Úvod
Narozen v roce 1901, Enrico Fermi byl skutečným vědcem dvacátého století. Příběh jeho dětství, vzdělání a kariéry se zdá být známý a „moderní“. Stejně jako mnozí geniální vědci své doby vnímal Fermi události odehrávající se v Evropě jako další podnět k práci v Americe. Ztráta Evropy byla ziskem Ameriky. V New Yorku a Chicagu našel Fermi prostředí a technologie, které potřeboval k rozvoji a prokázání svých teorií. V roce 1947 byl Fermi slavným vědcem, známým po celém světě díky svým pokrokům v teoretické a experimentální fyzice.
Kdo byl Enrico Fermi? Jaký byl jeho přínos teoretické a experimentální fyzice?
Výjimečný student
Enrico Fermi se narodil 29. září 1901 v italském Římě; byl nejmladším ze tří dětí Alberta Fermiho, železničního úředníka, a Idy de Gattis, učitelky na základní škole s pevnými očekáváními.
Smrt jeho bratra Giulia v roce 1915 během drobné operace byla pro rodinu zdrcující ranou. Zatímco matka hluboce truchlila, Enrico vyplňoval prázdnotu, kterou cítil, studiem. Jeho koníčkem se stala četba fyzikálních a matematických textů. Jeho manželka Laura Fermiová jednou popsala, jak jí Enrico vyprávěl, že při studiu sedával doma na rukou, aby se zahřál, a jak „jazykem obracel stránky knihy“.
Otcův kolega Ingegner Amidei podporoval mladého Enrica ve studiu a nasměroval ho na Reale Scuolo Normale Superiore, pobočku univerzity v Pise, která se cíleně zaměřovala na nadějné a talentované studenty a přijímala je prostřednictvím přijímacích zkoušek. Když Enrico Fermi předložil esej o vibrujících strunách, která zkoušejícího profesora ohromila, byl na školu přijat a prohlášen za „výjimečného“. V sedmnácti letech se tedy přestěhoval z Říma do Pisy, místa, kde před stovkami let Galileo prováděl své slavné experimenty.
Během studia na univerzitě v Pise Fermi pokročil ve svém teoretickém přístupu ke spektroskopii. V červenci 1922 získal na univerzitě doktorát s prací o zkoumání rentgenového záření.
Dobrý mladý vědec
Zpět v Římě se Fermi seznámil s Orso Manem Corbinem, vedoucím inženýrské školy římské univerzity a senátorem v národní vládě. Italská vláda poskytla Fermimu stipendia, která umožnila pokročilé studium u dvou odborníků na kvantovou mechaniku: Profesor Max Born, nositel Nobelovy ceny za fyziku, působil na univerzitě v Göttingenu a Dr. Paul Ehrenfest na univerzitě v Leidenu. Spolužákem v Göttingenu byl i Werner Heisenberg.
Po návratu do Itálie v roce 1924, kdy se formovala Mussoliniho fašistická vláda, přijal Fermi, stále ještě Corbinův chráněnec, speciálně vytvořené místo vedoucího katedry teoretické fyziky na Římské univerzitě. Corbinovým cílem bylo obnovit pokleslé postavení italské vědy a začal nabírat nejlepší mladé vědce, aby Fermi vybudoval vynikající katedru fyziky.
Fermiho skupina se zpočátku zabývala spektroskopickými jevy a kvantovou mechanikou. V této době, před objevem neutronu a v době, kdy se kvantová teorie teprve rozvíjela, zaměřil Fermi svou pozornost na vlastnosti elektronů. Jeho teorie Fermiho statistiky se týká pravděpodobnosti rozložení elektronů na daných hladinách v atomu. Určil, že jeho stejnojmenné fermiony, základní subatomární částice hmoty, se řídí Pauliho vylučovacím principem.
Laura Caponová, studentka chemie, a Enrico Fermi se vzali v roce 1928 a v roce 1931 a 1936 se jim narodily děti Nella a Giulio.
Fermi poprvé navštívil Spojené státy v roce 1930, aby vystoupil na letním sympoziu o kvantové teorii; vrátil se v létě 1933 a 1935 až 1937.
