Einführung
Der 1901 geborene Enrico Fermi war ein echter Wissenschaftler des zwanzigsten Jahrhunderts. Die Geschichte seiner Kindheit, seiner Ausbildung und seiner Karriere erscheint vertraut und „modern“. Wie viele brillante Wissenschaftler seiner Zeit sah Fermi die Ereignisse in Europa als einen zusätzlichen Anreiz, in Amerika zu arbeiten. Der Verlust Europas war der Gewinn Amerikas. In New York und Chicago fand Fermi das Umfeld und die Technologie, die er brauchte, um seine Theorien voranzutreiben und zu beweisen. Bis 1947 war Fermi ein gefeierter Wissenschaftler, der weltweit für seine Fortschritte in der theoretischen und experimentellen Physik bekannt war.
Wer war Enrico Fermi? Was waren seine Beiträge zur theoretischen und experimentellen Physik?
Ein außergewöhnlicher Student
Enrico Fermi wurde am 29. September 1901 in Rom, Italien, geboren; er war das jüngste von drei Kindern von Alberto Fermi, einem Eisenbahnbeamten, und Ida de Gattis, einer Volksschullehrerin mit festen Erwartungen.
Der Tod seines Bruders Giulio im Jahr 1915 während einer kleinen Operation war ein schwerer Schlag für die Familie. Während seine Mutter tief trauerte, füllte Enrico die Leere, die er empfand, mit Lernen. Das Lesen von physikalischen und mathematischen Texten wurde zu seinem Hobby. Seine Frau Laura Fermi beschrieb einmal, wie Enrico ihr erzählte, wie er sich beim Lernen zu Hause auf die Hände setzte, um sich warm zu halten, und wie er „die Seiten seines Buches mit der Zunge umblätterte“
Ein Kollege seines Vaters, Ingegner Amidei, ermutigte den jungen Enrico in seinem Studium und verwies ihn an die Reale Scuolo Normale Superiore, eine Tochtergesellschaft der Universität Pisa, die sich speziell an vielversprechende und begabte Studenten wandte und sie durch Auswahlprüfungen aufnahm. Als Enrico Fermi einen Aufsatz über schwingende Saiten einreichte, der den prüfenden Professor verblüffte, wurde er in die Schule aufgenommen und als „außergewöhnlich“ eingestuft. Mit 17 Jahren zog er von Rom nach Pisa, dem Ort, an dem Galilei Hunderte von Jahren zuvor seine berühmten Experimente durchgeführt hatte.
Während seines Studiums an der Universität Pisa entwickelte Fermi seine theoretischen Ansätze zur Spektroskopie weiter. Im Juli 1922 promovierte er an der Universität mit einer Arbeit über die Untersuchung von Röntgenstrahlen.
Fine Young Scientist
Zurück in Rom machte Fermi die Bekanntschaft von Orso Mano Corbino, dem Leiter der Ingenieurschule der Universität Rom und Senator in der Regierung des Landes. Die italienische Regierung gewährte Fermi Stipendien, die ihm fortgeschrittene Studien bei zwei Spezialisten der Quantenmechanik ermöglichten: Professor Max Born, der Physik-Nobelpreisträger, an der Universität Göttingen und Dr. Paul Ehrenfest an der Universität Leiden. Werner Heisenberg war ein Klassenkamerad in Gottingen.
Nach seiner Rückkehr nach Italien im Jahr 1924, als sich Mussolinis faschistische Regierung bildete, übernahm Fermi, immer noch ein Schützling Corbinos, den eigens geschaffenen Lehrstuhl für Theoretische Physik an der Universität Rom. Corbinos Ziel war die Wiederherstellung des geschwächten wissenschaftlichen Ansehens Italiens, und er begann, die besten jungen Wissenschaftler zu rekrutieren, damit Fermi eine herausragende Physikabteilung aufbauen konnte.
