Introduction
Syntynyt vuonna 1901, Enrico Fermi oli todella 1900-luvun tiedemies. Tarina hänen lapsuudestaan, koulutuksestaan ja urastaan vaikuttaa tutulta ja ”modernilta”. Kuten monet aikansa nerokkaat tiedemiehet, Fermi näki Euroopassa tapahtuvat tapahtumat lisäkannustimena työskennellä Amerikassa. Euroopan menetys oli Amerikan voitto. New Yorkissa ja Chicagossa Fermi löysi ympäristön ja teknologian, joita hän tarvitsi edistääkseen ja todistaakseen teoriansa. Vuoteen 1947 mennessä Fermi oli kuuluisa tiedemies, joka tunnettiin maailmanlaajuisesti teoreettisen ja kokeellisen fysiikan edistyksestään.
Kuka oli Enrico Fermi? Mikä oli hänen panoksensa teoreettiseen ja kokeelliseen fysiikkaan?
Erikoisoppilas
Enrico Fermi syntyi 29. syyskuuta 1901 Roomassa, Italiassa; hän oli nuorin kolmesta lapsesta, jotka olivat Alberto Fermi, rautatievirkailija, ja Ida de Gattis, kansakoulunopettaja, jolla oli vakaat odotukset.
Enrico Fermin veljen Giulion kuolema pienen kirurgisen toimenpiteen aikana vuonna 1915 oli murskaava isku koko perheelle. Kun hänen äitinsä suri syvästi, Enrico täytti tuntemaansa tyhjyyttä opiskelemalla. Fysiikan ja matematiikan tekstien lukemisesta tuli hänen harrastuksensa. Hänen vaimonsa Laura Fermi kuvaili kerran, kuinka Enrico kertoi hänelle, kuinka hänellä oli tapana istua kotona käsien päällä pysyäkseen lämpimänä opiskellessaan ja kuinka hän ”käänsi kirjan sivuja kielellään.”
Enricon isän kollega Ingegner Amidei rohkaisi nuorta Enricoa opinnoissaan ja ohjasi hänet Reale Scuolo Normale Superiore -yliopistoon, joka oli Pisan yliopiston sivuliike, joka oli nimenomaan suunnattu lupaaville ja lahjakkaille opiskelijoille ja joka otti heidät sisään kilpailutettujen kokeiden kautta. Kun Enrico Fermi esitti värähteleviä jousia käsittelevän esseen, joka hämmästytti tarkastavan professorin, hänet otettiin kouluun ja julistettiin ”poikkeukselliseksi”. Niinpä hän muutti 17-vuotiaana Roomasta Pisaan, Galileon kuuluisien kokeiden tapahtumapaikalle satoja vuosia aiemmin.
Pisan yliopistossa ollessaan Fermi eteni spektroskopian teoreettisessa lähestymistavassaan. Hän väitteli yliopistossa tohtoriksi heinäkuussa 1922 väitöskirjallaan röntgensäteilyn tutkimuksesta.
Hieno nuori tiedemies
Takaisin Roomassa Fermi tutustui Orso Mano Corbinoon, Rooman yliopiston insinöörikoulun johtajaan ja maan hallituksen senaattoriin. Italian hallitus myönsi Fermille stipendejä ja apurahoja, jotka mahdollistivat syventävät opinnot kahden kvanttimekaniikan asiantuntijan kanssa: fysiikan nobelisti Max Born Gottingenin yliopistossa ja tohtori Paul Ehrenfest Leidenin yliopistossa. Werner Heisenberg oli luokkatoveri Gottingenissa.
Palattuaan Italiaan vuonna 1924, kun Mussolinin fasistihallitus oli muodostumassa, Fermi, joka oli edelleen Corbinon suojatti, otti vastaan Rooman yliopiston teoreettisen fysiikan professuurin erityisesti luodun viran. Corbinon tavoitteena oli Italian heikentyneen tieteellisen aseman palauttaminen, ja hän alkoi rekrytoida parhaita nuoria tiedemiehiä rakentaakseen Fermille erinomaisen fysiikan laitoksen.
Aluksi Fermin ryhmä työskenteli spektroskooppisten ilmiöiden ja kvanttimekaniikan parissa. Tänä aikana, ennen neutronin löytämistä ja kun kvanttiteoriaa vielä kehitettiin, Fermi keskittyi elektronien ominaisuuksiin. Hänen teoriansa Fermin tilastoista koskee elektronien jakautumisen todennäköisyyttä tietyillä tasoilla atomissa. Hän totesi, että hänen nimensä mukaiset fermionit, aineen subatomiset perushiukkaset, noudattavat Paulin poissulkemisperiaatetta.