Zajímá vás více informací o Enrico Fermim? Zjistěte více o jeho ceně Benjamina Franklina
Od teorie k experimentu
Po objevu neutronu v roce 1932 a následně po objevu umělé radioaktivity v roce 1934 se Fermi rozhodl experimentovat s výrobou umělé radioaktivity tím, že nahradí bombardování neutrony metodou částic alfa, kterou používali francouzští vědci. To znamenalo změnu jeho vědecké priority z teoretické na experimentální vědu.
Vymyslel postup výroby neutronů z kombinace radonu a berylia, sestrojil Geigerův čítač k měření vzniklé radioaktivity a začal bombardovat prvky, přičemž postupoval systematicky po periodické tabulce. První úspěch při zjišťování radioaktivity zaznamenal u fluoru (atomové číslo = 9) a nejpozoruhodnější u uranu (atomové číslo = 92). Rozpadem uranu vznikl prchavý, nestabilní prvek s atomovým číslem 93, o jehož existenci se dosud nevědělo. Po objevu následovala okamžitá celosvětová publicita tohoto „nového prvku“, kterou však Fermi považoval za předčasnou a nevhodnou. Stejně tak považoval za neoprávněné tvrzení, že za vědecký úspěch může fašistické prostředí. Plný dopad objevu rozpadu uranu měl následovat až o několik let později.
Objev
Výzkumy pokračovaly a v říjnu 1934 byly při pokusech s ozařováním stříbra zaznamenány nevyrovnané výsledky. Výsledná radioaktivita kovu závisela na jeho umístění v ochranné olověné nádobě. Byly proto uspořádány pokusy s cílem porovnat radioaktivitu vzniklou při vložení různých materiálů mezi radonový zdroj a stříbrný terčík. Dne 22. října navrhl Fermi jako alternativu k těžkému kovu olovu, který vykazoval mírné zvýšení aktivity, lehký materiál: parafín. Jeho náhodná volba se osvědčila. Geigerův čítač ukázal až stonásobné zvýšení umělé radioaktivity tohoto stříbrného vzorku – vzrušení rostlo. Fermiho vysvětlení spočívalo v tom, že několik atomů vodíku v parafínu účinně „zpomalilo“ neutrony do stavu, který umožnil mnohem více srážek s atomy stříbra. Další úžasná možnost řízeného nebo „spoutaného“ ozáření neutronovým bombardováním byla blízko.
Předvídaje důsledky tohoto objevu, Corbino trval na tom, aby byl okamžitě podán patent. Žádost byla podána 26. října 1934.
Po tomto významném objevu následovala další práce, ale skupina vědců se postupně rozprchla, jak se tempo experimentů zpomalovalo; většina odcestovala do Severní Ameriky. Na Fermisovy doléhala nejistá politická situace v Itálii a pravděpodobnost války. S nástupem osy Řím-Berlín začala v roce 1938 křížová výprava antisemitismu. Laura Fermiová byla Židovka.
Obrovská energie
Desátého listopadu 1938 byla Enricu Fermimu udělena Nobelova cena za fyziku za „identifikaci nových radioaktivních prvků a objev, učiněný v souvislosti s touto prací, jaderných reakcí vyvolaných pomalými neutrony“. O této možnosti věděl již dříve a byl v kontaktu s americkými univerzitami ohledně možnosti zaměstnání. Fermiho rodina dostala vládní povolení k cestě do Stockholmu na předání Nobelovy ceny. Do Itálie se již nevrátili. Místo toho po návštěvě Nielse Bohra v Kodani odpluli 10. prosince do Spojených států a na Fermiho novou profesuru na Kolumbijské univerzitě.
Mezitím bylo v Německu zjištěno, že při bombardování uranu neutrony vznikají dva produkty o podobné atomové hmotnosti. Předtím se očekával jeden produkt blízký uranu v periodické tabulce plus malé produkty rozpadu. Reakce, ke které nyní dochází, byla vhodněji popsána jako štěpení, nikoli rozpad.
Fermi začal chápat důsledky této novinky a pokračoval v hypotéze, že štěpení atomu uranu neutronem vede k uvolnění dvou neutronů. Každý z těchto neutronů by pak rozštěpil další atom, čímž by vznikly čtyři neutrony, a tak dále. Tato samovolně se opakující řetězová reakce by produkovala obrovskou energii. Její význam nebyl pro vědeckou komunitu ztracen. V atmosféře blížící se války se objevila možnost nových zbraní nepředstavitelné intenzity.