Zunächst beschäftigte sich Fermis Gruppe mit spektroskopischen Phänomenen und Quantenmechanik. In dieser Zeit, vor der Entdeckung des Neutrons und während die Quantentheorie noch entwickelt wurde, konzentrierte Fermi seine Aufmerksamkeit auf die Eigenschaften der Elektronen. Seine Theorie der Fermi-Statistik befasst sich mit der Wahrscheinlichkeit der Elektronenverteilung auf bestimmten Ebenen innerhalb des Atoms. Er stellte fest, dass die nach ihm benannten Fermionen, die grundlegenden subatomaren Teilchen der Materie, dem Pauli-Ausschlussprinzip gehorchen.
Laura Capon, eine Chemiestudentin, und Enrico Fermi heirateten 1928, und ihre Kinder, Nella und Giulio, wurden 1931 und 1936 geboren.
Fermi besuchte die Vereinigten Staaten zum ersten Mal 1930, um ein Sommersymposium über Quantentheorie zu halten; er kehrte in den Sommern 1933 und 1935 bis 1937 zurück.
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Vom Theoretischen zum Experimentellen
Nach der Entdeckung des Neutrons im Jahr 1932 und der Entdeckung der künstlichen Radioaktivität im Jahr 1934 beschloss Fermi, mit der Erzeugung künstlicher Radioaktivität zu experimentieren, indem er die von den französischen Wissenschaftlern verwendete Methode der Alphateilchen durch Neutronenbeschuss ersetzte. Damit änderte sich seine akademische Priorität von der theoretischen zur experimentellen Wissenschaft.
Er entwickelte ein Verfahren zur Erzeugung von Neutronen aus der Kombination von Radon und Beryllium, baute einen Geigerzähler zur Messung der erzeugten Radioaktivität und begann mit dem Beschuss von Elementen, wobei er systematisch durch das Periodensystem vorging. Der erste Erfolg beim Nachweis von Radioaktivität wurde mit Fluor (Ordnungszahl = 9) erzielt und der bemerkenswerteste mit Uran (Ordnungszahl = 92). Beim Zerfall von Uran entstand ein flüchtiges, instabiles Element mit der Ordnungszahl 93, dessen Existenz bisher nicht bekannt war. Die Entdeckung dieses „neuen Elements“ erregte sofort weltweites Aufsehen, das Fermi jedoch für verfrüht und unangebracht hielt. Die Behauptung, der wissenschaftliche Erfolg sei auf das faschistische Umfeld zurückzuführen, hielt er ebenfalls für ungerechtfertigt. Die volle Wirkung der Entdeckung des Uranzerfalls sollte erst einige Jahre später eintreten.
Entdeckung
Die Untersuchungen gingen weiter, und im Oktober 1934 wurden bei Bestrahlungsversuchen mit Silber erratische Ergebnisse festgestellt. Die daraus resultierende Radioaktivität des Metalls hing davon ab, wie es sich in dem schützenden Bleibehälter befand. Daher wurden Experimente durchgeführt, um die Radioaktivität zu vergleichen, die sich einstellte, wenn verschiedene Materialien zwischen der Radonquelle und dem Silberziel eingefügt wurden. Am 22. Oktober schlug Fermi als Alternative zum Schwermetall Blei, das eine leichte Aktivitätserhöhung aufwies, ein leichtes Material vor: Paraffinwachs. Seine zufällige Wahl funktionierte gut. Der Geigerzähler zeigte an, dass die künstliche Radioaktivität dieser Silberprobe bis zum Hundertfachen anstieg – die Aufregung wuchs. Fermis Erklärung war, dass die vielen Wasserstoffatome im Paraffin die Neutronen effektiv „verlangsamten“, so dass viel mehr Zusammenstöße mit den Silberatomen möglich waren. Die nächste verblüffende Möglichkeit einer kontrollierten oder „nutzbar gemachten“ Strahlenbelastung durch Neutronenbeschuss stand kurz bevor.
