Introducción
Nacido en 1901, Enrico Fermi fue realmente un científico del siglo XX. La historia de su infancia, educación y carrera parece familiar y «moderna». Como muchos científicos brillantes de su época, Fermi vio los acontecimientos que ocurrían en Europa como un incentivo más para trabajar en América. La pérdida de Europa fue la ganancia de América. En Nueva York y Chicago, Fermi encontró el entorno y la tecnología que necesitaba para avanzar y demostrar sus teorías. En 1947, Fermi era un científico célebre, conocido en todo el mundo por sus avances en física teórica y experimental.
¿Quién era Enrico Fermi? ¿Cuáles fueron sus contribuciones a la física teórica y experimental?
Un estudiante excepcional
Enrico Fermi nació el 29 de septiembre de 1901 en Roma, Italia; era el menor de los tres hijos de Alberto Fermi, funcionario de ferrocarriles, y de Ida de Gattis, una maestra de primaria con firmes expectativas.
La muerte de su hermano, Giulio, en 1915 durante una operación quirúrgica menor fue un golpe demoledor para la familia. Mientras su madre estaba profundamente afligida, Enrico llenó el vacío que sentía con el estudio. La lectura de textos de física y matemáticas se convirtió en su afición. Su esposa, Laura Fermi, describió en una ocasión cómo Enrico solía sentarse sobre las manos para mantenerse caliente en casa mientras estudiaba y cómo «pasaba las páginas de su libro con la lengua».
Un colega de su padre, Ingegner Amidei, animó al joven Enrico en sus estudios y lo dirigió a la Reale Scuolo Normale Superiore, una filial de la Universidad de Pisa, que se dirigía específicamente a estudiantes prometedores y con talento y los admitía a través de oposiciones. Cuando Enrico Fermi presentó un ensayo sobre cuerdas vibrantes que asombró al profesor examinador, fue admitido en la escuela y declarado «excepcional». Entonces, a los 17 años, se trasladó de Roma a Pisa, el lugar de los famosos experimentos de Galileo cientos de años antes.
Mientras estaba en la Universidad de Pisa, Fermi avanzó en su enfoque teórico de la espectroscopia. En julio de 1922 se doctoró en la universidad con su tesis sobre la investigación de los rayos X.
Fine Young Scientist
De vuelta a Roma, Fermi conoció a Orso Mano Corbino, director de la escuela de ingeniería de la Universidad de Roma y senador del gobierno de la nación. El gobierno italiano concedió a Fermi becas y ayudas que le permitieron realizar estudios avanzados con dos especialistas en mecánica cuántica: El profesor Max Born, el Nobel de Física, en la Universidad de Gottingen y el Dr. Paul Ehrenfest en la Universidad de Leiden. Werner Heisenberg fue compañero de clase en Gottingen.
De regreso a Italia en 1924, cuando se estaba formando el gobierno fascista de Mussolini, Fermi, que seguía siendo un protegido de Corbino, aceptó el puesto especialmente creado como Cátedra de Física Teórica en la Universidad de Roma. El objetivo de Corbino era restablecer el disminuido prestigio científico de Italia y comenzó a reclutar a los mejores científicos jóvenes para que Fermi construyera un departamento de física excepcional.
Al principio, el grupo de Fermi trabajó con fenómenos espectroscópicos y mecánica cuántica. En esta época, antes del descubrimiento del neutrón y mientras aún se desarrollaba la teoría cuántica, Fermi centró su atención en las propiedades de los electrones. Su teoría de la estadística de Fermi se refiere a la probabilidad de distribución de los electrones en determinados niveles del átomo. Determinó que sus fermiones homónimos, las partículas subatómicas básicas de la materia, obedecen al principio de exclusión de Pauli.
Laura Capon, estudiante de química, y Enrico Fermi se casaron en 1928 y sus hijos, Nella y Giulio, nacieron en 1931 y en 1936.
Fermi visitó por primera vez los Estados Unidos en 1930 para intervenir en un simposio de verano sobre teoría cuántica; volvió en los veranos de 1933 y 1935 hasta 1937.
