ERICO FERMI TESINA
Vita
1901-1917
Enrico Fermi nasce a Roma il 29 settembre. Durante l’infanzia il suo unico amico e compagno di giochi è il fratello Giulio, di un anno più grande di lui. A dieci anni si iscrive al ginnasio liceo Umberto I e molto presto sviluppa un forte interesse per la fisica e la matematica. A quattordici anni scopre su una bancarella di piazza Campo dei Fiori, un trattato di fisica matematica di circa 900 pagine, scritto in latino, Elementorum Physicae Mathematicae, e lo studia a fondo come risulta dalle numerose annotazioni in margine al testo e da foglietti pieni di calcoli ritrovati all’interno. Nel 1915, poco dopo la drammatica morte dell’amatissimo fratello Giulio, Fermi fa amicizia con Enrico Persico, compagno di scuola di Giulio. Il grande interesse per la fisica accomuna i due ragazzi, che insieme fanno lunghe passeggiate per la città, durante le quali il giovane Persico scopre con meraviglia l’intelligenza del tutto singolare del suo compagno: “In matematica e fisica dimostrava di conoscere molti argomenti non compresi nei nostri studi. Conosceva questi argomenti non in modo scolastico, ma in maniera tale da potersene servire con la massima abilità e consapevolezza. Già allora per lui conoscere un teorema o una legge scientifica significava soprattutto conoscere il modo di servirsene”. Durante gli anni del liceo Fermi ha un interlocutore importante nell’ingegner Adolfo Amidei, amico e collega del padre, appassionato di matematica e fisica, che contribuisce alla sua formazione scientifica prestandogli numerosi trattati di livello universitario.
1918
In luglio Fermi, saltando il terzo anno, consegue la licenza liceale. Si occupa della lettura dei 9 volumi di O. D. Chwolson, dove c’è tutta la fisica delle grandi svolte, ci sono tutti i nomi che rappresentano la transizione dalla fisica classica alla nuova fisica. Fermi fa il concorso per essere ammesso alla Scuola Normale Superiore di Pisa con il suo tema “Caratteri distintivi dei suoni e loro cause”. In autunno Fermi si iscrive all’Università di Pisa come allievo interno della Scuola Normale.
1919
Dalle lettere scritte all’amico Persico è possibile ricostruire l’intensa attività di studi che Fermi porta avanti durante questi anni universitari al di fuori del curriculum universitario. Si va dalla meccanica analitica di Hamilton e Jacobi, alla teoria di Lorentz, alla relatività ristretta, alla teoria del corpo nero.Sono anche menzionati i primi lavori di Bohr sullo spettro dell’idrogeno, certamente poco conosciuti e considerati all’epoca in Italia. E’ un completo autodidatta e si muove con grande sicurezza nei campi più diversi della fisica e della matematica.
1920
Tra i suoi colleghi a Pisa vi sono Franco Rasetti e Nello Carrara, con i quali Fermi inizia a fare esperimenti nel laboratorio di fisica al quale il direttore dell’Istituto, Luigi Puccianti, aveva dato loro libero accesso. Mostra subito le sue doti di leader del piccolo gruppo. Fermi ha già studiato a fondo quello che allora è considerato il testo sacro della meccanica quantistica, Atombau und Spektrallinien [Struttura dell’atomo e linee spettrali] di A. Sommerfeld ed è già considerato da tutti l’autorità indiscussa sulla teoria quantistica di Bohr-Sommerfeld. Tiene nella sede della sua università una conferenza sulla teoria dei quanti il 30 gennaio.
1921
La lettura del libro di Hermann Weyl, Raum, Zeit, Materie [Spazio, tempo, materia], pubblicato nel 1921, costituisce un’introduzione di straordinaria chiarezza fisica e matematica alla teoria della relatività. Dopo lo studio della meccanica quantistica Fermi si dedica a fondo alla relatività e nel corso del terzo anno di università pubblica sul Nuovo Cimento i suoi primi lavori su problemi di elettromagnetismo. Secondo quanto affermato da Persico il metodo di lavoro di Fermi consisteva nel prendere i dati di un determinato problema, elaborarli e confrontare i suoi risultati con quelli ottenuti dagli autori dei saggi. A volte, nella realizzazione di questo tipo di lavoro, egli poneva nuovi problemi e li risolveva oppure, addirittura, correggeva le soluzioni errate se erano ormai universalmente accettate. Nacquero così le sue prime pubblicazioni.
1922
Si impadronisce a fondo dei metodi del calcolo tensoriale che, sviluppato dai matematici Gregorio Ricci Curbastro e Tullio Levi-Civita, costituisce la struttura matematica alla base della relatività generale. Il più notevole dei lavori di Fermi nel campo della relatività si trova nell’articolo Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria nel quale Fermi dimostra un teorema che semplifica alcune dimostrazioni di relatività generale. In questo studio Fermi introduce un sistema di coordinate spazio temporali (le cosiddette coordinate di Fermi) particolarmente adatto per seguire l’evoluzione temporale di fenomeni che avvengono in una piccola regione di spazio (una importante estensione viene successivamente fatta da A. G. Walker nel 1932, per cui nella letteratura scientifica si parla generalmente di coordinate di Fermi-Walker). In luglio si laurea in fisica con lode e ottiene il diploma della Scuola Normale con una tesi riguardante le immagini di diffrazione dei raggi X. A quell’epoca in Italia la fisica teorica non era considerata una disciplina da insegnare nelle università e una tesi in quel campo avrebbe rappresentato uno scandalo. I fisici erano essenzialmente fisici sperimentali e soltanto una tesi sperimentale sarebbe stata accettata da loro come una vera tesi di fisica. L’argomento più affine alla fisica teorica, la meccanica razionale, era insegnata dai matematici perché intesa come un settore della matematica applicata. Questo spiega perché argomenti come la teoria dei quanti non avevano preso piede in Italia: rappresentavano un qualcosa di indefinito tra la fisica e la matematica. Fermi identificò questo qualcosa.
1923
Nel breve saggio Le masse nella teoria della relatività, Fermi mette in evidenza un’importante conseguenza fisica della teoria einsteiniana, la relazione che lega la massa di un corpo alla sua energia. Dopo aver sottolineato le potenziali quantità di energia contenute in un grammo di materia in base alla relazione E=mc2, Fermi prosegue: “Non appare possibile che, almeno in un prossimo avvenire, si trovi il modo di mettere in libertà queste spaventose quantità di energia, cosa del resto che non si può che augurarsi, perché l’esplosione di una così spaventosa quantità di energia avrebbe come primo effetto di ridurre in pezzi il fisico che avesse la disgrazia di trovare il modo di produrla”. In questo periodo Fermi si reca a Göttingen presso Max Born con una borsa di studio del Ministero della Pubblica Istruzione. Là conosce Werner Heisenberg e Pascual Jordan, e forse anche Wolfgang Pauli. Pubblica anche una serie di lavori sulla meccanica analitica, in particolare l’articolo Dimostrazione che in generale un sistema meccanico normale è quasi ergodico che viene molto apprezzato da Paul Ehrenfest, uno dei maggiori esperti, con Einstein, di meccanica statistica. Ehrenfest consegna a George Eugene Uhlenbeck, che si recava a Roma, una lettera per Fermi nella quale gli pone un certo numero di domande. In questa occasione Fermi e Uhlenbeck si conoscono: rimarranno amici per tutta la vita.