Die Auswirkungen dieser Entdeckung vor Augen, bestand Corbino darauf, sofort ein Patent anzumelden. Der Antrag wurde am 26. Oktober 1934 eingereicht.
Weitere Arbeiten folgten auf diese bedeutsame Entdeckung, aber die Gruppe von Wissenschaftlern zerstreute sich allmählich, als sich das Tempo der Experimente verlangsamte; die meisten reisten nach Nordamerika. Das unsichere politische Klima in Italien und die Wahrscheinlichkeit eines Krieges belasteten die Fermis. Mit der Errichtung der Achse Rom-Berlin begann 1938 ein Kreuzzug des Antisemitismus. Laura Fermi war Jüdin.
Tremendous Energy
Am 10. November 1938 erhielt Enrico Fermi den Nobelpreis für Physik für seine „Identifizierung neuer radioaktiver Elemente und seine im Zusammenhang mit dieser Arbeit gemachte Entdeckung von Kernreaktionen, die durch langsame Neutronen ausgelöst werden.“ Er hatte schon vorher von dieser Möglichkeit gewusst und war mit amerikanischen Universitäten in Kontakt getreten, um sich über Beschäftigungsmöglichkeiten zu informieren. Die Familie Fermi erhielt die Erlaubnis der Regierung, zur Verleihung des Nobelpreises nach Stockholm zu reisen. Sie kehrten nicht nach Italien zurück. Stattdessen reisten sie nach einem Besuch bei Niels Bohr in Kopenhagen am 10. Dezember in die Vereinigten Staaten, wo Fermi eine Professur an der Columbia University antrat.
In Deutschland hatte man inzwischen entdeckt, dass beim Neutronenbeschuss von Uran zwei Produkte mit ähnlichem Atomgewicht entstehen. Erwartet hatte man ein Produkt, das dem Uran im Periodensystem nahe steht, sowie kleine Zerfallsprodukte. Die nun stattfindende Reaktion wurde passender als Spaltung und nicht als Zerfall bezeichnet.
Fermi begann die Auswirkungen dieser Nachricht zu verstehen und stellte die Hypothese auf, dass die Spaltung eines Uranatoms durch ein Neutron zur Freisetzung von zwei Neutronen führt. Jedes dieser Neutronen würde dann ein weiteres Atom spalten, wodurch vier Neutronen freigesetzt würden, und so weiter. Diese sich selbst wiederholende Kettenreaktion würde eine enorme Energie erzeugen. Die Bedeutung dieses Phänomens blieb der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht verborgen. In einer Atmosphäre des drohenden Krieges erschien die Möglichkeit neuer Waffen von unvorstellbarer Intensität.
Fermi begann, seine Hypothese an der Columbia University zu testen, indem er das dortige Zyklotron als Neutronengenerator benutzte; innerhalb weniger Monate wurde Fermis Hypothese bestätigt.
Kriegsarbeit
Auch anderswo nahm die Kriegsgefahr zu, und die deutschen Wissenschaftler hatten Erfahrung mit der Kernspaltung. Eine waffentechnische Anwendung dieses Phänomens lag zwar in weiter Ferne, aber es gab sie. Diese Überlegungen veranlassten die Columbia-Physiker, Albert Einstein um Hilfe zu bitten, um die Regierung der Vereinigten Staaten über die Entwicklungen zu informieren. Präsident Roosevelt reagierte mit der Einsetzung eines Beratenden Ausschusses für Uran (Uranium Committee).
Zu diesem Zeitpunkt befanden sich Großbritannien und seine Kolonien im Krieg mit Deutschland und sechs Monate später auch mit Italien. Mit dem Kriegseintritt der Vereinigten Staaten am 8. Dezember 1941 wurde Fermis Forschung zur „Kriegsarbeit“. Am 12. Oktober 1942 wurde der Feindstatus für Italiener aufgehoben; Fermi wurde am 11. Juli 1944 Staatsbürger der Vereinigten Staaten.
