgente qualcosa di simile a una soluzione di neutroni nell'acqua o nella paraffina.»

13 Riorganizzazione della ricerca puntando sui neutroli lenti; Corbino convince Fermi a brevettare il processo di produzione di sostanze radioattive artificiali mediante bombardamento di neutroni lenti. Fallimento della ricerca di un decadimento chiamato α con emissione di nuclei di elio. Fermi cerca finanziamenti per costruire un ciclotrone. Rasetti e Segré vanno a Berkley per verificarne la funzionalità. L idea di costruire il ciclotrone viene abbandonata per il costo eccessivo della macchina. Nel 1935: Rasetti Columbia University Segré USA poi a Palermo D Agostino CNR Pontecorvo Parigi Majorana Corbino muore (1937)

14 Nel 1937 Fermi propone la costituzione di un istituto di radioattività nazionale per mantenere il livello internazionale: «Le ricerche sulla radioattività hanno avuto negli ultimi anni, presso tutte le nazioni civili, uno sviluppo eccezionalmente intenso e fecondo. Questo movimento non accenna in alcun modo a declinare, ma tende anzi a estendersi a nuovi e vasti campi non solo della fisica, ma anche della chimica e della biologia. L'Italia ha avuto finora un ruolo preminente in queste ricerche [...]. D'altra parte la tecnica radioattiva ha potuto impiegare in gran parte come sorgenti primarie le sostanze radioattive naturali, così che i mezzi ordinari di un laboratorio fisico universitario hanno potuto, con limitati aiuti esterni, essere sufficienti allo sviluppo delle ricerche. Accanto alla tecnica delle sorgenti naturali si è andata sviluppando in tutti i grandi paesi esteri quella delle sorgenti artificiali. [...] Queste sorgenti hanno intensità migliaia di volte superiore a quelle partendo dalle sostanze naturali. È chiaro come queste circostanze rendano vano pensare ad un'efficace concorrenza con l'estero, se anche in Italia non si trova il modo di organizzare le ricerche su un piano adeguato.» «Un altro importante campo di studi, per il quale si hanno già promettentissimi inizi, è l'applicazione di sostanze radioattive artificiali quali indicatori per l'analisi di reazioni chimiche. Non meno importanti si prospettano le applicazioni nel campo biologico e medico. Tale importanza è stata riconosciuta in vari paesi nei quali le ricerche sulla radioattività artificiale sono largamente sovvenzionate da istituzioni mediche. Alcune applicazioni riguardano le sostituzione delle sostanze radioattive a quelle naturali per gli usi terapeutici.»

15 Dopo la morte di Corbino Fermi è sempre più isolato dalla politica Matura la decisione di partire per gli stati uniti. Nel 1938 comincia la campagna antisemita in Italia con la pubblicazione del manifesto della razza. Il 10 novembre riceve l annuncio ufficiale del conferimento del premio Nobel per: «la scoperta di nuove sostanze radioattive appartenenti all'intero campo degli elementi e per la scoperta [...] del potere selettivo dei neutroni lenti.» Recatosi a Stoccolma per ritirare il premio parte direttamente per l America senza tornare in Italia.

16 Fermi in America Presso la Columbia University verifica gli esperimenti di Hahn e Strassman sulla fissione nucleare. Si dedica alla realizzazione della prima pila atomica. Lettera di Einstein a Roosvelt nella quale si sottolinea la possibilità di realizzare una bomba atomica. (su invito di Slizard) Finanziamento di 6000 dollari alla Columbia Progetto uranio Progetto Manhattan

17 Nel 1942 viene creato a Chicago il Metallurgical Laboratory Si costruiscono numerose pile finchè il 2 dicembre fu accesa la prima reazione a catena autosostenuta. Compton a Conant: il navigatore italiano è arrivato nel nuovo mondo Come e dove costruire la prima bomba? Si scelse Los Alamos presso il laboratorio diretto da Oppenheimer. Truman succede a Rooslvelt. Scelta controversa sull utilizzo della bomba.

18 Terminata la guerra Fermi ritorna a Chicago Nuove frontiere per la fisica: fisica nucleare delle alte energie che poi darà origine alla fisica delle particelle. Fonda a Chicago la Scuola di Chicago In Italia, finita la guerra si pensa alla ricostruzione e si vuole rendere omaggio a Fermi, acclamato ovunque come il quasi leggendario Fermi Nel 1949 ritorna in Italia per tenere due conferenze: una a Roma e una a Milano. A Chicago viene costruito un potente ciclotrone per lo studio delle particelle; appena pronto Fermi e alcuni giovani collaboratori studiano l interazione pione-nucleone scoprendone la risonanza. Nel 1954 torna in Italia per l ultima voltae insegna alla scuola estiva di Varenna; è già sofferente per un male non ancora diagnosticato. Muore il 29 novembre a Chicago.

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