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De lo teórico a lo experimental
Tras el descubrimiento del neutrón en 1932 y el de la radiactividad artificial en 1934, Fermi decidió experimentar para producir radiactividad artificial sustituyendo el método de las partículas alfa que habían utilizado los científicos franceses por el bombardeo de neutrones. Esto significó un cambio en su prioridad académica, pasando de la ciencia teórica a la experimental.
Diseñó un procedimiento para producir neutrones a partir de la combinación de radón y berilio, construyó un contador Geiger para medir la radiactividad producida y comenzó a bombardear elementos, procediendo sistemáticamente a través de la Tabla Periódica. El primer éxito en la detección de radiactividad se produjo con el flúor (número atómico=9) y el más notable fue con el uranio (número atómico=92). La desintegración del uranio produjo un elemento fugaz e inestable de número atómico 93, cuya existencia nunca se había conocido. El descubrimiento fue seguido de una publicidad mundial inmediata sobre este «nuevo elemento», pero Fermi consideró esta publicidad prematura e inapropiada. Consideró igualmente injustificadas las afirmaciones de que el éxito científico se debía al entorno fascista. El impacto total del descubrimiento de la desintegración del uranio llegaría unos años más tarde.
Descubrimiento
Las investigaciones continuaron y en octubre de 1934 se observaron resultados erráticos durante los experimentos de irradiación de la plata. La radiactividad resultante del metal dependía de su colocación dentro del recipiente protector de plomo. Así que se pusieron en marcha experimentos para comparar la radiactividad producida cuando se introducían diversos materiales entre la fuente de radón y el blanco de plata. El 22 de octubre, como alternativa al pesado metal de plomo que mostraba un ligero aumento de la actividad, Fermi sugirió un material ligero: la cera de parafina. Su elección accidental funcionó bien. El contador Geiger mostró que la radiactividad artificial de esta muestra de plata aumentaba hasta cien veces, y el entusiasmo creció. La explicación de Fermi fue que los múltiples átomos de hidrógeno de la parafina «ralentizaban» los neutrones hasta un estado que permitía muchas más colisiones con los átomos de plata. La siguiente posibilidad asombrosa de una exposición a la radiación controlada o «aprovechada» mediante el bombardeo de neutrones estaba cerca.
Viendo las ramificaciones de este descubrimiento, Corbino insistió en que se solicitara una patente inmediatamente. La solicitud se presentó el 26 de octubre de 1934.
Los trabajos posteriores a este trascendental descubrimiento, pero el grupo de científicos se dispersó gradualmente a medida que el ritmo de la experimentación se ralentizaba; la mayoría viajó a Norteamérica. El incierto clima político en Italia y la probabilidad de una guerra pesaban sobre los Fermis. Con el Eje Roma-Berlín en marcha, en 1938 comenzó una cruzada de antisemitismo. Laura Fermi era judía.
Energía tremenda
El 10 de noviembre de 1938, Enrico Fermi recibió el Premio Nobel de Física por su «identificación de nuevos elementos radiactivos y su descubrimiento, realizado en relación con este trabajo, de las reacciones nucleares efectuadas por neutrones lentos». Ya conocía esta posibilidad y había estado en contacto con universidades estadounidenses sobre las posibilidades de empleo. La familia Fermi recibió el permiso del gobierno para viajar a Estocolmo para la entrega del Premio Nobel. No regresaron a Italia. En su lugar, tras visitar a Niels Bohr en Copenhague, se embarcaron el 10 de diciembre con destino a Estados Unidos y a la nueva cátedra de Fermi en la Universidad de Columbia.
Mientras tanto, en Alemania, se había descubierto que el bombardeo de uranio con neutrones da lugar a dos productos de peso atómico similar. La expectativa había sido un producto cercano al uranio en la Tabla Periódica más pequeños productos de desintegración. La reacción que se producía ahora se describía más apropiadamente como fisión, no desintegración.
Fermi empezó a comprender las implicaciones de esta noticia y pasó a hipotetizar que la división de un átomo de uranio con un neutrón da lugar a la liberación de dos neutrones. Cada uno de estos neutrones dividiría a su vez otro átomo dando lugar a cuatro neutrones, y así sucesivamente. Esta reacción en cadena que se autoperpetúa produciría una enorme energía. Su importancia no pasó desapercibida para la comunidad científica. En un ambiente de guerra inminente, aparecía la posibilidad de nuevas armas de una intensidad inimaginable.