Atomic Pile
An der Columbia setzten Fermi und sein Team ihre Untersuchungen über die Machbarkeit kontrollierter Kettenreaktionen durch Kernspaltung fort. Die Experimente führten sie zum Bau eines „Atommeilers“, der aus einem Stapel reiner Graphitsteine bestand, die eine Neutronenquelle umgaben. Dieser erste Schritt ermöglichte die Untersuchung der Auswirkungen von Graphit auf die Neutronenaktivität: Absorption und Reemission, Mengen, Spaltungen. Der zweite Schritt war die Zugabe von Uran zum Experiment. Der ursprüngliche Stapel wurde wieder aufgebaut, wobei einige der Graphitsteine mit Uranstücken bestückt wurden. Die Beobachtungen über die Wirkung von Graphit wurden fortgesetzt. Die Ergebnisse zeigten Fermi, dass ein größerer Stapel als die derzeitige „Pilot“-Version benötigt wurde, um eine messbare nukleare Kettenreaktion zu erzeugen, und die Suche nach größeren Anlagen begann.
Die Expansion an der Columbia wurde durch die Entscheidung der US-Regierung gebremst, die Atomforschung zu beschleunigen und zu zentralisieren. Fermis Arbeit wurde schließlich 1942 an die Universität von Chicago verlagert. Alle Arbeiten an diesem Ort, der ablenkend als Metallurgisches Laboratorium bezeichnet wurde, waren geheimnisumwittert. Die Physiker, die sich in der neuen Einrichtung versammelten, konzentrierten sich auf die atomare Grundlagenforschung als Teil des neu benannten Manhattan-Projekts, dem ersten Beispiel für „Big Science“, bei dem Forschung, Materialproduktion und Hilfspersonal zusammengelegt und auf ein einziges Ziel ausgerichtet wurden.
Jetzt hatte Fermi den nötigen Platz für seinen erweiterten Atommeiler. Dieser Raum – etwa 200 Quadratfuß groß und mehr als 26 Fuß hoch im ungenutzten Squash-Court unter der Westtribüne des Stagg Field Stadium inmitten einer Stadt mit mehr als 3 Millionen Einwohnern – war zu dauerhaftem Ruhm bestimmt.
Die Fermi-Gruppe in Chicago baute und untersuchte kleine Meiler und war zuversichtlich, dass alle Parameter zur Schaffung eines Meilers mit der kritischen Größe und Zusammensetzung für eine anhaltende Kettenreaktion bekannt waren. In einem Zeitraum von nur sechs Wochen wurde der endgültige Meiler gebaut, der knapp 26 Fuß hoch und vollständig von einem riesigen quadratischen Ballon aus gummiertem Stoff umhüllt war. Am 2. Dezember 1942 leitete Fermi die historische Operation, indem er die schrittweise Entfernung der Steuerstäbe anordnete und den damit verbundenen Anstieg der Radioaktivität überwachte. Als alles nach Plan verlief, verkündete Fermi, ein Gewohnheitstier, eine Mittagspause. Nach der Mittagspause wurde die Arbeit wieder aufgenommen, und um 3.20 Uhr war der letzte Steuerstab vorsichtig in Schritten von einem Fuß herausgezogen worden, als Fermi die endgültige Anweisung gab, ihn vollständig zu entfernen. Alle Überwachungsinstrumente zeigten steigende Radioaktivität an – die Kettenreaktion der kontrollierten Kernspaltung war gelungen!
Die Erfolgsmeldung, die der Direktor Arthur Compton an das Büro für wissenschaftliche Forschung und Entwicklung schickte, lautete: „Der italienische Navigator hat die Neue Welt erreicht.“ Zur Feier des Tages wurde mit Chianti angestoßen.
