Enrico Fermi Da Wikipedia, lenciclopedia libera. Nessuna nota a piè di pagina Questa voce o sezione sullargomento scienziati è priva o carente di note e riferimenti bibliografici puntuali. Sebbene vi siano una bibliografia e/o dei collegamenti esterni, manca la contestualizzazione delle fonti con note a piè di pagina o altri riferimenti precisi che indichino puntualmente la provenienza delle informazioni. Puoi migliorare questa voce citando le fonti più precisamente. « 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 Medaglia del Premio Nobel Nobel per la fisica 1938 Enrico Fermi (Roma, 29 settembre 1901 – Chicago, 29 novembre 1954) è stato un fisico italiano naturalizzato statunitense[2]. È tra i più noti scienziati al mondo principalmente per gli studi teorici e sperimentali nellambito della meccanica quantistica e, più in generale, della fisica nucleare. Tra i maggiori contributi si possono citare la teoria del decadimento β, la statistica quantistica di Fermi-Dirac e i risultati concernenti 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 liniziatore di una feconda scuola di fisici sia in Italia, sia negli Stati Uniti dAmerica. Fermi è universalmente riconosciuto come uno dei più grandi scienziati di tutti i tempi. Nel 1938 ricevette il Premio Nobel per la fisica, per lidentificazione di nuovi elementi della radioattività e la scoperta delle reazioni nucleari mediante neutroni lenti. La firma dello scienziato Indice [nascondi] 1 Biografia 1.1 Infanzia e adolescenza 1.2 Scuola Normale Superiore di Pisa 1.3 Periodo a Gottinga 1.4 Ritorno da Gottinga e periodo a Leida 1.5 Ritorno da Leida ed inizio della carriera universitaria 1.6 La scoperta della statistica delle particelle 1.6.1 Genesi della statistica delle particelle 1.6.2 Applicazione della statistica e riconoscimento della sua importanza 1.7 LIstituto di Via Panisperna e la fisica nucleare italiana 1.8 Teoria del decadimento 1.9 La scoperta dei neutroni lenti e della fissione nucleare 1.10 La fine del gruppo e la fuga verso gli Stati Uniti 1.11 Inizio delle ricerche statunitensi 1.12 Ritorno in Italia 1.13 Fermi anticipatore dei suoi tempi 2 Opere 3 Allievi famosi di Enrico Fermi 4 Intitolazioni 5 Riconoscimenti 6 Note 7 Bibliografia 8 Voci correlate 9 Altri progetti 10 Collegamenti esterni Biografia[modifica | modifica sorgente] Infanzia e adolescenza[modifica | modifica sorgente] 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 lultimo 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 dallinfanzia fu inseparabile dal fratello maggiore, che nel 1915 morì nel corso di unoperazione 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 allinterno dei due tomi. Importante fu anche la conoscenza dellamico del fratello Enrico Persico, di un anno più grande, insieme al quale sviluppò con continue discussioni e, dopo liscrizione alluniversità, con scambi epistolari, le sue conoscenze in fisica e matematica. I due amici vinsero nel 1926 le prime due cattedre di fisica teorica create in Italia. Durante gli anni del liceo conobbe inoltre un collega del padre e amico di famiglia, lingegner Adolfo Amidei, che guidò la sua formazione in algebra, trigonometria, geometria analitica, analisi matematica e meccanica. Nel 1918 Amidei gli suggerì di non frequentare lUniversità di Roma, ma di iscriversi allUniversità di Pisa e partecipare al concorso per entrare alla prestigiosa Scuola Normale Superiore della stessa città. Scuola Normale Superiore di Pisa[modifica | modifica sorgente] Fermi negli anni universitari Per accedere alla prestigiosa università Fermi dovette superare un concorso con il seguente tema: Caratteri distintivi dei suoni e loro cause. Largomento 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 leccellenza 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 dellIstituto 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 Sullelettrostatica 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 nellambito della teoria di Lorentz con il principio di equivalenza dellenergia di Einstein. Tale apparente contraddizione venne chiarita lanno seguente dallo stesso Fermi nellarticolo Correzione