Fermi začal svou hypotézu testovat na Kolumbijské univerzitě s využitím tamního cyklotronu jako generátoru neutronů; během několika měsíců byla Fermiho hypotéza potvrzena.
Válečná práce
Němečtí vědci měli s jaderným štěpením zkušenosti. Zbraňové aplikace tohoto jevu byly sice vzdálené, ale existovaly. Tyto úvahy vedly fyziky z Kolumbijské univerzity k tomu, aby požádali o pomoc Alberta Einsteina a informovali o vývoji vládu Spojených států. Prezident Roosevelt reagoval zřízením Poradního výboru pro uran (Uranový výbor).
V té době byla Velká Británie a její kolonie ve válce s Německem a o šest měsíců později také s Itálií. Po vstupu Spojených států do války 8. prosince 1941 se Fermiho výzkum stal „válečnou prací“. Automaticky se také stal „nepřátelským cizincem“ s komplikacemi s tím spojenými.
Dvanáctého října 1942 byl status „nepřítele“ pro Italy zrušen; Fermi se stal občanem Spojených států 11. července 1944.
Atomová hromada
Na Kolumbijské univerzitě Fermi a jeho tým pokračovali ve výzkumu možnosti řízených řetězových reakcí z jaderného štěpení. Experimenty je vedly ke stavbě „atomové hromady“, která začínala jako hromada čistých grafitových cihel obklopujících zdroj neutronů. Tento první krok umožnil zkoumat vliv grafitu na aktivitu neutronů: absorpci a reemisi, množství, štěpení. Druhým krokem bylo přidání uranu do experimentu. Původní komín byl přestavěn a některé grafitové cihly byly osázeny kousky uranu. Pokračovalo se v pozorování vlivu grafitu. Výsledky Fermimu ukázaly, že k vytvoření měřitelné řetězové jaderné reakce je zapotřebí komín větší než stávající „pilotní“ verze, a začalo se hledat větší zařízení.
Rozšíření Kolumbijské univerzity zpomalilo rozhodnutí americké vlády urychlit a centralizovat atomový výzkum. Fermiho práce se nakonec v roce 1942 přesunula na Chicagskou univerzitu. Utajení se týkalo všech snah na tomto místě, odkloněně označeném jako Metalurgická laboratoř. Fyzikové, kteří se v novém zařízení shromáždili, se soustředili na základní atomový výzkum jako součást nově pojmenovaného projektu Manhattan, prvního případu „velké vědy“ s výzkumem, výrobou materiálů a podpůrným personálem konsolidovaným a zaměřeným na jediný cíl.
Nyní měl Fermi k dispozici prostory potřebné pro svou rozšířenou atomovou hromadu. Tento prostor – o rozloze asi 200 čtverečních stop a výšce více než 26 stop v nepoužívaném squashovém kurtu pod západní tribunou stadionu Stagg Field uprostřed více než třímilionového města – byl předurčen k trvalé slávě.
Fermiho skupina v Chicagu stavěla a zkoumala malé hromady a získala jistotu, že jsou známy všechny parametry pro vytvoření hromady kritické velikosti a složení pro trvalou řetězovou reakci. Během pouhých šesti týdnů byla postavena konečná hromada, vysoká necelých 26 stop a zcela uzavřená v obrovském čtvercovém balonu z pogumované látky. Dne 2. prosince 1942 řídil Fermi historickou operaci, řídil postupné odstraňování řídicích tyčí a sledoval následný nárůst radioaktivity. Když šlo vše podle plánu, Fermi, tvor zvyku, vyhlásil přestávku na oběd. Po obědě práce pokračovaly a ve 3:20 odpoledne byla poslední regulační tyč opatrně vytažena po metrových krocích, když Fermi vydal poslední pokyn k jejímu úplnému odstranění. Všechny monitorovací přístroje ukazovaly stoupající radioaktivitu – řízené řetězové štěpné jaderné reakce bylo dosaženo!“
Ve zprávě o úspěchu, kterou ředitel Arthur Compton zaslal Úřadu pro vědecký výzkum a vývoj, stálo: „Italský navigátor dosáhl Nového světa“. Na oslavu se připíjelo chianti.
