Fisico nucleare

Enrico Fermi

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« La professione del ricercatore deve tornare alla sua tradizione di ricerca per l’amore di scoprire nuove verità. Poiché in tutte le direzioni siamo circondati dall’ignoto e la vocazione dell’uomo di scienza è di spostare in avanti le frontiere della nostra conoscenza in tutte le direzioni, non solo in quelle che promettono più immediati compensi o applausi.[1] »
(Discorso tenuto da Enrico Fermi nel 1947)

Enrico Fermi (Roma, 29 settembre 1901Chicago, 28 novembre 1954) è stato un fisico italiano naturalizzato statunitense[2].

È noto principalmente per gli studi teorici e sperimentali nell’ambito della meccanica quantistica, e in particolare della fisica nucleare. Tra i maggiori contributi si possono citare la teoria del decadimento β, la statistica quantistica di Fermi-Dirac e i risultati riguardanti le interazioni nucleari.

In suo onore venne dato il nome ad un elemento della tavola periodica, il fermio (simbolo Fm), ad un sottomultiplo del metro comunemente usato in fisica atomica e nucleare, il fermi[3], nonché a una delle due classi di particelle della statistica quantistica, i fermioni.

Progettò e guidò la costruzione del primo reattore nucleare a fissione, che produsse la prima reazione nucleare a catena controllata. Fu uno dei direttori tecnici del Progetto Manhattan, che portò alla realizzazione della bomba atomica nei laboratori di Los Alamos. È stato inoltre tra i primi ad interessarsi alle potenzialità della simulazione numerica in ambito scientifico, nonché l’iniziatore di una seconda scuola di fisici sia in Italia, sia negli Stati Uniti d’America.

Fermi ricevette nel 1938 il Premio Nobel per la fisica, per “l’identificazione di nuovi elementi della radioattività e la scoperta delle reazioni nucleari mediante neutroni lenti“.

La firma dello scienziato

Biografia[modifica | modifica wikitesto]

Infanzia e adolescenza[modifica | modifica wikitesto]

La casa natale di Enrico Fermi a Via Gaeta 19, Roma

Nacque a Roma il 29 settembre 1901 da Alberto Fermi, piacentino[4], ispettore capo presso il ministero delle comunicazioni, e da Ida De Gattis, barese, insegnante di scuola elementare nella capitale. Era l’ultimo di tre figli: la sorella primogenita Maria (nata il 12 aprile 1899 e morta il 26 giugno 1959 nel disastro aereo di Olgiate Olona) e il fratello Giulio, di un anno più grande. Mostrò fin da piccolissimo di possedere una memoria eccezionale e una grande intelligenza, che gli permisero di primeggiare negli studi.

Fin dall’infanzia fu inseparabile dal fratello maggiore, che nel 1915 morì nel corso di un’operazione chirurgica per rimuovere un ascesso della gola. Enrico, per lenire il profondo dolore, si gettò nello studio e completò il ginnasio con un anno di anticipo presso il Liceo Umberto Primo di Roma (oggi Liceo classico Pilo Albertelli).

Una delle prime fonti per soddisfare la sua fame di conoscenza fu un trattato del 1840 trovato al mercato romano di Campo de’ Fiori, intitolato Elementorum physicae mathematicae, del padre gesuita Andrea Caraffa, professore del Collegio Romano. Le novecento pagine in latino, comprendenti argomenti di matematica, meccanica classica, astronomia, ottica e acustica, furono studiate approfonditamente dal giovane Fermi, come dimostra il ritrovamento di molti foglietti e annotazioni all’interno dei due tomi.

Importante fu anche la conoscenza dell’amico del fratello Enrico Persico, di un anno più grande, insieme al quale sviluppò con continue discussioni e, dopo l’iscrizione all’università, con scambi epistolari, le sue conoscenze in fisica e matematica. I due amici vinsero nel 1926, insieme ad Aldo Pontremoli, le prime tre cattedre di fisica teorica create in Italia.