1924
Fermi deciderà di andare a Leida con una borsa Rockefeller nel settembre dove, oltre al contatto con Ehrenfest, noto anche per i suoi fondamentali contributi alla meccanica quantistica, Fermi conoscerà di persona scienziati come Hendrick Lorentz e Albert Einstein e farà amicizia con alcuni giovani fisici come Samuel Goudsmit e Jan Tinbergen, che successivamente diventerà un’economista. A parte l’amico Enrico Persico, Fermi non ha in Italia, tra i fisici in senso stretto, interlocutori competenti con cui discutere delle sue ricerche sulla meccanica quantistica e sulla teoria della relatività. I soggiorni all’estero costituiscono quindi un’occasione preziosa per misurarsi con figure a livello internazionale. Tornato a Roma Fermi scrive una breve memoria dal titolo Sulla probabilità degli stati quantici, che può essere considerata il suo primo contributo importante alla meccanica quantistica. Il lavoro Sopra la teoria di Stern della costante assoluta dell’entropia di un gas perfetto monoatomico, pubblicato l’anno precedente, presenta un certo interesse storico perché è la prima indicazione delle riflessioni di Fermi su questi argomenti, in particolare sulla suddivisione dello spazio delle fasi in celle di volume h3. Ma è soltanto con il lavoro Considerazioni sulla quantizzazione dei sistemi che contengono degli elementi identici che Fermi arriva a porsi il problema della ricerca di un “principio mancante” per spiegare il comportamento di particelle identiche che obbediscono alle condizioni della meccanica quantistica di Bohr-Sommerfeld e in particolare per spiegare l’annullarsi dell’entropia allo zero assoluto. Fermi anticipa senza saperlo il principio di Pauli ( “principio di esclusione”) che verrà enunciato (gennaio 1925). Il 2 luglio il fisico indiano Satyendra Nath Bose introduce un nuovo tipo di statistica per i quanti di luce. A distanza di poco più di una settimana Albert Einstein applica la statistica di Bose a un gas di particelle libere e nel suo articolo dell’8 gennaio 1925 deduce che la materia deve esibire proprietà ondulatorie con un argomento indipendente da quello di Louis de Broglie che nella sua tesi di laurea, discussa il 25 novembre del 1924, era stato il primo ad associare alla materia un comportamento ondulatorio.
1925
E’ un periodo di grandi scoperte e rapidi cambiamenti. Nel gennaio 1925 Pauli pubblica il suo famoso articolo sul principio di esclusione e appaiono i due fondamentali lavori di Einstein sulla statistica quantistica dei gas. Nell’estate dello stesso anno Heisenberg, Born e Jordan gettano le basi della nuova meccanica quantistica – o meccanica delle matrici – che Fermi non riesce ad apprezzare trovando la formulazione troppo astratta. Fermi accetta rapidamente la versione di Schrödinger della meccanica ondulatoria e considera con diffidenza la formulazione di Heisenberg; naturalmente finché non ne sarà dimostrata la completa equivalenza da Born, Jordan e Dirac. Dall’autunno del 1924 fino ai primi mesi del 1926 Fermi insegna meccanica teorica e fisica matematica all’Università di Firenze dove ritrova l’amico Rasetti, che all’epoca è assistente universitario. Insieme realizzano una serie di esperimenti originali dedicati all’effetto di un campo magnetico variabile sulla polarizzazione della radiazione di risonanza del mercurio.
1926
Ottenuta la cattedra di fisica teorica all’Università di Roma. Esce l’articolo Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico, il celebre lavoro nel quale Fermi formula la teoria di un gas ideale di particelle che obbediscono al principio di esclusione di Pauli. Subito dopo aver letto l’articolo di Pauli, Fermi si rende conto di possedere tutti gli elementi per formulare una teoria del gas ideale soddisfacente il principio di Nernst allo zero assoluto. L’importanza della statistica di Fermi per gli elettroni in un metallo viene messa in luce da un articolo di Pauli di poco successivo (10 febbraio 1927), Sulla degenerazione del gas e il paramagnetismo, in cui “La statistica quantica del gas perfetto monoatomico che è dovuta a Fermi […] viene estesa al caso in cui gli atomi del gas possiedano spin e alla magnetizzazione di un tale gas”. In questo lavoro Pauli considera appunto gli elettroni di conduzione all’interno di un metallo come un gas perfetto degenere. Nel settembre del 1927, in occasione del Congresso di Como, Arnold Sommerfeld presenta una relazione in cui riesce a spiegare per la prima volta il contributo al calore specifico da parte degli elettroni di un metallo utilizzando la nuova statistica. Come è noto, in onore di Fermi, tutte le particelle che obbediscono a questo tipo di statistica, come gli elettroni, i protoni e i neutroni, vengono attualmente chiamate fermioni. Il nome di Fermi verrà anche adoperato, nell’abbreviazione corrente Fermi motion, per descrivere la distribuzione della quantità di moto in un nucleo, considerato un esempio di gas degenere di nucleoni. Al suo ritorno da Firenze a Roma per le vacanze estive Fermi trova Pontremoli e Persico che studiano e discutono questa nuova formulazione della meccanica quantistica che fa uso di equazioni differenziali alle derivate parziali e quindi appare alla maggior parte dei fisici molto più accessibile rispetto alla “strana” matematica delle matrici utilizzata da Heisenberg. Una gran parte delle discussioni verte sulla possibilità di trovare qualche collegamento, per quanto vago, tra le idee, così inusuali, della meccanica ondulatoria e i concetti che avevano guidato il lavoro dei fisici atomici fino a pochi mesi prima.
1927
Dopo aver sviluppato la statistica di un gas di particelle che obbediscono al principio di esclusione di Pauli, Fermi applica lo stesso metodo per calcolare il potenziale efficace che agisce sugli elettroni di un atomo considerandoli come un gas di fermioni allo zero assoluto mantenuto intorno al nucleo dall’attrazione coulombiana. Da questa applicazione importante nasce il lavoro Un metodo statistico per la determinazione di alcune proprietà dell’atomo, oggi noto come metodo di Thomas-Fermi. Fermi non sa che L. H. Thomas è arrivato alle stesse conclusioni circa un anno prima, pubblicandole su una rivista non molto diffusa. Nel settembre del 1927, in occasione delle celebrazioni del centenario della nascita di Alessando Volta, viene organizzato un congresso internazionale di fisica a Como. Vi partecipano tutti i grandi della fisica mondiale. Arnold Sommerfeld presenta una serie di importanti risultati che mostrano l’importanza della nuova statistica di Fermi per l’interpretazione del comportamento degli elettroni nei metalli, assolutamente inspiegabile in base alle teorie classiche. Quando Fermi si stabilisce all’Università di Roma come titolare della cattedra di fisica teorica, non esiste alcun gruppo di ricerca. Persico è a Firenze, Corbino è impegnato su altri fronti e si impegna principalmente sull’attività didattica. Intorno a Fermi si forma il primo nucleo di una scuola italiana di fisica moderna. Su interessamento di Corbino Rasetti viene trasferito a Roma, mentre Emilio Segrè, Edoardo Amaldi e Ettore Majorana all’epoca sono ancora studenti, ma la “velocità della formazione di un giovane fisico alla scuola di Fermi era incredibile”, come ricorda Emilio Segrè. Più tardi si unirà al gruppo anche Bruno Pontecorvo. Fermi è un insegnante nato. La grande chiarezza e la nettezza dell’esposizione derivano non soltanto dalle sue profonde conoscenze e dalla sua eccezionale lucidità, ma anche dal lavoro autonomo fatto all’epoca in cui era studente. Ama tenere lezioni di fisica elementare perché attribuisce una grande importanza a una buona preparazione in fisica classica. Il suo corso di fisica matematica costituisce una specie di enciclopedia contenente elementi di elettrodinamica, di teoria della relatività, di teoria della conduzione del calore, di teoria dell’elasticità e della diffusione.