di una grave discrepanza fra la teoria elettrodinamica e quella della relativistica delle masse elettromagnetiche. Inerzia e peso dellelettricità, 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 dellAccademia 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. Ledificio dellAccademia pisana 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, nellambito dei loro esperimenti «liberi» allinterno del laboratorio di fisica presso lIstituto di fisica della Normale. I tre ragazzi avevano libero accesso al laboratorio e alla biblioteca su permesso del capo dellistituto 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 allamico Persico, datata marzo 1922, Fermi fa capire che non vedeva lora di terminare la tesi per potersi dedicare alla meccanica quantistica. Il 4 luglio dello stesso anno Fermi si laureò allUniversità e il successivo 7 luglio si diplomò alla Normale; in entrambi i casi ottenne la magna cum laude. Nel 1923, in seguito alla scrittura dellappendice 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 laccento sullenorme 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. Periodo a Gottinga[modifica | modifica sorgente] 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: cè chi sostiene che non si trovò a suo agio con lo stile eccessivamente teorico e formale della principale scuola di fisica quantistica dellepoca, 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 dallarrivo 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 lattenzione 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 sorgente] Tornato da Gottinga, scrisse il suo primo importante contributo alla meccanica quantistica intitolato Sulla probabilità degli stati quantici, lavoro presentato da Corbino allAccademia dei Lincei il 16 dicembre 1923. In questo lavoro mostra il paradosso della statistica classica in relazione al calcolo della probabilità dei diversi stati quantici di un gas di atomi a temperatura elevata. Secondo la statistica classica i diversi stati quantici di un atomo hanno la medesima probabilità, ipotesi che porta paradossalmente la somma delle probabilità di tutti i possibili stati quantici ad infinito, quando la probabilità massima di qualunque sistema è per definizione uguale a 1. La soluzione formale a questa contraddizione era quella di unipotesi ad hoc al fine di definire come non possibili tutte le orbite di stati quantici per cui il raggio dellatomo è maggiore della distanza media tra atomo ed atomo. Fermi risolse elegantemente tale paradosso calcolando mediante la termodinamica una legge contenente un fattore che rende trascurabili i contributi della serie con numeri quantici elevati. Tale approccio è noto in letteratura come Fermi-Urey. Il gruppo di studiosi di Leida. Ehrenfest è in centro, con gli occhiali, Fermi è il primo a destra. Nel gennaio del 1924, Fermi pubblica un lavoro dal titolo Sopra la riflessione e la diffusione della risonanza, in cui sviluppa la teoria del fenomeno della risonanza ottica. Nello stesso mese scrisse anche Considerazioni sulla quantizzazione di sistemi che contengono elementi identici, che rappresenta il primo vero passo verso quella che sarà una delle sue principali scoperte da qui a due anni: la nuova statistica quantistica che porta il nome di statistica di Fermi-Dirac. Grazie allinteressamento del famoso matematico Vito Volterra, Fermi vinse una borsa di studio della fondazione Rockefeller per un periodo di studio nellautunno del 1924 a Leida presso listituto diretto da Paul Ehrenfest. Tale scelta deriva in parte dalla scarsa presenza allepoca in Italia di personalità impegnate nelle ricerche sulla meccanica quantistica. Nellestate del 1924, pubblicò un articolo dal titolo Sulla teoria dellurto fra atomi e corpuscoli elettrici, pubblicato prima in italiano sul Nuovo Cimento ed in seguito in tedesco su Zeitschrift für Physik. Tale studio rappresenta il primo importante contributo di Fermi alla cosiddetta old quantum physics. Nellarticolo menzionato, Fermi elaborò un metodo, conosciuto in seguito come metodo dei quanti virtuali o metodo dei fotoni equivalenti, basato sulla analogia fra la ionizzazione