Kemiaa opiskellut Laura Capon ja Enrico Fermi menivät naimisiin vuonna 1928, ja heidän lapsensa Nella ja Giulio syntyivät vuonna 1931 ja 1936.
Fermi vieraili ensimmäisen kerran Yhdysvalloissa vuonna 1930 puhuakseen kvanttiteoriaa käsittelevässä kesäsymposiumissa; hän palasi kesät 1933 ja 1935-1937.
Haluatko oppia lisää Enrico Fermistä? Lue lisää hänen Benjamin Franklin -palkinnostaan
Teoreettisesta kokeelliseen
Neutronin löytämisen jälkeen vuonna 1932 ja sitten keinotekoisen radioaktiivisuuden löytämisen jälkeen vuonna 1934 Fermi päätti kokeilla keinotekoisen radioaktiivisuuden tuottamista korvaamalla ranskalaisten tutkijoiden käyttämän alfahiukkasmenetelmän neutronipommituksella. Tämä merkitsi muutosta hänen akateemisessa prioriteettiasemassaan teoreettisesta tieteestä kokeelliseen tieteeseen.
Hän kehitti menetelmän neutronien tuottamiseksi radonin ja berylliumin yhdistelmästä, rakensi Geiger-laskurin tuotetun radioaktiivisuuden mittaamiseksi ja alkoi pommittaa alkuaineita etenemällä järjestelmällisesti jaksollisen järjestelmän läpi. Ensimmäiset onnistumiset radioaktiivisuuden havaitsemisessa saavutettiin fluorilla (järjestysluku = 9), ja merkittävin onnistuminen oli uraanilla (järjestysluku = 92). Uraanin hajoaminen tuotti ohikiitävän, epävakaan alkuaineen, jonka järjestysluku on 93 ja jonka olemassaoloa ei ennen tunnettu. Löydöstä seurasi välitön maailmanlaajuinen julkisuus tästä ”uudesta alkuaineesta”, mutta Fermi piti tätä julkisuutta sekä ennenaikaisena että sopimattomana. Yhtä perusteettomina hän piti väitteitä, joiden mukaan tieteellinen menestys johtui fasistisesta ympäristöstä. Uraanin hajoamisen löytymisen täysi vaikutus seuraisi vasta joitakin vuosia myöhemmin.
Löytö
Tutkimukset jatkuivat, ja lokakuussa 1934 hopealla tehdyissä säteilytyskokeissa huomattiin virheellisiä tuloksia. Saadun metallin radioaktiivisuus riippui sen sijoittamisesta suojaavan lyijysäiliön sisään. Niinpä järjestettiin kokeita, joissa verrattiin tuotettua radioaktiivisuutta, kun radonlähteen ja hopeakohteen väliin asetettiin erilaisia materiaaleja. Lokakuun 22. päivänä Fermi ehdotti vaihtoehdoksi raskasmetalli lyijylle, jonka aktiivisuus kasvoi hieman, kevyttä materiaalia: parafiinia. Hänen sattumanvarainen valintansa toimi hyvin. Geiger-mittari osoitti tämän hopeanäytteen keinotekoisen radioaktiivisuuden kasvavan jopa satakertaiseksi – jännitys kasvoi. Fermin selitys oli, että parafiinin useat vetyatomit ”hidastivat” neutronit tehokkaasti tilaan, joka mahdollisti paljon enemmän törmäyksiä hopea-atomien kanssa. Seuraava hämmästyttävä mahdollisuus hallittuun tai ”valjastettuun” säteilyaltistukseen neutronipommituksen avulla oli lähellä.
Näkemällä tämän löydön seuraukset Corbino vaati, että patenttia haetaan välittömästi. Hakemus jätettiin 26. lokakuuta 1934.
Jatkotyö seurasi tätä merkittävää löytöä, mutta tutkijaryhmä hajaantui vähitellen, kun kokeilutahti hidastui; useimmat matkustivat Pohjois-Amerikkaan. Italian epävarma poliittinen ilmapiiri ja sodan todennäköisyys painoivat Fermisiä. Kun Rooma-Berliini-akseli oli perustettu, vuonna 1938 alkoi antisemitismin ristiretki. Laura Fermi oli juutalainen.