Fermi comenzó a probar su hipótesis en la Universidad de Columbia utilizando el ciclotrón de la misma como generador de neutrones; en pocos meses, la hipótesis de Fermi fue confirmada.
Trabajos de guerra
En otros lugares, el peligro de guerra iba en aumento, los científicos alemanes tenían experiencia con la fisión nuclear. Aunque las aplicaciones armamentísticas de este fenómeno eran remotas, existían. Tales consideraciones llevaron a los físicos de Columbia a solicitar la ayuda de Albert Einstein para informar al gobierno de los Estados Unidos de los avances. El presidente Roosevelt reaccionó creando un Comité Asesor sobre el Uranio (el Comité del Uranio).
Para entonces, Gran Bretaña y sus colonias estaban en guerra con Alemania y, seis meses después, también con Italia. La investigación de Fermi se convirtió en «trabajo de guerra» al entrar Estados Unidos en la guerra el 8 de diciembre de 1941. También se convirtió automáticamente en un «extranjero enemigo» con las complicaciones que ello conllevaba.
El 12 de octubre de 1942 se levantó el estatus de «enemigo» para los italianos; Fermi se convirtió en ciudadano de los Estados Unidos el 11 de julio de 1944.
Pila atómica
En Columbia, Fermi y su equipo continuaron las investigaciones sobre la viabilidad de las reacciones en cadena controladas a partir de la fisión nuclear. La experimentación les llevó a construir una «pila atómica», empezando por una pila de ladrillos de grafito puro alrededor de una fuente de neutrones. Este primer paso permitió examinar el efecto del grafito en la actividad de los neutrones: absorción y reemisión, cantidades, fisiones. El segundo paso fue la adición de uranio al experimento. La pila original se reconstruyó con algunos de los ladrillos de grafito sembrados con trozos de uranio. Se reanudaron las observaciones sobre el efecto del grafito. Los resultados mostraron a Fermi que se necesitaba una pila más grande que la versión «piloto» actual para producir una reacción nuclear en cadena medible, y comenzó la búsqueda de instalaciones más grandes.
La expansión en Columbia se vio frenada por la decisión del gobierno estadounidense de acelerar y centralizar la investigación atómica. El trabajo de Fermi se trasladó finalmente a la Universidad de Chicago en 1942. El secreto cubría todos los esfuerzos en este lugar, llamado divertidamente Laboratorio Metalúrgico. Los físicos que se reunieron en las nuevas instalaciones se concentraron en la investigación atómica fundamental como una rama del recién llamado Proyecto Manhattan, el primer caso de «gran ciencia» con la investigación, la producción de materiales y el personal de apoyo consolidados y dirigidos a un único objetivo.
Ahora, Fermi tenía el espacio necesario para su pila atómica ampliada. Ese espacio -unos 200 pies cuadrados de superficie y más de 26 pies de altura en la pista de squash no utilizada bajo las gradas occidentales del estadio Stagg Field, en medio de una ciudad de más de 3 millones de habitantes- estaba destinado a alcanzar una fama duradera.
El grupo de Fermi en Chicago construyó y examinó pequeñas pilas, llegando a confiar en que se conocían todos los parámetros para crear una pila del tamaño y composición críticos para una reacción en cadena sostenida. En un período de sólo seis semanas, se construyó la pila final, de poco menos de 26 pies de altura y completamente encerrada en un enorme globo cuadrado de tela engomada. El 2 de diciembre de 1942, Fermi dirigió la histórica operación, dirigiendo la retirada gradual de las barras de control y vigilando el consiguiente aumento de la radiactividad. Como todo iba según lo previsto, Fermi, un animal de costumbres, declaró una pausa para el almuerzo. El trabajo se reanudó después del almuerzo y a las 3:20 de la tarde se había retirado cuidadosamente la última barra de control en incrementos de un pie cuando Fermi dio la instrucción final de retirarla completamente. Todos los instrumentos de control mostraban un aumento de la radiactividad: ¡se había logrado una reacción de fisión nuclear en cadena controlada!
El mensaje que informaba del éxito enviado por el director, Arthur Compton, a la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico decía: «El Navegante Italiano ha llegado al Nuevo Mundo». Se brindó con Chianti para celebrarlo.