di un atomo prodotta da una luce ad una opportuna frequenza e quella prodotta da elettroni con sufficiente velocità. Con le sue stesse parole: « Quando un atomo che si trovi nel suo stato normale viene illuminato con una luce di frequenza opportuna esso può eccitarsi, vale a dire passare ad uno stato quantico di maggiore energia, assorbendo un quanto di luce. Se il quanto di luce ha energia maggiore dellenergia necessaria per ionizzare latomo, esso può ionizzarsi perdendo, secondo la frequenza della luce, un elettrone appartenente agli strati superficiali o a quelli profondi dellatomo. [...] Fenomeni di natura assai simili a questi si presentano anche nelleccitazione per urto. Se si bombardano infatti gli atomi di un gas con elettroni di velocità sufficiente essi possono eccitarsi o ionizzarsi e, se la velocità degli elettroni eccitanti è molto grande, possono anche perdere degli elettroni appartenenti a strati profondi dellatomo. Lo scopo del presente lavoro è di precisare ulteriormente le analogie esistenti fra queste due classi di fenomeni, e precisamente dedurre quantitativamente i fenomeni delleccitazione per urto da quelli dellassorbimento ottico. » Il lavoro, benché fosse stato sperimentalmente provato, trovò forti critiche da parte di Bohr. Fermi fu negativamente colpito da questo episodio, e secondo Emilio Segrè questo potrebbe essere il motivo per cui Enrico Fermi ha mostrato successivamente un atteggiamento negativo verso le teorie elaborate dai fisici di Gottinga e Copenaghen. Lo stesso Emilio Segrè fa notare che una volta stabilite in maniera precisa le leggi della meccanica quantistica, il lavoro sopra citato trovò piena giustificazione mediante la teoria delle perturbazioni dipendenti del tempo sviluppata da Dirac. A Leida, oltre ad approfittare della guida scientifica di Ehrenfest, Fermi ebbe anche modo di conoscere autorità mondiali della fisica come Einstein e Lorentz, e strinse amicizia con Samuel Goudsmit e Niko Tinberg. Le prime impressioni del periodo a Leiden sono riportate in una lettera del 23 ottobre del 1924 al suo amico Enrico Persico: « Siccome, contrariamente alle tue previsioni io non sono morto né dormo, ti manderò qualche mia notizia. Lambiente che è conosciuto qui a Leiden è molto simpatico e piacevole. Ho conosciuto: Einstein che è stato qui per una ventina di giorni; persona molto simpatica benché porti il cappello a larga tesa per darsi laria di un genio incompreso. È stato preso da una simpatia vivissima per me, che non poteva fare a meno di dichiararmi ogni volta che mi incontrava (peccato che non sia una bella bimba!) Ehrenfest anche lui molto simpatico e cortese, benché non sfigurerebbe in un negozio di abiti usati al ghetto. [...] Lorentz, caratteristica essenziale occhi di fuoco benché azzurri. Ho conosciuto poi parecchi altri, tra cui parecchi giovani che non hanno ancora un nome, ma che probabilmente se lo faranno. » Il periodo a Leida fu particolarmente fruttuoso. Nella corrispondenza fra Fermi e Persico si parla delle numerose scoperte fatte da Fermi a Leida. Una su tutte fu descritta in un lavoro pubblicato con il titolo Sopra lintensità delle righe multiple, dove Fermi ricava le espressioni dellintensità delle varie componenti delle righe multiple degli spettri atomici di diversi elementi. Laccordo trovato con i dati sperimentali fu migliore di quello di Heisenberg e Sommerfeld nella trattazione teorica del problema. Ritorno da Leida ed inizio della carriera universitaria[modifica | modifica sorgente] Fra il 1924 e 1925 Fermi fu chiamato, su invito del podestà di Firenze e direttore dellistituto di fisica Antonio Garbasso, ad occupare la cattedra di fisica matematica presso luniversità della città. Durante questo periodo iniziò alcune ricerche di fisica atomica con il ritrovato amico Franco Rasetti. I due amici portarono avanti importanti ricerche sperimentali sugli spettri atomici per mezzo di campi a radiofrequenza, e con le stesse parole di Rasetti: « Esse descrivono la seconda avventura di Fermi nel campo sperimentale dopo parecchi anni di lavoro teorico, dimostrano la sua ingegnosità nel trattare con tecniche