1928
Nel corso di quest’anno Fermi pubblica una serie di articoli in cui utilizza il modello di Thomas-Fermi per calcolare le proprietà degli atomi che variano con regolarità al variare del numero atomico.Nel 1928 Fermi pubblica il brillante manuale Introduzione alla fisica atomica che riempie una lacuna importante nella manualistica universitaria in lingua italiana.
1929
Nel ’29 Fermi approfondisce lo studio di questi lavori e decide, come fa spesso, di riformulare la teoria seguendo un approccio matematico a lui più familiare. Nel corso di queste ricerche personali, Fermi comunica regolarmente i suoi risultati ad allievi e amici, come Amaldi, Majorana, Racah, Rasetti e Segrè. Ogni giorno, alla fine del lavoro li raduna intorno al tavolo e in loro presenza inizia con l’elaborare prima la formulazione di base dell’elettrodinamica quantistica, di cui si sta interessando a fondo, e poi, prosegue facendo, una dopo l’altra, una lunga serie di applicazioni dei principi generali a particolari problemi fisici. Questo metodo, caratteristico di Fermi, di lavorare su un problema teorico “in pubblico” (per così dire) e di insegnare allo stesso tempo, gli permette di esprimere ad alta voce quello che sta pensando.
1930
In questo periodo soggiorna a Roma il fisico tedesco Hans Bethe che rimane molto colpito dalla semplicità del metodo di lavoro di Fermi: “Egli era in grado di arrivare al nocciolo di qualsiasi problema, per quanto complicato fosse, spogliandolo dalle difficoltà matematiche e dall’inutile formalismo. Con l’aiuto di questo tipo di approccio era in grado, spesso in non più di mezz’ora, di risolvere il problema di fisica più complesso. Certamente, in questo modo non otteneva una soluzione matematica completa, ma dopo aver discusso con lui di quell’argomento, chiunque aveva chiaro qual era la via per la soluzione matematica.”. Più avanti Bethe precisa: “Fermi era un buon matematico. Egli era in grado, se necessario, di fare i calcoli matematici più complessi, ma prima di ogni cosa egli doveva convincersi che ne valesse la pena”. Intorno a Fermi e Franco Rasetti, abilissimo fisico sperimentale, che Fermi conosceva bene e con cui aveva lavorato fin dai tempi dell’università, si raccoglie ormai il gruppetto di giovanissimi fisici Emilio Segrè, Edoardo Amaldi e Ettore Majorana. Secondo la testimonianza di Franco Rasetti, Fermi è ben deciso a imparare le tecniche della fisica nucleare, molti anni prima che il suo nome diventi famoso in questo campo. Questa decisione viene messa in atto a partire dal 1930, quando i membri del gruppo di Roma iniziano a fare lunghi soggiorni presso i maggiori centri di ricerca all’estero per acquisire conoscenze relative a tecniche sperimentali allora sconosciute in Italia.
1931
A partire dal 1929 Fermi e Rasetti avevano cominciato appunto a rendersi conto che il futuro stava ormai nel campo della fisica nucleare. A quell’epoca si conosceva l’esistenza di processi di decadimento che avvengono con l’emissione di una particella alpha o di una particella beta, accompagnati da emissione di raggi gamma. Fermi ha l’idea di organizzare un Congresso internazionale di fisica nucleare, che si tiene a Roma dall’11 al 17 ottobre del 1931. La presenza degli scienziati più eminenti nel campo della fisica nucleare conferisce all’evento una enorme importanza scientifica. In questa occasione Wolfgang Pauli avanza di nuovo, nel corso di conversazioni private, l’ipotesi dell’esistenza di una nuova particella “neutra, leggera e molto penetrante per salvare il principio della conservazione dell’energia nel decadimento b”, come lui stesso racconta molti anni dopo a Franco Rasetti.
1932
Una serie di scoperte e di eventi significativi contribuisce a focalizzare fortemente l’attenzione di una parte importante della comunità dei fisici sui fenomeni nucleari e sulle nuove possibilità di ricerca in questo campo. Possibilità che si amplificano enormemente grazie allo sviluppo, alla disponibilità e all’uso produttivo di nuovi acceleratori di particelle. Tutto comincia a gennaio: l’americano Harold Urey annuncia la scoperta di un isotopo pesante dell’idrogeno, da lui battezzato “deuterio”. In febbraio James Chadwick dimostra l’esistenza di una nuova particella nucleare, il neutrone. In aprile John Cockcroft e Ernest Thomas Walton riescono ad ottenere la prima disintegrazione nucleare bombardando nuclei leggeri con protoni artificialmente accelerati. In agosto Carl Anderson individua, nelle immagini di tracce lasciate da raggi cosmici, l’esistenza di una nuova particella, l’elettrone carico positivamente, subito denominata “positrone”. E’ la conferma sperimentale dell’esistenza dell’antiparticella dell’elettrone prevista dalla teoria relativistica dell’elettrone di P. A. M. Dirac. Immediatamente Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini cercano e trovano non soltanto le tracce dei positroni nelle emulsioni già esposte, ma individuano anche eventi in cui è più evidente la creazione della coppia elettrone-positrone sotto l’effetto di radiazioni g ad altissima frequenza. Quella stessa estate Ernest Lawrence, Stanley Livingston e Milton White utilizzano per disintegrare nuclei il ciclotrone ideato da Lawrence, uno strumento che nel giro di pochi mesi sarà in grado di generare circa 5 MeV. Al ritorno di Rasetti da Berlino-Dahlem nell’autunno del 1932, si decide di dare inizio a un programma di ricerche in fisica nucleare. Gli strumenti vengono progettati e fatti poi costruire da ditte esterne. Il punto debole del dipartimento di fisica di Roma è proprio la mancanza di strumentazione e la mancanza di efficienza dell’officina per costruire gli apparati. Per la fine del 1933 la strumentazione nucleare sarà adeguata per fare ricerche secondo linee diverse.
1933
Nell’ottobre di quest’anno Fermi partecipa al settimo Congresso Solvay: la fisica nucleare ha fatto passi da gigante a livello sperimentale e il modello del nucleo composto di protoni e neutroni è abbastanza ben stabilito attraverso il lavoro di Werner Heisenberg, Dimitri Iwanenko e Ettore Majorana. Due mesi dopo Fermi completa il suo celebre lavoro Tentativo di una teoria dei raggi beta, in cui applica la teoria quantistica dei campi alla radioattività beta: l’emissione di un elettrone è simile all’emissione di luce da parte di un atomo eccitato – né la particella b né il quanto di luce sono contenuti dentro l’atomo prima dell’emissione – ma l’emissione della particella b non è dovuta all’interazione elettromagnetica, bensì a una nuova classe di forze, che, molto più tardi, sarà conosciuta come interazione debole. Secondo la teoria elettroni e neutrini possono essere creati e distrutti; ogni transizione da neutrone a protone deve essere accompagnata dalla creazione di un elettrone e di un neutrino all’atto del processo di disintegrazione. In questo modo Fermi bandisce formalmente gli elettroni dal novero dei costituenti del nucleo e apre un nuovo campo della fisica delle particelle elementari, la fisica delle interazioni deboli. Inoltre chiarisce definitivamente che il neutrone non è un sistema legato protone-elettrone, come molti avevano pensato in un primo momento e spazza via ogni dubbio relativo alle congetture di Bohr sulla non conservazione dell’energia nei processi di decadimento. I risultati di Fermi aprono nuove prospettive alle ricerche già in atto sulle forze nucleari.