Mientras tanto, el programa de choque para desarrollar armas que incorporaran este logro había seguido adelante. El Sr. Farmer
Fermi viajaba ahora por todo el país visitando lugares cruciales para la guerra: Hanford, Oak Ridge, Argonne y Los Álamos. También se hizo merecedor de un guardaespaldas constante, John Baudino, y del nombre en clave «Mr. Farmer». En el verano de 1944, la familia Fermi se trasladó de Chicago a Los Álamos. Allí permanecieron hasta el 31 de diciembre de 1945.
El 16 de julio de 1945 fue la fecha de la primera prueba de la bomba atómica en Trinity, en el desierto de Nuevo México. Fermi la observó desde el campamento base a unos 16 kilómetros del lugar de la explosión. Describió que tenía una tabla ancha con una inserción de vidrio de soldadura oscura para protegerse la cara y que sentía la sensación de calor en las partes expuestas de su cuerpo.
Siendo siempre un científico, Fermi se preguntaba sobre la fuerza de la explosión. Describió la sencilla prueba que realizó:
«Unos 40 segundos después de la explosión me llegó el chorro de aire. Intenté calcular su fuerza dejando caer desde unos dos metros pequeños trozos de papel antes, durante y después del paso de la onda expansiva. Como en ese momento no había viento, pude observar muy claramente y medir realmente el desplazamiento de los trozos de papel que estaban en proceso de caída mientras pasaba la explosión. El desplazamiento fue de unos 2,5 metros, lo que, en ese momento, estimé que correspondía a la explosión que producirían diez mil toneladas de T.N.T. «1
Después de la explosión, Fermi examinó el cráter de 800 pies de diámetro desde la seguridad de un avión. de diámetro desde la seguridad de un tanque Sherman revestido de plomo, observando la superficie vidriada del desierto: la arena se había derretido y vuelto a consolidar.
Un uso alternativo
El 6 de agosto de 1945 se lanzó la bomba atómica sobre Hiroshima y la siguiente sobre Nagasaki tres días después. Japón se rindió el 14 de agosto, poniendo fin a los seis años de la Segunda Guerra Mundial. Alemania se había rendido antes, el 7 de mayo de 1945. Aunque los científicos alemanes se habían destacado en el descubrimiento e identificación de la fisión nuclear, sus esfuerzos de aplicación en tiempos de guerra no habían tenido éxito.
Los científicos atómicos también habían señalado el uso en tiempos de paz de la fisión nuclear como una alternativa al petróleo y al carbón para proporcionar la energía de transferencia de calor para crear vapor para las turbinas en la generación de electricidad. Se inició un programa de construcción de centrales nucleares.
De vuelta al Chicago de la posguerra, Fermi se convirtió en profesor del Instituto de Estudios Nucleares de la universidad. Su interés se centraba ahora en la naturaleza y el origen de los rayos cósmicos: las partículas de alta energía y alta velocidad que bombardean la tierra desde el espacio exterior. La construcción del ciclotrón gigante de Chicago en 1947 proporcionó una fuente conveniente de partículas subatómicas para su estudio. Fermi teorizó que las partículas de los rayos cósmicos comienzan y adquieren su velocidad a partir de colisiones con nubes de magnetismo en el espacio exterior. El proceso de transporte Fermi-Walker describe esta condición en términos de relatividad general.
Enrico Fermi murió en Chicago de cáncer de estómago el 28 de noviembre de 1954. Desde entonces, la exploración espacial ha crecido y aumentado, y ahora, los rayos cósmicos en el espacio están siendo examinados directamente. El hardware para crear artificialmente los rayos cósmicos ya no es esencial, pero los que desarrollan nuevas teorías se apoyan en los hombros de Fermi para ampliar el conocimiento del universo de las partículas subatómicas.
Antecedentes
Fermi creció en una época floreciente de nuevas teorías e ideas en física atómica. En 1897 se produjo el descubrimiento del electrón por parte de Thomson; en 1910 llegó la percepción de Rutherford del núcleo central y diminuto que contiene toda la masa y la carga positiva del átomo; el descubrimiento del neutrón por parte de Chadwick; y luego Pauli describiendo el comportamiento de los tres tipos de partículas que componen el átomo: electrón, protón y neutrón.