non familiari; e costituiscono il primo esempio di una ricerca sugli spettri atomici per mezzo di campi a radiofrequenza, una tecnica che avrebbe avuto numerose applicazioni più tardi. » La vecchia sede dellUniversità fiorentina Le ricerche furono anche in qualche modo avventurose, sempre con le parole di Rasetti: « Fermi calcolò le caratteristiche di un semplice circuito oscillante che avrebbe dovuto produrre campi con lintensità e le frequenze volute. Fortunatamente furono scoperti in un armadio alcuni triodi e Fermi sentenziò che erano adatti per realizzare il circuito da lui progettato. Il laboratorio possedeva anche vari amperometri a filo caldo per misurare la corrente nelle bobine, e in questo modo si poteva determinare lintensità del campo magnetico. Se questi strumenti non fossero stati disponibili lesperimento non si sarebbe potuto effettuare perché i fondi di ricerca di cui disponeva listituto erano estremamente magri e non permettevano lacquisto di apparati costosi. [...] Le bobine di induttanza e alcune semplici parti furono costruite da noi e quando il circuito venne montato funzionò istantaneamente secondo le previsioni di Fermi. [...] I risultati ottenuti mostrarono che la frequenza di precessione dellatomo era in accordo con la predizione basata sul fattore di Landé. » Fra il 1924 e 1925 Fermi cerca di fare carriera universitaria, ben conscio delle sue capacità. Prima partecipa ad un concorso a Firenze a cattedra senza aver successo. In seguito, insieme a Volterra, Civita e Corbino, cerca di istituire la prima cattedra di fisica teorica in Italia a Roma. Ma dovrà aspettare un altro anno e mezzo per riuscire in questa impresa. Nel frattempo tenta di vincere il concorso a Cagliari per la fisica matematica, ma gli viene preferito Giovanni Giorgi, un fisico matematico di vecchia guardia, noto soprattutto per aver proposto il sistema internazionale di unità di misura. Fra i commissari vi erano Volterra e Levi-Civita che votarono per Fermi. La rabbia per la mancata nomina non durò a lungo. Nellautunno del 1926 Fermi vinse il concorso per occupare il posto della prima cattedra di fisica teorica in Italia, su nomina di Corbino e Garbasso. Nel giudizio finale della commissione giudicante si legge: « La commissione, esaminata la vasta e complessa opera scientifica del professor Fermi, si è trovata unanime nel riconoscerne le qualità eccezionali, e nel constatare che egli, pur in così giovane età e con pochi anni di lavoro scientifico, già onora altamente la fisica italiana. Mentre possiede in modo completo le più sottili risorse della matematica, sa farne un uso sobrio e discreto, senza mai perdere di vista il problema fisico di cui cerca la soluzione. [...] Mentre gli sono perfettamente famigliari i concetti più delicati della meccanica e della fisica matematica classica, riesce a muoversi con piena padronanza nelle questioni più difficili della fisica teorica moderna, cosicché egli è oggi il più preparato e il più degno per rappresentare il nostro paese in questo campo di così alta e febbrile attività scientifica mondiale. » La scoperta della statistica delle particelle[modifica | modifica sorgente] Rappresentazione delloccupazione da parte di fermioni (ad esempio elettroni) dei livelli energetici di un materiale secondo la statistica di Fermi-Dirac per diverse temperature Nel periodo precedente ed antecedente a questa nomina, Fermi continuò ad interessarsi alla meccanica quantistica, ma come riporta lui stesso in una lettera allamico Persico del 1925, non era convinto della nuova meccanica quantistica o cosiddetta meccanica delle matrici, sviluppata da Bohr, Heisenberg e Jordan. Fermi piuttosto, come riporta Emilio Segrè, si lasciò colpire dal lavoro di Schrödinger sulla meccanica ondulatoria. In questo periodo partendo da un lavoro di Born, in cui il formalismo di Schrödinger veniva usato per comprendere urti e diffusione fra le particelle insieme ad una prima interpretazione probabilistica della funzione donda, Fermi pubblicò un lavoro dal titolo Sulla meccanica ondulatoria dei processi durto. Finalmente nel dicembre 1925, Fermi scrisse il suo celebre