Durante gli anni del liceo conobbe inoltre un collega del padre e amico di famiglia, l’ingegner Adolfo Amidei, il quale, impressionato dalla straordinaria intelligenza di Enrico, guidò la sua formazione prestandogli diversi trattati di livello universitario, che il giovane Fermi lesse con incommensurabile passione. Nel 1914, a soli 13 anni, Enrico ricevette in prestito da Amidei il testo Die geometrie der lage di Theodor Reye, oltre al Traité de trigonométrie di Joseph Alfred Serret; nel 1915, a 14 anni il Corso di Analisi Algebrica con introduzione al Calcolo Infinitesimale di Ernesto Cesaro, e le Lezioni di geometria analitica di Luigi Bianchi; a 15 anni le Lezioni di analisi infinitesimale di Ulisse Dini, e, finalmente, a 16 anni, il Traité de mécanique di Siméon-Denis Poisson . Nel 1918 Amidei gli suggerì di non frequentare l’Università di Roma, ma di iscriversi all’Università di Pisa e partecipare al concorso per entrare alla prestigiosa Scuola Normale Superiore della stessa città.

Scuola Normale Superiore di Pisa[modifica | modifica wikitesto]

Fermi negli anni universitari

Appunti di Enrico Fermi, Thesauros, misurazioni di attivazione radioattiva dello Iodio

Per accedere alla prestigiosa università Fermi dovette superare un concorso con il seguente tema: Caratteri distintivi dei suoni e loro cause. L’argomento fu svolto con straordinaria sicurezza e assoluto possesso dei mezzi matematici. Basandosi su quanto appreso nel trattato di meccanica di Poisson e utilizzando concetti come equazioni differenziali e sviluppo in serie di Fourier, descrisse esaustivamente il carattere del suono analizzando alcuni casi specifici. Il livello del suo svolgimento fu talmente elevato da riuscire sbalorditivo per la commissione esaminatrice. In seguito a un colloquio orale svolto dal prof. Giulio Pittarelli, venne confermata l’eccellenza della preparazione del diciassettenne Fermi, che ottenne il primo posto in graduatoria. Durante il colloquio il prof. Pittarelli si espose, preannunciando al giovane studente romano che sarebbe diventato un importante scienziato.

Fra il 1919 ed il 1923 studiò la relatività generale, la meccanica quantistica e la fisica atomica. La sua preparazione in meccanica quantistica raggiunse livelli talmente elevati che Luigi Puccianti, direttore dell’Istituto di Fisica presso la Scuola Normale, gli chiese di organizzare alcuni seminari sul tema. Sempre in questo periodo apprese il calcolo tensoriale, strumento matematico inventato da Gregorio Ricci-Curbastro e Tullio Levi-Civita, indispensabile al fine di dimostrare i principi della relatività generale.

Nel 1921, terzo anno di Università, pubblicò i suoi primi due lavori sulla rivista scientifica Nuovo Cimento: Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in modo transitorio e Sull’elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche. Il primo di questi lavori portò a una conclusione che poneva in contraddizione il calcolo della massa effettuato nell’ambito della teoria di Lorentz con il principio di equivalenza dell’energia di Einstein. Tale apparente contraddizione venne chiarita l’anno seguente dallo stesso Fermi nell’articolo Correzione di una grave discrepanza fra la teoria elettrodinamica e quella della relativistica delle masse elettromagnetiche. Inerzia e peso dell’elettricità, che apparve prima sulla rivista I rendiconti e in seguito sulla prestigiosa rivista tedesca Physikalische Zeitschrift.

Sempre nel 1922 pubblicò il suo primo importante lavoro sulla rivista Rendiconti dell’Accademia dei Lincei, dal titolo Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria, dove introduceva per la prima volta quelle che verranno in seguito denominate le coordinate di Fermi, e dimostrava che in prossimità di una linea oraria, lo spazio si comporta come se fosse euclideo.