Enrico Fermi, el científico completo, combinó sus aptitudes tanto para la deducción teórica como para la experimentación a lo largo de su carrera, comenzando con la teoría pura de la estadística de Fermi-Dirac a través de las deducciones de los resultados experimentales en el bombardeo de neutrones, los diseños exitosos de las pilas atómicas, la explicación de los resultados finales de la fisión nuclear y terminando con las razones de la aceleración de los rayos cósmicos.
Estadística de Fermi-Dirac
Durante su estudio de postgrado en la Universidad de Gottingen, Fermi desarrolló el distinto modelo estadístico basado en el comportamiento de un gas perfecto, prediciendo las acciones de grandes nubes de electrones y demostrando que tienen una actividad diferente a la de otras partículas subatómicas, una característica fundamental de la materia. Tales partículas elementales, los elementos básicos de la materia, reciben el nombre de fermiones en honor a Fermi.
Decadencia beta
La radiación «alfa» y «beta» fue la descripción que se dio a los fenómenos recién descubiertos al principio de la investigación sobre la radiactividad. Más exactamente, la partícula alfa es el núcleo de los átomos de helio que tiene dos protones y dos neutrones, y la partícula beta, de energía mucho mayor, es un electrón liberado del átomo.
La teoría de Fermi de la desintegración beta describe la probabilidad de desintegración, o transición, en términos de la estadística de las fuerzas nucleares en el momento de la desintegración. En su cálculo, Fermi propuso una nueva partícula, el neutrino, para explicar la ligera pérdida de energía del electrón observada durante el proceso y preservar el principio de conservación de la energía.
Veinticinco años después de la teoría de Fermi, se alcanzó una comprensión detallada del mecanismo de desintegración beta y se confirmó la teoría. Esta teoría también se llama la Regla de Oro de Fermi.
Nutrones lentos
La radiactividad natural fue descubierta por Becquerel en 1896 y caracterizada por Pierre y Marie Curie dos años después en su aislamiento del polonio y el radio. La radiactividad artificial fue descubierta unos treinta años después por su hija, Irene, y su marido, Frederic Joliot. En un experimento, bombardearon boro con partículas alfa, convirtiendo parte de él en nitrógeno y confirmando después que la radiactividad del boro se transfería al nitrógeno. Este método también fue eficaz con el aluminio, pero no con los elementos más pesados debido a la baja energía de las partículas alfa. Las partículas alfa tienen inconvenientes como «balas». Al tratarse de núcleos de helio con carga positiva, se ven frenadas por las interferencias eléctricas de los electrones circundantes y encuentran resistencia en los núcleos objetivo con carga positiva. Su velocidad, potencia y distancia efectiva disminuyen.
A partir de esta información, Enrico Fermi especuló que los neutrones, con polaridad neutra y mayor velocidad, serían «balas» más eficaces que las partículas alfa. Su enfoque experimental consistió en recorrer metódicamente la tabla periódica, sometiendo a cada elemento a un bombardeo de neutrones.
El primer obstáculo fue idear una fuente fiable de neutrones, que se obtienen a partir de las colisiones de partículas alfa con determinados elementos. Fermi tomó el radón procedente de la desintegración de una fuente de radio, lo mezcló con polvo de berilio y lo selló en un tubo de vidrio. El tubo era su fuente de neutrones. Construyó el contador Geiger utilizado para medir los resultados de la radiactividad y reunió procedimientos químicos para separar e identificar los elementos creados por las desintegraciones.
El flúor, el noveno, fue el primer elemento que mostró radiactividad a partir del bombardeo de neutrones; el objetivo era examinar el mayor número posible de los 92 elementos naturales de la tabla periódica.
El método consistía en bombardear una muestra, medir la radiactividad resultante, separar químicamente la muestra irradiada y medir la radiactividad de cada elemento separado. Se demostró que el elemento presente después de la desintegración era cercano en número atómico a la muestra objetivo original. Este resultado se mantuvo hasta que la muestra objetivo fue uranio; la mezcla posterior al bombardeo contenía varios elementos, incluido uno de peso atómico 93. Al parecer, se había creado un nuevo elemento, incluso inestable.