Mezitím pokračoval havarijní program na vývoj zbraní zahrnujících tento úspěch. Představovala se atomová bomba s neřízeným jaderným výbuchem.
Pan Farmer
Fermi nyní cestoval po zemi a navštěvoval místa, která byla pro válečné úsilí klíčová – Hanford, Oak Ridge, Argonne a Los Alamos. Zasloužil se také o stálého bodyguarda Johna Baudina a krycí jméno „pan Farmer“. V létě 1944 se Fermiho rodina přestěhovala z Chicaga do Los Alamos. Zůstali tam až do 31. prosince 1945.
16. července 1945 se v poušti Trinity v Novém Mexiku uskutečnil první test atomové bomby. Fermi ji pozoroval ze základního tábora asi 10 mil od místa výbuchu. Popsal, že měl širokou desku s tmavou vložkou ze svářečského skla, která mu chránila obličej, a že na odhalených částech těla pociťoval teplo.
Vždycky jako vědec se Fermi zajímal o sílu výbuchu. Popsal jednoduchý test, který provedl:
„Asi 40 sekund po výbuchu mě zasáhl výbuch vzduchu. Pokusil jsem se odhadnout jeho sílu tím, že jsem před, během a po průchodu tlakové vlny upustil z výšky asi šesti metrů malé kousky papíru. Protože v té době nefoukal žádný vítr, mohl jsem velmi zřetelně pozorovat a skutečně měřit posunutí kousků papíru, které padaly při průchodu výbuchu. Posun činil asi 2,5 metru, což podle mého odhadu v té době odpovídalo výbuchu, který by vyvolalo deset tisíc tun T.N.T. „1
Po výbuchu Fermi prozkoumal 800 stop. o průměru kráteru z bezpečí olověného tanku Sherman a všiml si glazovaného povrchu pouště – písek se roztavil a znovu ztuhl.
Alternativní použití
6. srpna 1945 byla svržena atomová bomba na Hirošimu a další na Nagasaki o tři dny později. Japonsko 14. srpna kapitulovalo, čímž skončila šest let trvající druhá světová válka. Německo kapitulovalo již dříve, 7. května 1945. Němečtí vědci se sice významně podíleli na objevu a identifikaci jaderného štěpení, ale jejich snahy o válečné využití nebyly úspěšné.
Atomoví vědci také upozorňovali na mírové využití jaderného štěpení jako alternativy k ropě a uhlí při poskytování energie pro přenos tepla k výrobě páry pro turbíny při výrobě elektřiny. Byl zahájen program výstavby jaderných elektráren.
Zpět v poválečném Chicagu se Fermi stal profesorem v Ústavu jaderných studií na univerzitě. Jeho zájem nyní spočíval v povaze a původu kosmického záření: vysokoenergetické, vysokorychlostní částice, které bombardují Zemi z vesmíru. Výstavba obřího cyklotronu v Chicagu v roce 1947 poskytla vhodný zdroj subatomárních částic pro studium. Fermi vyslovil teorii, že částice kosmického záření vznikají a získávají svou rychlost při srážkách s oblaky magnetismu ve vesmíru. Fermiho-Walkerův transportní proces popisuje tento stav z hlediska obecné teorie relativity.
Enrico Fermi zemřel 28. listopadu 1954 v Chicagu na rakovinu žaludku. Od té doby se výzkum vesmíru rozšířil a zintenzivnil a nyní se kosmické záření ve vesmíru přímo zkoumá. Hardware pro umělé vytváření kosmického záření již není nezbytný, ale ti, kdo vyvíjejí nové teorie, stojí na Fermiho ramenou při rozšiřování znalostí o vesmíru subatomárních částic.
Pozadí
Fermi vyrůstal v době překypující novými teoriemi a myšlenkami v atomové fyzice. V roce 1897 objevil Thomson elektron, v roce 1910 přišel Rutherfordův postřeh o centrálním, nepatrném jádru, které obsahuje veškerou hmotnost a kladný náboj atomu, Chadwickův objev neutronu, poté Pauli popsal chování tří typů částic, které tvoří atom: elektronu, protonu a neutronu.