In der Zwischenzeit war das Crash-Programm zur Entwicklung von Waffen, die diese Errungenschaft beinhalteten, fortgesetzt worden. Eine Atombombe mit einer unkontrollierten nuklearen Explosion war geplant.
Mr. Farmer
Fermi reiste nun durch das Land und besuchte für die Kriegsanstrengungen wichtige Standorte – Hanford, Oak Ridge, Argonne und Los Alamos. Er verdiente sich auch einen ständigen Leibwächter, John Baudino, und den Codenamen „Mr. Farmer“. Im Sommer 1944 zog die Familie Fermi von Chicago nach Los Alamos. Dort blieben sie bis zum 31. Dezember 1945.
Am 16. Juli 1945 fand der erste Atombombentest in Trinity in der Wüste von New Mexico statt. Fermi beobachtete ihn vom Basislager aus, das etwa 10 Meilen vom Ort der Explosion entfernt war. Er beschrieb, dass er ein breites Brett mit einem dunklen Schweißglaseinsatz hatte, um sein Gesicht zu schützen, und dass er das Hitzegefühl an den exponierten Stellen seines Körpers spürte.
Der Wissenschaftler Fermi fragte sich, wie stark die Explosion war. Er beschrieb den einfachen Test, den er durchführte:
„Etwa 40 Sekunden nach der Explosion erreichte mich der Luftstoß. Ich versuchte, ihre Stärke abzuschätzen, indem ich vor, während und nach dem Durchgang der Druckwelle kleine Papierstücke aus etwa sechs Fuß Höhe fallen ließ. Da zu diesem Zeitpunkt kein Wind wehte, konnte ich die Verschiebung der Papierstücke, die während des Durchgangs der Druckwelle fielen, sehr deutlich beobachten und sogar messen. Die Verschiebung betrug etwa 2,5 Meter, was, so schätzte ich damals, der Druckwelle entspricht, die von zehntausend Tonnen T.N.T. erzeugt würde. „1
Nach der Explosion untersuchte Fermi den Krater mit einem Durchmesser von 800 ft. Durchmesser von der Sicherheit eines mit Blei ausgekleideten Sherman-Panzers aus und bemerkte die glatte Wüstenoberfläche – der Sand war geschmolzen und hatte sich wieder verfestigt.
Eine alternative Verwendung
Am 6. August 1945 wurde die Atombombe auf Hiroshima abgeworfen und die nächste drei Tage später auf Nagasaki. Japan kapitulierte am 14. August und beendete damit den sechsjährigen Zweiten Weltkrieg. Deutschland hatte bereits am 7. Mai 1945 kapituliert. Obwohl deutsche Wissenschaftler bei der Entdeckung und Identifizierung der Kernspaltung eine führende Rolle gespielt hatten, waren ihre Bemühungen um die Anwendung im Krieg nicht erfolgreich.
Atomwissenschaftler hatten auch auf die friedensmäßige Nutzung der Kernspaltung als Alternative zu Öl und Kohle hingewiesen, um die Wärmeenergie zur Erzeugung von Dampf für Turbinen bei der Stromerzeugung bereitzustellen. Ein Programm zum Bau von Kernkraftwerken begann.
Zurück im Chicago der Nachkriegszeit wurde Fermi Professor am Institut für Nuklearstudien der Universität. Sein Interesse galt nun der Natur und dem Ursprung der kosmischen Strahlung: die hochenergetischen, schnellen Teilchen, die die Erde aus dem Weltraum beschießen. Mit dem Bau des riesigen Zyklotrons in Chicago im Jahr 1947 wurde eine geeignete Quelle für die Untersuchung subatomarer Teilchen geschaffen. Fermi stellte die Theorie auf, dass die Teilchen der kosmischen Strahlung durch Kollisionen mit Magnetwolken im Weltraum entstehen und ihre Geschwindigkeit erhöhen. Der Fermi-Walker-Transportprozess beschreibt diesen Zustand im Sinne der allgemeinen Relativitätstheorie.