El siguiente avance del equipo se produjo cuando un científico observó que la colocación de la muestra y los objetos que la rodeaban influían en el resultado de la radiación. Intrigado por esto, el equipo comenzó una nueva vía de investigación, variando los materiales entre la fuente de neutrones y un blanco de plata y midiendo la radiactividad resultante.
Durante los experimentos, Fermi sugirió que se intentara utilizar un material ligero, como la cera de parafina, como material intermedio alrededor de la fuente de neutrones en lugar del metal pesado, el plomo. Los resultados fueron sorprendentes: la radiactividad de la plata se multiplicó por cien. La teoría de Fermi a partir de estos resultados introdujo el concepto de neutrón lento.
La cera de parafina, una mezcla sólida de hidrocarburos, contiene un alto porcentaje de átomos de hidrógeno. Los núcleos de estos átomos, protones simples, son iguales a los neutrones en masa. Cuando los neutrones entran en la cera, el alto contenido de hidrógeno asegura un gran número de colisiones y la similitud en el tamaño de las partículas ralentiza la velocidad de los neutrones cuando se producen las colisiones. Los neutrones «lentos» que golpean el blanco tendrán más probabilidades de colisionar con los átomos de plata; el aumento de las colisiones se traduce en una mayor radiactividad.
En estos experimentos, la atención del equipo de Fermi se centró en las pruebas de los elementos periódicamente adyacentes de la descomposición en lugar de los elementos más distantes en la tabla periódica. La posibilidad de otros productos de descomposición pasó desapercibida. Se dejó a Hahn, Strassman y Meitner, dos años más tarde, descubrir que la irradiación del uranio provoca la fisión nuclear. Se dedujo que el nuevo elemento que se creía descubierto era en realidad una mezcla de productos de descomposición del uranio.
Reacción en cadena
Al enterarse del descubrimiento de la fisión nuclear, Fermi, en colaboración con Szilard, añadió inmediatamente una nueva hipótesis a su lista. Su explicación tentativa de la alta energía generada por el átomo de uranio al dividirse suponía que el átomo único original que causaba la división producía dos neutrones. Sería posible que estos dos colisionaran luego con otros átomos de uranio y produjeran cuatro neutrones, y así la cadena de reacciones crecería al igual que el número de neutrones. El proceso continuaría hasta que se agotaran todos los átomos de uranio. Cada colisión nuclear libera enormes cantidades de energía.
La hipótesis de Fermi describía una condición ideal. Había que reconocer que, en situaciones reales, la producción de energía y la velocidad de reacción se verían reducidas por las colisiones perdidas debido a la alta velocidad nuclear y a la lentitud de la interacción por la absorción intranuclear, como ya había descubierto Fermi en sus experimentos con cera de parafina.
La confirmación experimental requería una fuente de neutrones fiable, un recipiente adecuado para albergar la reacción en cadena y un método para controlar, o moderar, la velocidad de reacción. La fuente de neutrones se creó bombardeando berilio con deuterones altamente acelerados (núcleos de átomos de deuterio) creados en un ciclotrón. El recipiente era una pila del tamaño de una habitación de grafito ultrapuro sembrada con un entramado de uranio y los moderadores eran varillas de grafito extraíbles insertadas a intervalos en la pila.
La reacción en cadena se produce en la masa crítica, el punto en el que hay suficientes neutrones para mantener la reacción después de contabilizar la pérdida de neutrones de la pila debido al escape y la absorción. La pila que proporcionó la primera reacción en cadena era una pila esférica de casi 26 pies de diámetro.
Créditos
La presentación de Enrico Fermi es posible gracias al apoyo de The Barra Foundation y Unisys.
Este sitio web es el esfuerzo de un equipo interno de proyectos especiales del Instituto Franklin, que trabaja bajo la dirección de Carol Parssinen, Vicepresidenta Senior del Centro de Innovación en el Aprendizaje de las Ciencias, y Bo Hammer, Vicepresidente del Centro Franklin.
Los miembros del equipo del proyecto especial del departamento de Tecnología Educativa son:
Karen Elinich, Barbara Holberg y Margaret Ennis.
Los miembros del equipo especial del proyecto del departamento de Conservación son:
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Los miembros del Consejo Asesor del proyecto son:
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger y Susan Yoon.