Enrico Fermi e lo sviluppo della fisica del '900
Enrico Fermi rappresenta a pieno titolo una delle figure di riferimento della scienza e, soprattutto, della fisica del Novecento. Possiamo considerarlo infatti come il ponte tra la fisica classica e quella moderna, oltre che il connettore tra la tradizione scientifica europea e gli studi americani. Il nome dello studioso è spesso legato alla teorizzazione di concetti fondamentali, come la teoria del decadimento beta. Ma Fermi è legato strettamente anche alla fondazione di un gruppo di ricerca, quello dei ragazzi di via Panisperna.
I suoi studi in fisica nucleare cambiarono per sempre il volto della scienza moderna. Ecco perché abbiamo deciso di esplorare insieme, in questa guida, il cammino di uno dei padri della fisica moderna.
Enrico Fermi: origini, formazione e carriera
Non è possibile comprendere il genio di Enrico Fermi e la portata delle sue teorizzazioni senza prima fare un passo indietro alle sue origini.
Fermi nacque a Roma nel 1901 e mostrò fin dai primi anni un interesse per le leggi che regolano il mondo fisico. Sebbene la famiglia fosse ben lontana dagli studi scientifici e fisici, l’amico dei genitori, l’ingegnere Amidei, lo spinse a tentare l’esame di ammissione alla prestigiosa Scuola Normale Superiore di Pisa, dove lo studioso entro nel 1918.
Agli studi affiancò anche un percorso autodidatta: questi anni gli permisero di acquisire profonde conoscenze in fisica teorica.
Enrico Fermi si laureò nel 1922 e divenne professore di fisica teorica a Roma nel 1927. Qui sviluppò una nuova statistica quantistica per i fermioni e la teoria del decadimento beta. Inoltre, insieme ai ragazzi di via Panisperna si dedicò alla produzione di radioattività artificiale tramite bombardamento di neutroni, ricerca che gli valse il Premio Nobel per la Fisica nel 1938.
Dopo aver ritirato il premio, Fermi decise di non tornare in patria ed emigrò negli Stati Uniti a causa delle persecuzioni razziali. In America divenne professore alla Columbia University.
Nel 1942, all’Università di Chicago, realizzò la prima reazione a catena di fissione nucleare controllata, per poi lavorare al Progetto Manhattan per la costruzione della bomba atomica.
Nel dopoguerra, divenne direttore dell’Institute of Nuclear Studies a Chicago e si oppose allo sviluppo della bomba all’idrogeno.
Morì prematuramente per cancro il 28 novembre 1954.
La nascita della scuola di giovani fisici
Uno dei momenti fondamentali nella vita di Enrico Fermi è rappresentato dalla creazione della scuola di giovani fisici.
L’intento dello studioso era quello di formare giovani ricercatori non solo sulla teoria, ma anche sulla sperimentazione. Fermi selezionava i giovani in base al talento e alla passione, non al titolo accademico o alle raccomandazioni. Era solito coinvolgerli in discussioni quotidiane, spesso informali, che trasformavano il lavoro scientifico in una vera e propria palestra intellettuale.
Quel gruppo, nato quasi spontaneamente, si trasformò in una vera comunità scientifica.
I “ragazzi di via Panisperna”: chi faceva parte del gruppo di ricerca
Spesso ci si riferiva al gruppo di ricerca con il nome di “ragazzi di via Panisperna”. Il nome deriva dalla via romana dove si trovava l’Istituto di Fisica dell’Università di Roma, dove Fermi riunì alcuni dei migliori talenti della sua generazione.
Facevano parte del gruppo alcuni nomi noti, come Edoardo Amaldi, Franco Rasetti, Emilio Segrè, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana e altri ancora.
Enrico Fermi e la teoria del decadimento beta
Il contributo più conosciuto di Enrico Fermi alla fisica nucleare è rappresentato dalla teoria del decadimento beta.
Prima del suo intervento, il fenomeno del decadimento beta non era ampiamente conosciuto. Gli esperimenti in merito mettevano in luce che gli elettroni emessi dai nuclei radioattivi possedevano energie variabili, un fatto che sembrava violare il principio di conservazione dell’energia. Questo enigma, noto come “spettro continuo del beta”, non era ancora stato risolto.
L’intervento di Fermi fu però risolutivo: nel 1933 propose un modello basato sull’idea che, durante il decadimento beta, non venisse emessa soltanto una particella, ma due.
Le due particelle erano rappresentate da un elettrone e una particella allora ipotetica, neutra e quasi priva di massa, chiamata neutrino.
In sostanza, per Fermi, l’energia non era scomparsa, ma era semplicemente condivisa tra due particelle, di cui una invisibile mediante la strumentazione.
La scoperta dei neutroni lenti
Un’altra scoperta di Enrico Fermi e del suo gruppo di ricerca destinata a rivoluzionare la fisica fu quella dei neutroni lenti.
I ragazzi di via Panisperna riuscirono a superare infatti la vecchia credenza secondo la quale i neutroni ad alta energia fossero più efficaci nel provocare reazioni nucleari.
Gli esperimenti di Fermi dimostrarono infatti che, al contrario, erano i neuroni lenti e con energie più basse a mostrare una maggiore efficacia.
Le reazioni nucleari mediante neutroni lenti
Dopo aver scoperto che i neutroni lenti erano più efficaci, il passo successivo fu comprendere come controllare e sfruttare questa proprietà. Enrico Fermi e i suoi collaboratori iniziarono una serie di esperimenti, grazie ai quali studiarono l’interazione di neutroni con elementi diversi.
Uno dei risultati più rilevanti fu l’osservazione che materiali come acqua, grafite e paraffina erano fondamentali per rallentare i neutroni senza catturarli. La scoperta permise quindi di creare un ambiente in cui i neutroni potessero mantenere una velocità ideale.
Una delle conseguenze di maggior portata degli esperimenti di Fermi fu la produzione controllata di isotopi radioattivi.
Ma l’aspetto più importante sugli esperimenti con i neutroni lenti è che questi permisero di sviluppare una reazione nucleare a catena. Fermi non poté ancora identificare la fissione dell’uranio ma si avvicinò moltissimo al concetto, tanto che alcuni suoi risultati verranno reinterpretati alla luce della fissione.
In altre parole, il suo lavoro sui neutroni lenti fu il punto di partenza per la fisica dei reattori e la tecnologia nucleare moderna.
Dalla scoperta di Enrico Fermi alla fissione nucleare
Il passo dalla scoperta dei neutroni lenti alla comprensione della fissione nucleare fu però molto più lento. Negli anni immediatamente successivi agli esperimenti di Enrico Fermi datati 1934 e 1935, gli effetti dei neutroni lenti sull’uranio divennero oggetto di grande interesse.
Tuttavia, fu solo nel 1938 che Otto Hahn e Fritz Strassmann scoprirono e dimostrarono sperimentalmente la fissione nucleare. Senza le scoperte di Fermi, osservare il fenomeno sarebbe stato decisamente molto difficile.