Sede della Scuola Normale Superiore di Pisa

Nel 1922 comincia la sua tesi di laurea sperimentale sulle immagini di diffrazione dei raggi X prodotte da cristalli curvi. È da notare che i tubi per i raggi X furono fabbricati da Fermi insieme ad altri due studenti: Nello Carrara e Franco Rasetti, nell’ambito dei loro esperimenti «liberi» all’interno del laboratorio di fisica presso l’Istituto di fisica della Normale. I tre ragazzi avevano libero accesso al laboratorio e alla biblioteca su permesso del capo dell’istituto stesso. Secondo Franco Rasetti, Fermi, dimostrò di essere un fisico completo svolgendo una tesi sperimentale pur essendo già noto come fisico teorico.

Ad ogni modo, sembra che Fermi preferisse gli aspetti teorici rispetto a quelli sperimentali. In una lettera all’amico Persico, datata marzo 1922, Fermi fa capire che non vedeva l’ora di terminare la tesi per potersi dedicare alla meccanica quantistica.

Il 4 luglio dello stesso anno Fermi si laureò all’Università con Luigi Puccianti e, il successivo 7 luglio, si diplomò pure alla Normale; in entrambi i casi, ottenne la magna cum laude.

Nel 1923, in seguito alla scrittura dell’appendice del libro Fondamenti della relatività einsteiniana di August Kopff, Enrico Fermi, specializzatosi ulteriormente nello studio della relatività generale grazie a Giuseppe Armellini e Tullio Levi-Civita, pone per la prima volta l’accento sull’enorme quantità di energia insita nella famosa equazione (E=mc²). Asserzione che può essere vista come il primo vero passo nella direzione della generazione di energia atomica.

Nel 1924 fu iniziato in Massoneria nella Loggia “Adriano Lemmi” del Grande Oriente d’Italia a Roma[5].

Periodo a Gottinga[modifica | modifica wikitesto]

Subito dopo la laurea si presentò a Orso Mario Corbino, professore di Fisica sperimentale, e nel 1923, grazie ad una borsa di studio, si recò per sei mesi a Gottinga presso la scuola di Max Born. Il periodo a Gottinga non si rivelò molto fruttuoso e le ragioni sembrano essere di vario tipo: c’è chi sostiene che non si trovò a suo agio con lo stile eccessivamente teorico e formale della principale scuola di fisica quantistica dell’epoca, chi, come Emilio Segrè, sostiene che Fermi era da un lato timido e da un lato troppo orgoglioso, e chi, anche, che i suoi colleghi (Born, Heisenberg, Pauli e Jordan) erano forse troppo impegnati con le loro ricerche.

Durante questi sei mesi, piuttosto che occuparsi di risolvere le contraddizioni della cosiddetta old quantum physics, introdotta da Bohr e Sommerfeld, e su cui si stavano cimentando i suoi colleghi a Gottinga, preferì studiare i limiti di applicazione ai sistemi atomici del cosiddetto principio delle adiabatiche, enunciato da Paul Ehrenfest, che formulava una delle idee guida per ricavare le condizioni di quantizzazione della old quantum physics.

Nonostante il non perfetto ambientamento, la produzione scientifica di Fermi a Gottinga fu intensa. Dopo un mese dall’arrivo pubblicò un articolo dal titolo Il principio delle adiabatiche ed i sistemi che non ammettono coordinate angolari, articolo in cui si proponeva di determinare i limiti di validità del principio di Ehrenfest, mostrando che per particolari trasformazioni adiabatiche veniva a perdere la sua base.

Due mesi dopo pubblicò un secondo articolo sulla rivista Physikalische Zeitschrift, dal titolo Dimostrazione che in generale un sistema meccanico normale è quasi ergodico, articolo che attrasse l’attenzione di Ehrenfest.

In questo articolo, dal titolo Alcuni teoremi di meccanica analitica importanti per la teoria dei quanti, Enrico Fermi dimostra la validità del principio di Ehrenfest per determinare le orbite quantiche di un sistema atomico a tre corpi. Dimostrando inoltre che in sistemi con più di una costante di moto il principio di Ehrenfest non è valido.

Ritorno da Gottinga e periodo a Leida[modifica | modifica wikitesto]

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