1934
Nel mese di gennaio del 1934 Irène Curie e Frédéric Joliot annunciano la scoperta di nuovi radioisotopi ottenuti artificialmente bombardando i nuclei di elementi leggeri con particelle a. Fermi intuisce immediatamente che i neutroni possono essere validamente utilizzati come proiettili per indurre la radioattività artificiale: essendo privi di carica non sono soggetti alla repulsione coulombiana esercitata dai nuclei bersaglio. E’ l’occasione per iniziare esperimenti su larga scala. Verso la fine di marzo vengono irradiati diversi elementi la cui attività viene misurata per mezzo di un contatore Geiger-Müller. Dopo una serie di tentativi infruttuosi fatti con la sorgente di polonio-berillio, Rasetti parte per il Marocco e Fermi inizia a bombardare in modo sistematico gli elementi del sistema periodico di numero atomico crescente utilizzando una sorgente neutronica più intensa costituita da radon e berillio. Sorgenti di questo tipo erano già state fornite da Giulio Cesare Trabacchi, dell’Istituto di Sanità (proprio per questo soprannominato dai membri del gruppo “La divina Provvidenza”) e utilizzate con lo spettrometro a raggi gamma. Finalmente il contatore di Geiger-Müller registra alcuni conteggi irradiando il fluoro e l’alluminio. Secondo l’interpretazione data subito da Fermi il nucleo dell’alluminio assorbe un neutrone emettendo una particella a (nucleo di elio) trasformandosi in sodio che a sua volta decade trasformandosi in calcio con emissione di una particella b (elettrone). Il 25 marzo 1934 esce sulla rivista del CNR, La Ricerca Scientifica, l’articolo Radioattività provocata da bombardamento di neutroni-I il primo di una lunga serie di lavori che vedranno Fermi protagonista, insieme al suo gruppo, di un filone di ricerca i cui esiti sono per ora assolutamente insospettati. Per procedere più rapidamente Fermi chiede ad Amaldi e Segrè di lavorare con lui. Rasetti è richiamato dal Marocco e il chimico Oscar D’Agostino, appena tornato per le vacanze di Pasqua dal laboratorio dei Joliot-Curie, dove aveva appreso le tecniche di radiochimica, è sollecitato a unirsi al gruppo. In poco tempo vengono irradiati con neutroni una sessantina di elementi e in almeno quaranta di questi vengono scoperti, e spesso identificati, nuovi elementi radioattivi. I risultati ottenuti dal gruppo dei “ragazzi di via Panisperna” dimostrano tutti i vantaggi del lavoro di équipe, introdotto per la prima volta proprio a Roma. La grande importanza di questi risultati è immediatamente evidente. Il 24 aprile Ernest Rutherford, il padre della fisica nucleare, si complimenta con Fermi per il successo degli esperimenti: “Mi congratulo con lei per il successo della sua fuga dalla sfera della fisica teorica. Sembra proprio che lei abbia trovato una buona linea di ricerca per cominciare”. Nel procedere con il bombardamento sistematico, Fermi e il suo gruppo, all’inizio dell’estate, arrivano a irradiare il torio (numero atomico 90) e l’uranio (numero atomico 92), ma la naturale attività di questi elementi ostacola l’identificazione dei nuovi radionuclidi artificiali ottenuti. Fermi e il suo gruppo dimostrano che l’attività di tali radionuclidi non è dovuta ad alcuno degli isotopi di elementi compresi fra il piombo e l’uranio, cioè con numero atomico compreso fra 86 e 92. Il gruppo è convinto di avere prodotto e identificato due elementi transuranici che vengono battezzati “esperio” e “ausonio” e accantona la possibilità che il nucleo di Uranio possa scindersi in “molti grandi pezzi” ciascuno dei quali può essere un isotopo di elementi noti ma lontani dall’uranio e dal torio nella tavola periodica. Questa ipotesi, esplicitamente avanzata dalla chimica tedesca Ida Noddack in un suo articolo del 1934 regolarmente inviato a Fermi, implica un tipo di reazione nucleare completamente nuovo e viene rapidamente accantonata. Altri quattro anni di ricerche portate avanti nei laboratori più importanti dell’epoca saranno necessari per svelare l’enigma dei “transuranici”.
Nell’autunno del 1934 Fermi assegna ad Amaldi e Bruno Pontecorvo, appena laureato, il compito di stabilire una scala quantitativa delle attività indotte negli elementi bombardati. I due si trovano subito di fronte a una serie di problemi perché l’intensità della radioattività ottenuta sembra dipendere dal materiale su cui vengono posti la sorgente e l’elemento da irradiare, come ricorda Amaldi: “Certi tavoli con sopra uno spettroscopio avevano proprietà miracolose; l’argento irradiato su quei tavoli diventava molto più attivo rispetto a quando veniva irradiato su altri tavoli di marmo nella stessa stanza”. Per chiarire il mistero vengono eseguite osservazioni sistematiche a partire dal 18 ottobre, in particolare Amaldi effettua una serie di misure all’esterno e all’interno di una sorta di casetta di piombo le cui pareti hanno 5 centimetri di spessore che serve da schermo per le radiazioni. I risultati mostrano chiaramente che, mentre all’esterno la capacità di attivazione decresce rapidamente con l’aumento della distanza fra sorgente ed elemento irradiato, all’interno la diminuzione è molto più lenta. A questo punto, per misurare l’assorbimento del piombo viene preparato un cuneo di questo materiale da inserire tra la sorgente di neutroni e il rivelatore con l’idea di confrontarne l’assorbimento rispetto a un mattoncino di piombo dello stesso spessore. La mattina del 22 ottobre i membri del gruppo sono impegnati con gli esami e Fermi decide di procedere da solo per risolvere l’ “enigma del piombo”. In quel momento soltanto Enrico Persico, in visita da Firenze, si trova con lui ed è lui stesso ad annotare le misure fatte da Fermi. Anni dopo Fermi racconterà a Subrahmanyan Chandrasekhar che al momento di collocare il cuneo di piombo, senza alcun particolare motivo, aveva deciso di mettere al suo posto un pezzo di paraffina. La sera stessa il gruppo scrive una lettera per La Ricerca Scientifica Azione di sostanze idrogenate sulla radioattività provocata dai neutroni-1 in cui annuncia la sensazionale scoperta: “Uno spessore di alcuni centimetri di paraffina interposto fra la sorgente e l’argento invece di diminuire l’attivazione la aumenta”. I neutroni rallentati fino all’energia dell’agitazione termica delle molecole dalle collisioni con nuclei di idrogeno passano più tempo nelle vicinanze dei nuclei bersaglio diventando più efficaci nell’indurre la radioattività artificiale. La scoperta dell’effetto dei neutroni lenti apre una nuova fase nel programma di ricerca del gruppo che si concentra ormai sul problema degli effetti derivanti da questo fenomeno. La scoperta ha immediate applicazioni pratiche nella possibilità di produrre isotopi radioattivi artificiali da utilizzare per esempio come traccianti a scopi fisici, chimici e biologici. Orso Mario Corbino convince Fermi e i suoi collaboratori a prendere un brevetto.