Enrico Fermi starb am 28. November 1954 in Chicago an Magenkrebs. Seitdem hat die Erforschung des Weltraums immer mehr zugenommen, und jetzt wird die kosmische Strahlung im Weltraum direkt untersucht. Hardware zur künstlichen Erzeugung kosmischer Strahlung ist nicht mehr notwendig, aber diejenigen, die neue Theorien entwickeln, stehen auf den Schultern von Fermi, wenn es darum geht, das Wissen über das Universum der subatomaren Teilchen zu erweitern.
Hintergrund
Fermi wuchs in einer Zeit auf, in der neue Theorien und Ideen in der Atomphysik aufkamen. Thomsons Entdeckung des Elektrons wurde 1897 gemacht; 1910 kam Rutherfords Erkenntnis des zentralen, winzigen Kerns, der die gesamte Masse und positive Ladung des Atoms enthält; Chadwicks Entdeckung des Neutrons; dann beschrieb Pauli das Verhalten der drei Teilchenarten, aus denen das Atom besteht: Elektron, Proton und Neutron.
Enrico Fermi, der Wissenschaftler schlechthin, kombinierte während seiner gesamten Laufbahn seine Begabung für theoretische Schlussfolgerungen und Experimente, beginnend mit der reinen Theorie der Fermi-Dirac-Statistik über die Ableitung experimenteller Ergebnisse beim Neutronenbeschuss, erfolgreiche Entwürfe von Atommeilern, die Erklärung der Endergebnisse der Kernspaltung bis hin zu den Gründen für die Beschleunigung der kosmischen Strahlung.
Fermi-Dirac-Statistik
Während seines Postgraduiertenstudiums an der Universität Göttingen entwickelte Fermi das eindeutige statistische Modell, das auf dem Verhalten eines perfekten Gases basiert, die Aktionen großer Wolken von Elektronen vorhersagt und zeigt, dass sie eine andere Aktivität als andere subatomare Teilchen haben – eine grundlegende Eigenschaft der Materie. Solche Elementarteilchen, die Grundelemente der Materie, werden nach Fermi Fermionen genannt.
Betazerfall
„Alpha-“ und „Beta“-Strahlung war die Bezeichnung für die neu entdeckten Phänomene zu Beginn der Radioaktivitätsforschung. Genauer gesagt ist das Alpha-Teilchen der Kern des Helium-Atoms mit zwei Protonen und zwei Neutronen, und das viel energiereichere Beta-Teilchen ist ein Elektron, das aus dem Atom freigesetzt wird.
Die Fermi-Theorie des Beta-Zerfalls beschreibt die Zerfalls- oder Übergangswahrscheinlichkeit in Bezug auf die Statistik der Kernkräfte zum Zeitpunkt des Zerfalls. In seiner Berechnung schlug Fermi ein neues Teilchen, das Neutrino, vor, um den während des Prozesses beobachteten geringen Verlust an Elektronenenergie zu erklären und den Grundsatz der Energieerhaltung zu wahren.
Fünfundzwanzig Jahre nach Fermis Theorie wurde ein detailliertes Verständnis des Betazerfallsmechanismus erreicht und die Theorie bestätigt. Diese Theorie wird auch als Fermis Goldene Regel bezeichnet.