lavoro Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico, che venne presentato da Corbino alla Accademia dei Lincei e pubblicato in versione ampliata e completa su Zeitschrift für Physik. In questo lavoro Fermi formula per la prima volta la sua celebre equazione della statistica di Fermi-Dirac a cui obbediscono le particelle elementari a spin semintero (chiamate in suo onore fermioni), che è oggi nota come statistica antisimmetrica Fermi-Dirac, dal nome dello scienziato inglese Paul Dirac, che seppur in ritardo di circa sei mesi rispetto a Fermi, giunse alle stesse conclusioni. In una lettera inviata da Fermi a Dirac, si legge: « Caro Signore! Nel suo interessante lavoro, On the theory of quantum mechanics, ha proposto una teoria del gas ideale basata sul principio di esclusione di Pauli. Ora una teoria sul gas ideale che è praticamente identica alla sua è stata pubblicata da me allinizio del 1926 (Zs. f. Phys. 36, p. 902, Lincei Rend. Febbraio 1926). Poiché immagino lei non ha visto il mio articolo mi permetto di attrarre la sua attenzione su di esso. Sinceramente suo Enrico Fermi. » Genesi della statistica delle particelle[modifica | modifica sorgente] Fermi cominciò ad occuparsi per la prima volta nel 1923 a Leida quando affrontò la determinazione della costante assoluta dellentropia per un gas perfetto monoatomico. Tale problema aveva già visto coinvolto prima Otto Sackun e H. Tetrode, ed in seguito Otto Stern. Fermi pubblicò nel 1923 su Rendiconti dellAccademia dei Lincei un articolo dal titolo Sopra la teoria di Stern della costante assoluta dellentropia rifiutando la struttura di base della sua teoria, e con le sue parole: « In questo lavoro mi propongo di dimostrare che questa ipotesi innaturale non è affatto necessaria, perché basta modificare le deduzione cinetica [...] tenendo conto che le molecole del corpo solido possono muoversi solamente sopra orbite quantiche. » Lanno successivo pubblicò su Nuovo Cimento larticolo dal titolo Considerazione sulla quantizzazione dei sistemi che contengono elementi identici. In questo articolo Fermi mostra come le regole di quantizzazione di Sommerfeld predicono sì perfettamente le frequenze dello spettro dellatomo di idrogeno, ma non danno sicurezza alcuna per gli spettri di atomi più complessi. Egli afferma: « Un tale insuccesso viene di solito attribuito al fatto che tali sistemi più complessi non ammettono separazione delle variabili. [...] In questo lavoro mi propongo di mostrare come ci siano delle ragioni che inducono a credere che linsuccesso sia dovuto piuttosto allinsufficienza delle condizioni di Sommerfeld a calcolare le orbite statiche, di quei sistemi che, indipendentemente dallammettere o non la separazione delle variabili, contengono alcune parti identiche (nel caso dellatomo di elio per esempio i due elettroni sono tra di loro non distinguibili). » Fermi concluse che le regole di quantizzazione di Sommerfeld non bastassero più per ricavare la formula Sackur-Tetrode per lentropia: « Linsuccesso 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. » Nel 1925 Wolfgang Pauli enunciò quello che va sotto il nome di Principio di esclusione di Pauli. Fermi come ricorda Rasetti « comprese che ora aveva tutti gli elementi per una teoria del gas ideale che soddisfacesse il principio di Walther Nernst allo zero assoluto, desse la corretta formula di Sackur-Tetrode per lentropia assoluta nel limite di bassa densità e alta temperatura, e fosse libera dalle varie ipotesi arbitrarie che era stato necessario introdurre nella meccanica statistica per derivare un corretto valore dellentropia. » Lobiettivo di Fermi era chiaro: egli voleva « trovare un metodo per la quantizzazione del gas ideale il più possibile indipendente da ipotesi arbitrarie sul comportamento statistico della molecola di gas. » Al fine di poter applicare il principio di esclusione di Pauli per gli elettroni orbitali dellatomo alle molecole di un gas perfetto, Fermi dovette affrontare il problema della quantizzazione del loro moto. A questo proposito Fermi impose che le molecole del gas fossero soggette a un campo di forze elastiche attrattive