1935
A partire da quest’anno il gruppo comincia a disperdersi. Segrè si trasferisce a Palermo, dove ha vinto la cattedra di fisica sperimentale, Pontecorvo lavora con Gian Carlo Wick e poi si sposta a Parigi dai Joliot-Curie nella primavera del ’36, mentre D’Agostino inizia a lavorare nell’Istituto di chimica del CNR. Durante l’estate Rasetti visita il laboratorio di Robert Millikan a Pasadena dove studia un acceleratore lineare ad alto voltaggio e il Radiation Laboratory a Berkeley dove si trova la nuova macchina acceleratrice ideata da Ernest Lawrence. Il ciclotrone produce fasci di neutroni di intensità incredibilmente più elevate rispetto a quelle ottenibili con le sorgenti naturali di cui dispongono i fisici romani. Rasetti trascorre l’anno accademico 1935-36 alla Columbia University, mentre Amaldi e Fermi restano i soli a fare ricerca sulle proprietà dei neutroni lenti, lavorando “con un’ostinazione incredibile”, come ricorda lo stesso Amaldi, forse proprio per reagire a un’atmosfera che si fa sempre più plumbea. “Si iniziava alle otto del mattino e, praticamente senza intervallo, andavamo avanti fino alle sei, sette di sera e anche oltre. Le misure venivano realizzate in base a un preciso programma. Esse duravano tre-quattro minuti e si ripetevano per molte ore e anche per molti giorni se questo era necessario a risolvere il problema impostato. Risolto un problema, ne affrontavamo immediatamente un altro, senza interruzione, senza ombra di dubbio”.
1936
Nel giro di pochi mesi, a cavallo con l’anno precedente, Fermi e Amaldi pubblicano una serie di lavori su La Ricerca Scientifica che culminano con un ampio articolo inviato a Physical Review nel quale si illustrano una serie di risultati conclusivi dello studio sistematico sull’assorbimento e la diffusione di neutroni lenti. Da queste ricerche emerge un nuovo interessante fenomeno: il forte assorbimento, da parte di molti elementi, di neutroni la cui energia cinetica cade in alcune bande di energia caratteristiche del nucleo bersaglio. In seguito alla scoperta di queste risonanze Bohr propone nell’aprile del 1936 il cosiddetto “modello del nucleo composto”, secondo il quale le reazioni nucleari possono suddividersi in due fasi: nella prima la collisione tra un neutrone e un nucleo pesante dà luogo alla formazione di un nucleo composto che sopravvive per un tempo relativamente lungo e successivamente si decompone secondo un processo che non ha alcuna relazione con il primo stadio e nel quale tuttavia si conservano l’energia totale, la parità e il momento angolare.
1937
Nel gennaio del 1937 Fermi rimane privo del sostegno politico e scientifico di Corbino, che muore all’improvviso di polmonite. La sensazione della fine di un’epoca viene profondamente avvertita da tutti i membri dell’Istituto e in effetti il cambio di direzione dell’Istituto – il successore di Corbino è Antonino Lo Surdo, e non Fermi, come ci si sarebbe aspettato – e la situazione politica, che si sta deteriorando rapidamente, fanno presagire la catastrofe imminente. Nel frattempo Fermi riesce a far approvare insieme a Domenico Marotta, direttore dell’Istituto di sanità pubblica, una proposta per realizzare un acceleratore del tipo Cockcroft-Walton da 1 MeV, in grado di accelerare particelle fino a un’energia di un milione di Volt. Nel giugno del 1937 Fermi e il suo gruppo realizzano un prototipo in scala ridotta, da 200 keV, nei locali dell’Istituto di Fisica che nel frattempo si è trasferito da via Panisperna alla nuova città universitaria. L’acceleratore da 1 MeV verrà completato due anni dopo, quando Fermi ormai avrà lasciato l’Italia. Nel gennaio dello stesso anno Fermi presenta al CNR una dettagliata proposta per la costituzione di un Istituto nazionale di radioattività, nella quale fa notare come l’Italia, che fino a quel momento ha avuto una posizione preminente in questo campo di ricerca, stia perdendo decisamente terreno rispetto ai laboratori dotati di macchine acceleratrici che forniscono sorgenti artificiali di neutroni la cui intensità è “migliaia di volte superiore a quelle ottenibili partendo dalle sostanze naturali” e prosegue: “E’ chiaro come queste circostanze rendano vano pensare a un’efficace concorrenza con l’estero, se anche in Italia non si trova il modo di organizzare le ricerche su un piano adeguato”. Nel corso di una sua visita a Ernest Lawrence nell’estate del 1937 Fermi esamina concretamente la possibilità di realizzare in Italia un ciclotrone “economico”. Ma nel luglio 1937 muore improvvisamente Guglielmo Marconi, che nella sua veste di presidente del CNR e dell’Accademia d’Italia era stato un valido sostenitore del gruppo, nonostante le sue numerose richieste per ottenere fondi per la ricerca non fossero del tutto in consonanza con l’idea che Mussolini aveva riguardo al ruolo della scienza nello Stato fascista.
1938
Il 25 marzo scompare misteriosamente Majorana nel corso di un viaggio per mare da Palermo a Napoli
Nel maggio del 1938 il CNR respinge definitivamente la proposta di Fermi per l’Istituto nazionale di radioattività adducendo la limitata disponibilità di fondi e poco dopo gli assegna un contributo che Fermi giudica del tutto insufficiente per realizzare qualsiasi progetto, in particolare l’idea del ciclotrone. E’ evidente ormai che la più importante istituzione scientifica italiana non è in grado di mettere a disposizione di Fermi e dei suoi collaboratori i mezzi necessari per proseguire ricerche che possano competere con quelle portate ormai avanti nei laboratori più avanzati. All’inizio di settembre i coniugi Fermi decidono di emigrare. Il 10 novembre Fermi riceve l’annuncio ufficiale del conferimento del premio Nobel e decide di proseguire direttamente per gli Stati Uniti dopo il soggiorno a Stoccolma per la cerimonia di conferimento del premio. Nel corso dei suoi precedenti soggiorni negli Stati Uniti Fermi aveva maturato una profonda simpatia per quel Paese, come ricorda Emilio Segrè: “Lo attiravano i laboratori attrezzati, gli abbondanti mezzi di ricerca, l’entusiasmo che sentiva nella nuova generazione di fisici” e prosegue sottolineando come la decisione di emigrare fosse “più l’esecuzione di un piano a lungo meditato che una decisione improvvisa determinata dalle circostanze”. Il 10 dicembre Fermi riceve a Stoccolma il premio Nobel per la fisica: “Per aver dimostrato l’esistenza di nuovi elementi radioattivi prodotti dall’irradiazione mediante neutroni e per la scoperta, legata alla precedente, delle reazioni nucleari provocate da neutroni lenti”. Ma nel frattempo una incredibile catena di avvenimenti si era messa in moto: Otto Hahn, un valente radiochimico, e Fritz Strassmann, esperto di analisi chimiche, avevano individuato la presenza di bario radioattivo negli elementi prodotti dal bombardamento con neutroni e il 22 dicembre 1938 inviano un articolo alla rivista Naturwissenschaften in cui annunciano la scoperta. Nelle bozze della Nobel Lecture, Artificial radioactivity produced by neutron bombardment [Radioattività artificiale prodotta da bombardamento di neutroni] pubblicate nel 1939, Fermi aggiungerà una nota menzionando la scoperta: “E’ necessario riesaminare tutti i problemi relativi agli elementi transuranici, considerandeo che molti di loro potrebbero rivelarsi i prodotti della fissione dell’Uranio”.
1939
Fermi arriva a New York il 2 gennaio e molto presto viene a conoscenza della scoperta della fissione dell’Uranio. L’articolo di Hahn e Strassmann è pubblicato in gennaio ma, come ricorda Segrè, “La notizia di queste sensazionali scoperte si diffuse a voce, per lettera e per telegramma mentre il lavoro procedeva e prima che fosse stato pubblicato qualsiasi risultato”.Il 26 gennaio, all’inizio della VI Conferenza di Fisica Teorica tenuta a Washington Fermi avanza l’ipotesi che in una reazione così violenta i nuclei possano emettere neutroni, che, a loro volta, sarebbero in grado di provocare una nuova fissione. Una dimostrazione del processo di fissione viene organizzata per i partecipanti al convegno. Era possibile sviluppare una reazione a catena? Fermi insiste sulla necessità di effettuare misure quantitative e un mese dopo il suo arrivo alla Columbia University, insieme a un gruppo di lavoro di cui fanno parte il giovane Herbert Anderson e J.R. Dunning (suo relatore), firma il suo primo articolo “americano”. In seguito sarà impossibile seguire il lavoro di Fermi attraverso la letteratura periodica pubblica. Le relazioni vengono dichiarate “top secret”.