Schleichende Neutronen
Natürliche Radioaktivität wurde 1896 von Becquerel entdeckt und zwei Jahre später von Pierre und Marie Curie durch die Isolierung von Polonium und Radium charakterisiert. Die künstliche Radioaktivität wurde etwa dreißig Jahre später von ihrer Tochter Irene und ihrem Mann Frederic Joliot entdeckt. In einem Experiment beschossen sie Bor mit Alphateilchen, wandelten einen Teil davon in Stickstoff um und bestätigten, dass die Radioaktivität des Bors auf den Stickstoff überging. Diese Methode war auch bei Aluminium wirksam, nicht aber bei schwereren Elementen, da die Energie der Alphateilchen zu gering ist. Alphateilchen haben als „Geschosse“ Nachteile. Da es sich um positiv geladene Heliumkerne handelt, werden sie durch elektrische Interferenzen von umliegenden Elektronen gebremst und stoßen auf den Widerstand der positiv geladenen Zielkerne. Ihre Geschwindigkeit, Leistung und effektive Entfernung sind geringer.
Ausgehend von diesen Informationen spekulierte Enrico Fermi, dass Neutronen mit neutraler Polarität und höherer Geschwindigkeit effektivere „Geschosse“ abgeben würden als Alphateilchen. Sein experimenteller Ansatz bestand darin, sich methodisch durch das Periodensystem zu bewegen und jedes Element einem Neutronenbeschuss zu unterziehen.
Die erste Hürde bestand darin, eine zuverlässige Quelle für Neutronen zu finden, die aus den Kollisionen von Alphateilchen mit bestimmten Elementen gewonnen werden. Fermi nahm Radon aus dem Zerfall einer Radiumquelle, mischte es mit Berylliumpulver und verschloss es in einem Glasrohr. Das Rohr war seine Neutronenquelle. Er baute den Geigerzähler, mit dem die Radioaktivität gemessen wurde, und entwickelte chemische Verfahren, um die durch den Zerfall entstandenen Elemente zu trennen und zu identifizieren.
Fluor, das neunte, war das erste Element, das durch Neutronenbeschuss Radioaktivität aufwies; Ziel war es, möglichst viele der 92 natürlich vorkommenden Elemente des Periodensystems zu untersuchen.
Die Methode bestand darin, eine Probe zu beschießen, die resultierende Radioaktivität zu messen, die bestrahlte Probe chemisch zu trennen und die Radioaktivität jedes getrennten Elements zu messen. Es zeigte sich, dass das Element, das nach dem Zerfall vorhanden war, eine ähnliche Ordnungszahl aufwies wie die ursprüngliche Zielprobe. Dieses Ergebnis galt so lange, bis es sich bei der Zielprobe um Uran handelte; die Mischung nach der Bombardierung enthielt eine Reihe von Elementen, darunter eines mit dem Atomgewicht 93. Ein neues Element – sogar ein instabiles – war offenbar entstanden.
Der nächste Durchbruch gelang dem Team, als ein Wissenschaftler feststellte, dass die Platzierung der Probe und der Objekte in ihrer Umgebung das Strahlungsergebnis beeinflusste. Davon fasziniert, begann das Team einen neuen Weg der Untersuchung, indem es die Materialien zwischen der Neutronenquelle und einem Silber-Target variierte und die daraus resultierende Radioaktivität maß.
Während der Experimente schlug Fermi vor, ein leichtes Material, wie Paraffin, als Zwischenmaterial um die Neutronenquelle herum zu verwenden, anstelle des Schwermetalls Blei. Die Ergebnisse waren verblüffend – die Radioaktivität des Silbers stieg um das Hundertfache. Fermis Theorie aus diesen Ergebnissen führte das Konzept des langsamen Neutrons ein.
Paraffinwachs, ein festes Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, enthält einen hohen Anteil an Wasserstoffatomen. Die Kerne dieser Atome, einzelne Protonen, sind von der Masse her gleich den Neutronen. Wenn Neutronen in das Wachs eindringen, sorgt der hohe Wasserstoffgehalt für eine große Anzahl von Zusammenstößen, und die ähnliche Teilchengröße verlangsamt die Geschwindigkeit der Neutronen bei den Zusammenstößen. Die „langsamen“ Neutronen, die auf das Ziel treffen, werden mit größerer Wahrscheinlichkeit mit Silberatomen kollidieren; die vermehrten Kollisionen führen zu höherer Radioaktivität.