Enrico Fermi, kompletní vědec, spojil své vlohy pro teoretické dedukce i experimenty během celé své kariéry, počínaje čistou teorií Fermiho-Diracovy statistiky přes dedukce experimentálních výsledků při bombardování neutrony, úspěšné návrhy atomových pilířů, vysvětlení konečných výsledků jaderného štěpení a konče důvody urychlování kosmického záření.
Fermiho-Diracova statistika
Během postgraduálního studia na univerzitě v Göttingenu vytvořil Fermi výrazný statistický model založený na chování dokonalého plynu, předpověděl působení velkých mračen elektronů a ukázal, že mají jinou aktivitu než ostatní subatomární částice – základní vlastnost hmoty. Takové elementární částice, základní prvky hmoty, byly po Fermim pojmenovány fermiony.
Rozpad beta
„Alfa“ a „beta“ záření byl popis nově objevených jevů na počátku výzkumu radioaktivity. Přesněji řečeno, částice alfa je jádro atomu helia, které má dva protony a dva neutrony, a částice beta s mnohem vyšší energií je elektron uvolněný z atomu.
Fermiho teorie rozpadu beta popisuje pravděpodobnost rozpadu neboli přechodu z hlediska statistiky jaderných sil v okamžiku rozpadu. Ve svých výpočtech Fermi navrhl novou částici, neutrino, aby vysvětlil nepatrnou ztrátu energie elektronu pozorovanou během procesu a zachoval princip zachování energie.
Pětadvacet let po Fermiho teorii bylo dosaženo podrobného pochopení mechanismu rozpadu beta a teorie byla potvrzena. Tato teorie se také nazývá Fermiho zlaté pravidlo.
Pomalé neutrony
Přirozenou radioaktivitu objevil Becquerel v roce 1896 a o dva roky později ji charakterizovali Pierre a Marie Curieovi při izolaci polonia a radia. Umělou radioaktivitu objevila o třicet let později jejich dcera Irene a její manžel Frederic Joliot. V jednom experimentu bombardovali bór částicemi alfa a část z něj přeměnili na dusík, čímž potvrdili, že radioaktivita z bóru přešla na dusík. Tato metoda byla účinná i na hliník, ale ne na těžší prvky kvůli nízké energii částic alfa. Částice alfa mají jako „střely“ nevýhody. Jelikož se jedná o kladně nabitá jádra helia, jsou zpomalovány elektrickým rušením od okolních elektronů a narážejí na odpor kladně nabitých cílových jader. Jejich rychlost, výkon a účinná vzdálenost se snižují.
Na základě těchto informací Enrico Fermi vyslovil domněnku, že neutrony s neutrální polaritou a vyšší rychlostí by byly účinnější „střely“ než částice alfa. Jeho experimentální přístup spočíval v metodickém postupu periodickou tabulkou a podrobení každého prvku bombardování neutrony.
První překážkou bylo vymyslet spolehlivý zdroj neutronů, které se získávají ze srážek částic alfa s určitými prvky. Fermi vzal radon z rozpadu zdroje radia, smíchal ho s práškovým beryliem a uzavřel ve skleněné trubici. Tato trubice byla jeho zdrojem neutronů. Sestrojil Geigerův čítač používaný k měření výsledků radioaktivity a shromáždil chemické postupy k oddělení a identifikaci prvků vzniklých rozpadem.
Fluor, devátý prvek, byl prvním prvkem, který vykazoval radioaktivitu z bombardování neutrony; cílem bylo prozkoumat co nejvíce ze všech 92 přirozeně se vyskytujících prvků v periodické tabulce.
Metoda spočívala v bombardování vzorku, měření výsledné radioaktivity, chemické separaci ozářeného vzorku a měření radioaktivity každého separovaného prvku. Ukázalo se, že prvek přítomný po rozpadu má atomové číslo blízké původnímu cílovému vzorku. Tento výsledek platil, dokud cílovým vzorkem nebyl uran; směs po výbuchu obsahovala řadu prvků, včetně jednoho s atomovou hmotností 93. Zřejmě vznikl nový prvek – dokonce nestabilní.