Nella primavera Fermi, Anderson e Leo Szilard pubblicano Neutron Production and Absorption in Uranium [Produzione e assorbimento di neutroni in Uranio]: il numero di neutroni emessi dall’Uranio sotto l’azione dei neutroni lenti è maggiore di quelli assorbiti. E’ la condizione necessaria per realizzare una reazione a catena. La maggior parte dei progressi fondamentali per la fisica dei reattori verranno realizzati durante il 1939 e il 1940. Fermi è il primo a informare le autorità militari sulle possibili implicazioni belliche di una eventuale reazione a catena: nel mese di marzo tiene una conferenza al Ministero della Marina in seguito alla quale viene concesso un piccolo finanziamento per queste ricerche alla Columbia University. All’inizio dell’estate del 1939 Szilard, insieme a Paul Wigner, ungherese anche lui, convince Albert Einstein a firmare una lettera indirizzata a F. D. Roosevelt, all’epoca Presidente degli Stati Uniti, in cui vengono messe in evidenza le ricerche di Fermi e Szilard negli Stati Uniti e di Joliot in Francia sulla reazione a catena e la quasi certezza di poter “pervenire a questo risultato nell’immediato futuro”.Il comitato riesce a ottenere una certa quantità di fondi per proseguire le ricerche sulla reazione a catena da parte delle forze armate americane.
1940-1954
Per la sua esperienza nella fisica dei neutroni, Fermi diventa il leader naturale del gruppo incaricato di portare a termine la prima fase del progetto che porterà alla bomba: la realizzazione di una reazione a catena autosostenuta e controllata; il lavoro, coperto dal segreto militare, viene svolto in uno scantinato dell’università di Chicago, designato con il nome in codice di Metallurgical
Laboratory. Nel dicembre 1942, la prima reazione nucleare controllata della storia viene innescata nel reattore costruito sotto la direzione di Fermi. Parte il progetto Manhttan, in cui Fermi svolge un ruolo di primo piano come esperto di reattori nucleari, consulente generale sulle questioni treoriche e infine membro del ristretto gruppo di scienziati (ne fanno parte Robert Oppenheimer, Ernest Lawrence e Arthur Compton) incaricato di esprimere pareri tecnici sull’utilizzo di un arma nucleare. Nell’agosto del 1944 Fermi di trasferisce stabilmente nel villagio-laboratorio di Los Alamos, seguendo tutta la fase di messa a punto della bomba atomica, assistendo nel luglio del 1945 alla prima esplosione nucleare nel deserto di Alamogordo e contribuendo, nella qualità di esperto al processo decisionale che porta nell’agosto successivo all’utilizzo delle armi atomiche contro le città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki. Alla fine della guerra, Fermi torna a Chicago e ricomincia ad occuparsi di problemi di fisica fondamentale nel mutato panorama intellettuale generato dalla scoperta delle proprietà della nuove particelle elementari e dei problemi dell’elettrodinamica quantistica. In Questi anni si forma attorno a lui un nutrito gruppo di studenti, tra cui un buon numero di futuri premi Nobel. Continua Comunque a svolgere funzioni importanti di consulente scientifico per il governo americano. Verso la fine degli anni quaranta si pone il problema dell’eventuale sviluppo delle ricerche verso la realizzazione di un ordigno termonucleare. Fermi si schiera contro, in qualità di membro del GAC in modo molto deciso contro l’opportunità di iniziare uno sforzo in questa direzione ma quando, contro il parere suo e dei suoi colleghi, vince la linea sostenuta da Teller e parte il programma di sviluppo dell’ordigno termonucleare, accetta di collaborare alle ricerche, sviluppando con il matematico Stan Ulan una parte importante dell’elaborazione teorica necessaria. E’ nell’ambito di queste ricerche che Fermi sviluppa l’interesse per le possibilità aperte dai nuovi calcoratori elettronici, e nei primi anni cinquanta, sempre in collaborazione con Ulam, svolge un lavoro fondamentale e pionieristico di utilizzo del computer come strumento di simulazione per ricostruire la proprietà del comportamento di sistemi dinamici non lineari, la cui evoluzione non si è in grado di descrivere con un trattamento analitico.
Fermi torna due volte in Italia. Nel 1949 partecipa ad un importante conferenza sui raggi cosmici a Como e nel 1954 tiene, alla scuola estiva della Società Italiana di Fisica a Varenna un memorabile corso sulla fisica dei pioni e dei nucleoni. Di ritorno a Chicago da questo ultimo viaggio, viene operato per un tumore maligno allo stomaco, ma sopravvive solo poche settimane all’intervento. Si spegne il 29 novembre del 1954.
Storia
1921-22
Nel corso degli anni Venti si fecero alcuni tentativi per giungere a una pace stabile: nella conferenza di Washington le principali potenze navali concordarono di porre dei limiti ai potenziali delle rispettive marine militari.
Tuttavia, se uno degli scopi dichiarati dai vincitori era stato di “assicurare al mondo la democrazia”, l’inadeguatezza dei risultati ottenuti emerse chiaramente dal fatto che negli anni Venti si assistette all’avvento e al progressivo affermarsi di forme di totalitarismo nazionalista-militaristico, giudicate più efficaci della democrazia nell’operare il contenimento del comunismo, da più parti visto come l’obiettivo politico prioritario in politica estera, e delle rivendicazioni sociali da parte delle sinistre in politica interna.
Benito Mussolini costituiva in Italia il primo regime fascista; Adolf Hitler, Führer
Partito nazionalsocialista tedesco, dieci anni dopo in Germania fondò il suo progetto di Grande Reich oltre che sul richiamo a teorie basate sull’antisemitismo e sul razzismo – esaltatrici della presunta superiorità della razza ariana – sulla prospettiva politica di abolire l'”ordine di Versailles” e assicurare lo spazio vitale (Lebensraum) al regime totalitario che avrebbe dovuto raccogliere tutti i tedeschi. La Grande Depressione, inoltre, affliggeva in maniera particolarmente grave la Germania, quando Hitler, dopo aver vinto le elezioni ed essere stato nominato cancelliere, in breve assunse pieni poteri. Quanto al Giappone, pur non esistendovi formalmente un regime fascista, il ruolo svolto dalle forze armate nel governo civile del paese era preponderante e si ispirava alla volontà di rimettere in discussione gli equilibri internazionali sin lì definiti.
1925
Gli accordi di Locarno stabilirono una serie di impegni a garanzia della frontiera franco-tedesca; infine, sottoscrivendo a Parigi nel 1928 il patto Briand-Kellogg, 63 nazioni (con l’eccezione, tra le grandi potenze, dell’Unione Sovietica) rinunciarono alla guerra come strumento di soluzione delle controversie internazionali.