Bei diesen Experimenten lag das Hauptaugenmerk von Fermis Team darauf, nach periodisch benachbarten Elementen aus der Zersetzung zu suchen und nicht nach weiter entfernten Elementen im Periodensystem. Die Möglichkeit anderer Zersetzungsprodukte blieb unbemerkt. Hahn, Strassman und Meitner entdeckten zwei Jahre später, dass die Bestrahlung von Uran eine Kernspaltung verursacht. Daraus wurde gefolgert, dass das neue Element, das man für entdeckt hielt, in Wirklichkeit ein Gemisch aus den Zerfallsprodukten des Urans war.
Kettenreaktion
Als Fermi von der Entdeckung der Kernspaltung erfuhr, fügte er in Zusammenarbeit mit Szilard sofort eine neue Hypothese zu seiner Liste hinzu. Seine vorläufige Erklärung für die hohe Energie, die das Uranatom bei der Spaltung erzeugte, ging davon aus, dass das ursprüngliche einzelne Atom, das die Spaltung verursachte, zwei Neutronen produzierte. Es wäre möglich, dass diese beiden dann mit anderen Uranatomen kollidieren und vier Neutronen erzeugen, so dass die Reaktionskette und die Anzahl der Neutronen wachsen würden. Dieser Prozess würde sich fortsetzen, bis alle Uranatome verbraucht wären. Bei jeder Kernkollision werden riesige Mengen an Energie freigesetzt.
Fermis Hypothese beschrieb einen Idealzustand. Man musste sich darüber im Klaren sein, dass in realen Situationen die Energieproduktion und die Reaktionsgeschwindigkeit durch verpasste Kollisionen aufgrund der hohen Kerngeschwindigkeit und der verlangsamten Wechselwirkung durch die Absorption innerhalb des Kerns verringert werden würden, wie Fermi bereits in seinen Paraffinexperimenten entdeckt hatte.
Um diese Hypothese experimentell zu bestätigen, brauchte man eine zuverlässige Neutronenquelle, ein geeignetes Gefäß zur Aufnahme der Kettenreaktion und eine Methode zur Kontrolle oder Dämpfung der Reaktionsgeschwindigkeit. Die Neutronenquelle wurde durch Beschuss von Beryllium mit hochbeschleunigten Deuteronen (Deuterium-Atomkerne) erzeugt, die in einem Zyklotron erzeugt wurden. Das Gefäß war ein raumgroßer Stapel aus hochreinem Graphit, der mit einem Urangitter geimpft war, und die Moderatoren waren herausnehmbare Graphitstäbe, die in Abständen in den Stapel eingesetzt wurden.
Die Kettenreaktion tritt bei der kritischen Masse ein, d.h. an dem Punkt, an dem gerade genügend Neutronen vorhanden sind, um die Reaktion aufrechtzuerhalten, nachdem der Neutronenverlust aus dem Stapel durch Entweichen und Absorption berücksichtigt wurde. Der Meiler, in dem die erste Kettenreaktion stattfand, war ein kugelförmiger Meiler mit einem Durchmesser von fast 30 Metern.
Credits
Die Präsentation von Enrico Fermi wird durch die Unterstützung der Barra Foundation und Unisys ermöglicht.
Diese Website ist das Werk eines internen Sonderprojektteams am Franklin Institute, das unter der Leitung von Carol Parssinen, Senior Vice-President für das Center for Innovation in Science Learning, und Bo Hammer, Vice-President für das Franklin Center, arbeitet.
Spezielle Projektteammitglieder aus der Abteilung für Bildungstechnologie sind:
Karen Elinich, Barbara Holberg und Margaret Ennis.
Die Mitglieder des Projektteams aus der Kuratoriumsabteilung sind:
John Alviti und Andre Pollack.
Die Mitglieder des Projektbeirats sind:
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger und Susan Yoon.