tridimensionali sul modello delloscillatore armonico. Ricorda Rasetti « Va notato che Fermi non racchiuse il suo gas ideale in una scatola, secondo lapproccio usuale, ma collocò le particelle in un potenziale tridimensionale delloscillatore armonico. In questo modo poté ottenere una densità del gas a simmetria sferica e decrescente monotonicamente. Per grandi raggi la densità era sempre sufficientemente bassa da assicurare la validità dellapprossimazione classica di Boltzmann. [...] Lartificio di disporre le molecole in questo tipo di potenziale portò naturalmente più tardi alla teoria statistica dellatomo come gas degenere di elettroni. » Come conseguenza delluso 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 dellenergia di punto zero, ed una formula per il calore specifico a volume costante che tende a zero linearmente con la temperatura. Riottenne anche lequazione classica di un gas perfetto ed un valore dellentropia 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 raggruppate in due gruppi: neutrone, protone ed elettrone) o mesone \mu (oggi denominate fermioni) che obbediscono alla statistica Fermi-Dirac. Fotone o mesone \pi (bosone) che obbediscono alla statistica di Bose-Einstein. La differenza fra bosoni/fermioni si ricollega al valore del corrispondente spin. Tale spin assume un numero semi intero per i fermioni e uno intero per i bosoni e determina una funzione donda totalmente asimmetrica per i fermioni ed una 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[modifica | modifica sorgente] Nel dicembre del 1926 il fisico britannico Ralph Howard 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: « 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. » 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 ed i suoi allievi usarono tale modello per studiare le proprietà degli atomi che variano regolarmente al variare del numero atomico. A proposito di questo periodo ed in generale sul metodo di lavoro di Fermi sono interessanti le parole di Amaldi: « Oltre alla statistica di Fermi, al modello Thomas-Fermi e a tutte le applicazioni di questo, risalgono al decennio 1922-1932 molti altri lavori consistenti, per la maggior parte nella teoria di un qualche fenomeno che fino ad allora era sfuggito a ogni tentativo di interpretazione quantitativa. Questa capacità di cogliere immediatamente la legge generale nascosta dietro una tabella di dati sperimentali bruti, o di riconoscere subito il meccanismo per cui i risultati di certe osservazioni sperimentali, a prima vista strani o insignificanti, erano invece naturali o di profondo significato se comparati con altri fenomeni o teorie generali, ha costituito durante tutta la sua vita una delle caratteristiche che fanno di Enrico Fermi una delle figure più notevoli del nostro secolo nel campo delle scienze fisiche. » LIstituto di Via Panisperna e la fisica nucleare italiana[modifica | modifica sorgente] I ragazzi di via Panisperna. Da sinistra: Oscar DAgostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti ed Enrico Fermi Fermi in toga accademica (al centro) con Franco Rasetti (a sinistra) ed Emilio Segrè. Non appena Enrico Fermi occupò la cattedra di fisica teorica a Roma, cercò, congiuntamente con Corbino, di trasformare lIstituto 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 dellInterno della Repubblica Italiana). Il primo ad 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 fra il 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, allapice del suo splendore, fu costituito da Amaldi, Bruno Pontecorvo, Rasetti, Segrè, Majorana e dal chimico Oscar DAgostino. Il gruppo proseguì coi suoi famosi esperimenti fino al 1933, quando Rasetti lasciò lItalia per il Canada e poi per gli Stati Uniti, Pontecorvo andò in Francia e Segrè preferì andare ad insegnare a Palermo. Segrè ricorda così la maniera di fare lezione al gruppo da parte di Fermi: « Nel tardo pomeriggio ci si riuniva nel suo studio e la conversazione si trasformava in una lezione. [...] Trovo in un libretto di appunti sulle lezioni di quei tempi i seguenti argomenti: teoria del corpo nero, viscosità dei gas, meccanica ondulatoria (formulazione dellequazione di Schrödinger), analisi tensoriale, teoria della dispersione ottica, curva gaussiana degli errori, teoria di Dirac dello spin elettronico. [...] Ogni tanto Fermi spiegava un lavoro che aveva appena finito di leggere. È appunto in questo che apprendemmo il contenuto dei lavori di Schrödinger e di Dirac via via che uscivano. Non avevamo mai da lui corsi regolari. » Lattività di ricerca del gruppo durante questo periodo è ricordata da Rasetti con le sue stesse parole: « Lattività degli anni 1927-1931 si svolse quasi interamente nel campo della spettroscopia atomica e molecolare [...] anche perché ne conoscevamo bene la tecniche avevamo strumenti adeguati. Fermi partecipava agli esperimenti ed alla interpretazione teorica dei risultati. Egli non era, né fu mai, uno sperimentatore raffinato nelle tecniche di precisione, ma aveva unintuizione acutissima di quali fossero gli esperimenti cruciali per risolvere un determinato problema, e andava diritto allo scopo senza curarsi di particolari inessenziali. Analogamente, nella teoria egli si avvaleva di qualunque mezzo lo portasse più direttamente al risultato, servendosi della sua padronanza dei mezzi analitici se il caso lo richiedeva, altrimenti ricorrendo a calcoli numerici, incurante di eleganze matematiche. » Le ricerche di quel periodo si concentrarono sulleffetto 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 dellatomo. 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 che sperimentali, e soprattutto sulla concentrazione di finanziamenti, risorse materiali ed umane, nei settori più promettenti. Il nuovo corso veniva così delineato da Corbino: « molte possibilità sono aperte sulla via dellaggressione del nucleo atomico, il più seducente campo della fisica di domani. [...] La sola possibilità di nuove grandi scoperte in fisica risiede perciò nelleventualità che si riesca a modificare il nucleo interno dellatomo. E questo sarà il compito veramente degno della fisica futura. » Il 29 marzo 1929 Fermi è nominato da Mussolini membro della Reale Accademia di Italia e si iscrive al partito fascista [5]. 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. Insieme ad 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 \alpha o tramite lemissione di una particella \beta, e in genere accompagnati dallemissione di un fotone \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, ed approssimativamente, lemissione di particelle \alpha. Al fine di comprendere meglio il problema, Fermi organizzò fra l11 e il 17 ottobre 1931 un congresso internazionale di fisica nucleare, insieme allAccademia dItalia e al CNR, di cui Fermi era segretario del comitato di fisica[6]. Il congresso fu finanziato con duecentomila lire, una cifra enorme per lepoca, e aperto con un intervento dello stesso Mussolini. Lorganizzazione 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 unimportanza 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 lesistenza di una nuova particella, il neutrino, per spiegare gli spettri continui degli atomi radioattivi durante il processo di decadimento \beta. Ipotesi contrastata da Bohr, secondo cui in questo modo si violava la legge di conservazione dellenergia. Al contrario Fermi vedeva lipotesi favorevolmente. Il congresso si concluse con le seguenti parole di Corbino: « Io penso perciò che landamento futuro della fisica del nucleo sarà grandemente influenzata da questa settimana di vita comune, di cui i risultati profondi si vedranno forse in tutti i lavori che matureranno in questo campo per parecchi anni. E questo era lo scopo principale che i promotori del convegno, me per primo, avevano di mira. » Gli scienziati riuniti alla 7ª Conferenza Solvay. Fermi è il quinto da sinistra della prima fila in piedi 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 sullesistenza 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. Nellottobre del 1933, durante il settimo congresso Solvay, Pauli si convinse finalmente a pubblicare le sue teorie sul neutrino. Teoria del decadimento
Posted on: Tue, 29 Oct 2013 21:01:05 +0000
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