1936
Nel marzo di questo anno dopo aver annunciato il riarmo nazionale in violazione del trattato di pace di Versailles, Hitler occupò militarmente la Renania (il cui status di zona smilitarizzata era stato definito sia a Versailles sia dagli accordi di Locarno), sollevando solo una flebile protesta da parte di Londra e Parigi. Seguì un altro passaggio preparatorio all’applicazione del programma espansionistico, segnato dall’intervento nella guerra civile spagnola (1936-1939) al fianco dei ribelli franchisti e in collaborazione con il futuro alleato Mussolini, fondatore in quegli anni dell’impero coloniale italiano in Etiopia. Tra il 1936 e il 1937 una serie di accordi tra Germania, Italia e Giappone formalizzò lo stabilirsi di un Asse Roma-Berlino-Tokyo che univa in alleanza i tre regimi “forti” della scena internazionale
1938
Nella primavera l’annessione dell’Austria (Anschluss) fu il primo passo verso la realizzazione del progetto hitleriano di ricostituzione della Grande Germania. Mussolini appoggiò l’alleato, mentre britannici e francesi ancora una volta mancarono di intervenire con decisione, liquidando la vicenda come una questione interna tedesca.
Nel mese di luglio inizia anche in Itali la campagna antisemita con la pubblicazione del Manifesto della Razza. Nei mesi successivi vengono promulgate le leggi razziali: comincia l’espulsione degli ebrei da tutti gli impegni statali, dalle università e dalle accademie, oltre all’esclusione degli allievi ebrei dalle scuole pubbliche. La moglie di Fermi, Laura Capon è ebrea e all’inizio di settembre i coniugi Fermi decidono di emigrare negli stati Uniti.
Nel settembre successivo fu la volta delle rivendicazioni naziste sulla regione dei Sudeti, al confine occidentale della Cecoslovacchia, abitata da una popolazione a maggioranza tedesca (vedi Questione dei Sudeti). Il primo ministro inglese Neville Chamberlain, sostenuto anche dal governo francese, nel corso della conferenza di Monaco convinse le autorità ceche a cedere, in cambio dell’impegno da parte di Hitler a non avanzare ulteriori rivendicazioni territoriali (politica di appeasement). In realtà, nel marzo del 1939, Hitler occupò tutta la Cecoslovacchia, spingendo Londra a siglare un accordo di garanzia con la Polonia, obiettivo dichiarato dell’espansionismo nazista.
1939
23 agosto 1939: Uno sviluppo inatteso si ebbe il con la firma a Mosca di un trattato di non aggressione tra Germania e URSS (patto Molotov-Ribbentrop), che peraltro in un protocollo segreto concordavano di spartirsi l’Europa centrorientale, attribuendo all’Unione Sovietica Finlandia, Lituania, Estonia, Lettonia, Polonia orientale e Romania.
Il 1° settembre 1939 i tedeschi invasero la Polonia. Due giorni dopo Francia e Inghilterra dichiararono guerra alla Germania; trincerati dietro la linea Maginot, i francesi non erano in realtà nella condizione di attaccare l’opposta linea Sigfrido tedesca, che pure non era protetta a sufficienza dalle truppe, impegnate sul fronte polacco.
Le scoperte Scientifiche
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:
« Nell’autunno del 1933 Fermi ci mostrò un articolo che aveva meditato e scritto nelle prime ore del mattino da parecchi giorni, già in forma completa di tutti gli sviluppi matematici, su una teoria dell’emissione dei raggi β fondata sull’ipotesi di Pauli del neutrino, dalla quale si deducevano risultati precisi sulle caratteristiche quantitative del fenomeno. Poche teorie della fisica moderna sono state così originali, così feconde di risultati […] come la teoria di Fermi dei raggi β che ancor oggi domina non più soltanto l’ordinario processo β (che rappresenta la trasformazione di un neutrone in un protone, con creazione di elettrone e neutrino) ma anche numerose trasformazioni di particelle instabili. »
Nella teoria di Fermi, egli riprendeva l’ipotesi di Pauli del neutrino, ed 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 contestualmente 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 da Nature, ed accettato in seguito prima su Nuovo Cimento, e poi su Zeitschrifft 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, Segré ricorda:
« Fermi espose la sua teoria ad alcuni di noi durante una vacanza nell’inverno del 1933, in Val Gardena, dopo una giornata di sci […]. Era pienamente 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. »
La teoria di Fermi aprì un nuovo campo della fisica delle particelle elementari: la fisica delle interazioni deboli.
[modifica] 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 1932 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 ed uno spettrometro a cristalli per raggi γ e vari contatori Geiger-Müller.
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 ed 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 2 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 e i risultati venivano, come detto, pubblicati immediatamente su “Ricerca Scientifica”. In poco tempo vennero irradiati con neutroni circa 60 elementi ed 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.
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:
« I suoi risultati sono di grande interesse e non dubito che in futuro saremo in grado di ottenere maggiori informazioni sul reale meccanismo di queste trasformazioni. Non è affatto certo che il processo sia così semplice come appare nelle osservazioni dei Joliot. Mi congratulo con lei per il successo della sua fuga dalla sfera della fisica teorica. Mi sembra proprio che lei abbia trovato un buon filone di ricerca per cominciare. Le può interessare sapere che anche il professor Dirac ha iniziato a fare alcuni esperimenti. Ciò sembra un buon augurio per il futuro della fisica teorica! Congratulazioni e i migliori auguri. […] Continui ad inviarmi le sue pubblicazioni su questi argomenti. »
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 ad uno quantitativo. Lo studio fu assegnato da Fermi ad Amaldi e a 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 ed 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 interponendo tra la fonte ed 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 eclatanti, 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 ed allievi erano impegnati in lezioni e sessioni d’esame. Impaziente ed 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 Segré ricorda
« In principio io credetti che un contatore si fosse semplicemente guastato e desse indicazioni arbitrarie come ogni tanto accadeva, ma non ci volle molto per convincere ciascuno di noi che la radioattività straordinariamente forte di cui eravamo testimoni era reale e risultava dal filtraggio delle radiazione primaria da parte della paraffina. […] Andammo a casa a colazione e per la solita siesta ancora sorpresi e confusi dalle osservazioni della mattinata. Quando tornammo Fermi aveva già formulato un’ipotesi per spiegare l’azione della paraffina. »
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:
« 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. »
La sera stessa Fermi ed i 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:
« 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. »
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 e i 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. La 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. Segré 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
« responsabilità di ciò era la situazione politica generale dell’Italia, dato che il paese si stava preparando alla guerra con l’Etiopia. »
Come reazione al pesante clima politico, i ritmi di lavoro divennero forsennati. Amaldi ricorda:
« Iniziavamo alle otto di mattina ed effettuavamo misure praticamente senza interruzione fino alle sei o sette di sera, e spesso anche più tardi. Eseguivamo le misure secondo una tabella di marcia cronometrica, dato che avevamo studiato il tempo minimo necessario per compiere tutte le operazioni. Le ripetevamo ogni tre o quattro minuti per ore e ore, e per tutti i giorni necessari per giungere a una conclusione su ogni punto particolare. Una volta risolto un dato problema, ne attaccavamo subito un altro senza alcuna interruzione o incertezza. La fisica come “soma” era l’espressione che utilizzavamo per parlare del nostro lavoro mentre la situazione generale in Italia si faceva sempre più cupa. »
Verso la fine del 1936 la situazione politica in Italia deteriorò ulteriormente in seguito al Patto d’Acciaio 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 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.