Další průlom týmu nastal, když si vědec všiml, že umístění vzorku a předmětů v jeho okolí ovlivňuje výsledek záření. To tým zaujalo, a tak se vydal novou cestou zkoumání, kdy měnil materiály mezi zdrojem neutronů a stříbrným terčem a měřil výslednou radioaktivitu.
Při pokusech Fermi navrhl, aby se místo těžkého kovu, olova, zkusil jako meziprodukt kolem zdroje neutronů použít lehký materiál, například parafín. Výsledky byly ohromující – radioaktivita stříbra se zvýšila stonásobně. Fermiho teorie na základě těchto výsledků zavedla koncept pomalých neutronů.
Parafinový vosk, pevná směs uhlovodíků, obsahuje vysoké procento atomů vodíku. Jádra těchto atomů, jednotlivé protony, mají stejnou hmotnost jako neutrony. Když neutrony vstupují do vosku, vysoký obsah vodíku zajišťuje velký počet srážek a podobnost velikosti částic zpomaluje rychlost neutronů při srážkách. „Pomalé“ neutrony dopadající na terč se s větší pravděpodobností srazí s atomy stříbra; zvýšený počet srážek má za následek vyšší radioaktivitu.
V těchto experimentech byla pozornost Fermiho týmu zaměřena spíše na testování periodicky sousedících prvků z rozkladu než na vzdálenější prvky v periodické tabulce. Možnost dalších produktů rozkladu zůstala bez povšimnutí. Zjištění, že ozáření uranu způsobuje jaderné štěpení, zůstalo na Hahnovi, Strassmanovi a Meitnerové o dva roky později. Z toho vyplynulo, že nový prvek, který byl považován za objevený, je ve skutečnosti směsí produktů rozkladu uranu.
Řetězová reakce
Když se Fermi ve spolupráci se Szilardem dozvěděl o objevu jaderného štěpení, okamžitě přidal na svůj seznam novou hypotézu. Jeho předběžné vysvětlení vysoké energie generované atomem uranu při štěpení předpokládalo, že původní jediný atom způsobující štěpení produkuje dva neutrony. Bylo by možné, že tyto dva by se pak srazily s dalšími atomy uranu a vytvořily čtyři neutrony, a tak by řetězec reakcí rostl stejně jako počet neutronů. Proces by pokračoval, dokud by se nevyčerpaly všechny atomy uranu. Při každé jaderné srážce se uvolní obrovské množství energie.
Fermiho hypotéza popisovala ideální stav. Bylo třeba připustit, že v reálných situacích by produkci energie a rychlost reakce snižovaly zmeškané srážky v důsledku vysoké rychlosti jader a zpomalené interakce způsobené vnitrojadernou absorpcí, jak Fermi zjistil již při svých experimentech s parafínem.
Experimentální potvrzení vyžadovalo spolehlivý zdroj neutronů, vhodnou nádobu pro řetězovou reakci a metodu řízení nebo zmírnění rychlosti reakce. Zdroj neutronů byl vytvořen bombardováním berylia vysoce urychlenými deuterony (jádra atomů deuteria) vytvořenými v cyklotronu. Nádobu tvořila hromada ultračistého grafitu o velikosti místnosti osázená mřížkou uranu a moderátory byly vyjímatelné grafitové tyče vložené v určitých intervalech do hromady.
Řetězová reakce probíhá při kritické hmotnosti, což je bod, ve kterém je právě dostatek neutronů k udržení reakce po započtení ztrát neutronů z hromady v důsledku úniku a absorpce. Hromada, která zajistila první řetězovou reakci, byla kulovitá hromada o průměru téměř 26 stop.
Kredity
Prezentace Enrica Fermiho vznikla díky podpoře The Barra Foundation a společnosti Unisys.
Tato webová stránka je dílem interního speciálního projektového týmu Franklinova institutu, který pracuje pod vedením Carol Parssinen, senior viceprezidentky Centra pro inovace ve vědeckém vzdělávání, a Bo Hammera, viceprezidenta Franklinova centra.
Členy speciálního projektového týmu z oddělení vzdělávacích technologií jsou:
Karen Elinich, Barbara Holberg a Margaret Ennis.
Speciálními členy projektového týmu z oddělení kurátorství jsou:
John Alviti a Andre Pollack.
Členy poradního sboru projektu jsou:
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger a Susan Yoon.