[modifica] La fine del gruppo e la fuga verso gli Stati Uniti
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 ed il Radiation Laboratory a Berkeley al fine di studiare le prestazioni degli impianti realizzati presso quei laboratori nel caso si decidesse 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 1010 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 1MeV, 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:
« 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. »
e continuava sottolineando che
« Nel settore della fisica è stato appena iniziato uno studio di ricognizione delle proprietà di un centinaio di nuovi corpi radioattivi (per circa la metà scoperti in Italia). […] Oltre a questo campo di ricerca sistematica, che da solo potrebbe occupare per parecchi anni l’attività di vari ricercatori, vi sono ancora numerosissimi problemi insoluti relativi alla struttura nucleare e alle proprietà del neutrone, dal cui studio è naturale presumere una notevole messe di risultati. »
Fermi non si limitava a sottolineare l’importanza della ricerca di base, ma evidenziava anche le possibili ricadute pratiche:
« 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. »
La richiesta finale da parte di Fermi era di 300000 lire più 230000 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 ed 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 150000 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:
« Lo attiravano i laboratori attrezzati, gli abbondanti mezzi di ricerca, l’entusiasmo che sentiva nella nuova generazione di fisici, l’accoglienza cordiale degli americani. […] Gli ideali americani, a differenza di quelli fascisti trovavano una profonda eco nell’animo di Fermi. Tutte le osservazioni e le considerazioni che ne seguivano lo preparavano spiritualmente ad emigrare, e quando alla fine si trasferì in America fu più l’esecuzione di un piano a lungo meditato che una decisione improvvisa determinata dalle circostanze. »
Ad 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 codesta 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
« Nei giorni successivi all’assegnazione del premio nobel a Fermi, parte della stampa si era limitata a dare la notizia in forma estremamente breve, parte era giunta ad esprimere un cauto compiacimento per il riconoscimento internazionale che aveva ricevuto il lavoro di Enrico Fermi svolto in un’università italiana, anzi in quella della capitale, e talvolta aveva cercato di fare risalire il merito al regime […]. Ma al tempo stesso trapelava, qua e là, qualche preoccupazione per l’imperfezione razziale della famiglia Fermi, dell’ambiente dell’istituto e della fisica italiana in generale, e per il sospetto che Stoccolma fosse per Fermi la prima tappa di un viaggio ben più lungo. »
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:
« Mi viene riferito che in occasione della cerimonia […] per festeggiare l’accademico Enrico Fermi, premio Nobel 1938 per la fisica, erano state invitate tutte le autorità cittadine. Da sua altezza reale il duca di Bergamo, al prefetto, segretario generale, membri e gerarchi fascisti, podestà, questore, ecc. Pare che all’ultimo momento, a eccezione del duca di Bergamo, nessuna delle citate autorità, e specialmente politiche, abbia voluto intervenire. Si dice che la causa sia dovuta al fatto che il festeggiato, ammogliato a un’israelita, avrebbe ripetutamente manifestato la sua disapprovazione verso la campagna anti ebraica, dichiarandosi invece ben felice di avere per compagna una giudea. »
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:
« Io sapevo, anzi sapevamo, che quella sera si chiudeva definitivamente un periodo, brevissimo, della storia della cultura in Italia che avrebbe potuto estendersi e svilupparsi e forse avere un’influenza più ampia sull’ambiente universitario e, con il passare degli anni, magari anche sull’intero paese. Il nostro piccolo mondo era stato sconvolto, anzi quasi certamente distrutto, da forze e circostanze completamente estranee al nostro campo d’azione. Un osservatore attento avrebbe potuto dirci che era stato ingenuo pensare di costruire un edificio sulle pendici di un vulcano che mostrava così chiari segni di crescente attività. Ma su quelle pendici eravamo nati e cresciuti, e avevamo sempre pensato che quello che facevamo fosse molto più durevole della fase politica che il paese stava attraversando. »
Il 10 dicembre 1938 l’Accademia delle scienze di Stoccolma conferisce il premio Nobel ad Enrico Fermi per
« la scoperta di nuove sostanze radioattive appartenenti all’intero campo degli elementi e per la scoperta […] del potere selettivo dei neutroni lenti. »
Il comportamento di Enrico Fermi durante la consegna del premio fece scalpore all’interno dell’informazione del regime fascista[1]. Come ricorda Amaldi:
« Il fatto che Fermi invece di indossare l’uniforme fascista o quella dell’accademico d’Italia portasse il frac e che invece di fare il saluto fascista stringesse la mano al sovrano svedese determinarono una vera ondata di indignazione. »
Nei giorni successivi Otto Hahn e Fritz Strassmann rilevarono che, 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.
Dopo aver ricevuto il premio Nobel, Fermi andò a Copenaghen da Bohr, per imbarcarsi il 24 dicembre 1938 sul transatlantico Franconia diretto a New York.
[modifica] Inizio delle ricerche statunitensi
Come detto in precedenza, Fermi rimase in un primo momento presso la Columbia University. Qui verificò gli esperimenti iniziali di Hahn e Strassmann sulla fissione nucleare, con l’aiuto di Dunning e Booth e cominciò la costruzione della prima pila nucleare Chicago Pile-1 (che raggiungerà la prima criticità il 2 dicembre 1942).
In un discorso tenuto nel 1954, quando si pensionò da Presidente della Società Americana di Fisica, Fermi ricordò l’inizio del progetto:
« Ricordo vividamente il primo mese, il gennaio 1939, cominciai a lavorare ai laboratori Pupin e tutto quanto cominciò ad accadere molto velocemente. In quel periodo, Niels Bohr era stato chiamato per una serie di conferenze a Princeton e ricordo che un pomeriggio Willis Lamb tornò da una di esse davvero entusiasta e disse che Bohr si era lasciato sfuggire di bocca novità importantissime: la scoperta della fissione nucleare e a grandi linee la sua interpretazione del fenomeno. Poi, ancora più avanti lo stesso mese, ci fu un incontro a Washington dove fu valutata la possibile applicazione del fenomeno della fissione appena scoperto come arma nucleare. »
Dopo la famosa lettera di Einstein del 1939 (redatta da Leo Szilard) 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.
Dopo la resa della Germania, i dubbi degli scienziati impegnati nel Progetto Manhattan crebbero 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 Szilard, 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, Szilard 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 Szilard non venne fatta circolare. Inviata da Szilard 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».
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’lnterim 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.
Nel suo saluto all’APS, Fermi disse anche:
« Bene, arriviamo a Pearl Harbor. A quel tempo lasciai la Columbia University, e dopo alcuni mesi di andirivieni fra Chicago e New York, mi stabilii a Chicago per continuare là il lavoro, e da allora in avanti, con rare eccezioni, il lavoro alla Columbia si concentrò sulla fase del progetto dell’energia atomica iniziato da Booth, Dunning e Urey intorno al 1940 inerente alla separazione degli isotopi. »
[modifica] Fermi anticipatore dei suoi tempi
La via Enrico Fermi a Roma
Fermi fu un uomo estremamente brillante, dalla 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 prestigiosa rivista 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.
Comprese immediatamente l’importanza dei calcolatori elettronici.[1] 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”.
Il 29 novembre 1954 Fermi morì di tumore allo stomaco a Chicago, Illinois. Aveva cinquantatré anni. Di lui Eugene Wigner scrisse: “Dieci giorni prima che Fermi morisse mi disse: Spero che non duri molto. Si è riconciliato perfettamente col suo destino”.
Il prof. Edoardo Amaldi ebbe a dire durante la commemorazione tenuta a classi riunite il 12 marzo 1955 dall’Accademia dei Lincei:
« La sua opera scientifica è così poderosa e geniale, le conseguenze pratiche di alcuni dei suoi lavori sono così importanti e gravi che facilmente chi non abbia avuto la fortuna di conoscerlo è portato a farsi di lui un’immagine molto diversa dal vero. Solo i parenti e gli amici, solo coloro che l’hanno conosciuto sanno che, se da un lato era difficile separare in Enrico Fermi i vari aspetti di scienziato, di ricercatore, di maestro e di uomo, poiché intimamente fusi tra loro, d’altro canto la sua semplicità di gusti e di maniera di vivere, la sua calma serena di fronte ai problemi dalla vita, la sua mancanza di qualsiasi posa o stranezza di carattere furono qualità umane ancora più notevoli per il contrasto con le sue eccezionali qualità di scienziato. »