Tuhoisa energia
Enrico Fermille myönnettiin 10. marraskuuta 1938 fysiikan Nobel-palkinto ”uusien radioaktiivisten alkuaineiden tunnistamisesta ja tämän työn yhteydessä tehdystä hitaiden neutronien aikaansaamien ydinreaktioiden löytämisestä”. Hän oli jo aiemmin tiennyt tästä mahdollisuudesta ja ollut yhteydessä amerikkalaisiin yliopistoihin työllistymismahdollisuuksista. Fermin perhe sai hallituksen luvan matkustaa Tukholmaan Nobel-palkinnon luovutusta varten. He eivät palanneet Italiaan. Sen sijaan he vierailivat Niels Bohrin luona Kööpenhaminassa ja purjehtivat 10. joulukuuta kohti Yhdysvaltoja ja Fermin uutta professuuria Columbian yliopistossa.
Seuraavana aikana Saksassa oli havaittu, että uraanin neutronipommituksesta syntyy kaksi atomipainoltaan samanlaista tuotetta. Odotuksena oli ollut yksi tuote, joka oli lähellä uraania jaksollisessa järjestelmässä, sekä pieniä hajoamistuotteita. Nyt tapahtuvaa reaktiota oli sopivampi kuvata fissioksi, ei hajoamiseksi.
Fermi alkoi ymmärtää tämän uutisen seuraukset ja jatkoi hypoteesin esittämistä, jonka mukaan uraaniatomin halkaiseminen neutronilla johtaa kahden neutronin vapautumiseen. Kukin näistä neutroneista halkaisisi sitten toisen atomin, jolloin syntyisi neljä neutronia, ja niin edelleen. Tämä itseään toistava ketjureaktio tuottaisi valtavasti energiaa. Sen merkitys ei jäänyt tiedeyhteisöltä huomaamatta. Lähestyvän sodan ilmapiirissä ilmaantui mahdollisuus uusiin, käsittämättömän voimakkaisiin aseisiin.
Fermi alkoi testata hypoteesiaan Columbian yliopistossa käyttäen sikäläistä syklotronia neutronigeneraattorina.
Sotatyö
Muualla sodan vaara oli kasvamassa, saksalaisilla tiedemiehillä oli kokemusta ydinfissiosta. Vaikka tämän ilmiön asesovellukset olivat kaukana, niitä oli olemassa. Tällaiset näkökohdat saivat Columbian fyysikot pyytämään Albert Einsteinin apua tiedottamaan Yhdysvaltojen hallitukselle kehityksestä. Presidentti Roosevelt reagoi perustamalla uraania käsittelevän neuvoa-antavan komitean (uraanikomitea).
Siihen mennessä Iso-Britannia ja sen siirtomaat olivat sodassa Saksaa vastaan ja kuusi kuukautta myöhemmin myös Italiaa vastaan. Fermin tutkimuksesta tuli ”sotatyö”, kun Yhdysvallat astui sotaan 8. joulukuuta 1941. Hänestä tuli automaattisesti myös ”vihollisen ulkomaalainen” siihen liittyvine komplikaatioineen.
12. lokakuuta 1942 italialaisten ”vihollisen” asema kumottiin; Fermistä tuli Yhdysvaltojen kansalainen 11. heinäkuuta 1944.
Atomipaalu
Columbiassa Fermi jatkoi työryhmänsä kanssa tutkimuksiaan, joissa selvitettiin, olisiko mahdollista saada aikaan kontrolloituja ketjureaktioita ytimen halkeamisesta. Kokeet johtivat heidät rakentamaan ”atomikasan”, joka oli aluksi neutronilähdettä ympäröivä pino puhdasta grafiittitiiltä. Tämä ensimmäinen vaihe mahdollisti grafiitin vaikutuksen tutkimisen neutronien aktiivisuuteen: absorptio ja re-emissio, määrät, fissiot. Toinen vaihe oli uraanin lisääminen kokeeseen. Alkuperäinen piippu rakennettiin uudelleen siten, että osaan grafiittitiilistä lisättiin uraanin paloja. Grafiitin vaikutusta koskevia havaintoja jatkettiin. Tulokset osoittivat Fermille, että mitattavissa olevan ydinketjureaktion aikaansaamiseksi tarvittiin nykyistä ”kokeiluversiota” suurempi pino, ja suurempien tilojen etsiminen alkoi.
Columbian laajennusta hidasti Yhdysvaltain hallituksen päätös nopeuttaa ja keskittää atomitutkimusta. Fermin työt siirtyivät lopulta Chicagon yliopistoon vuonna 1942. Salassapitovelvollisuus kattoi kaikki pyrkimykset tässä paikassa, jota kutsuttiin harhaanjohtavasti nimellä Metallurginen laboratorio. Uuteen laitokseen kokoontuneet fyysikot keskittyivät perustavanlaatuiseen atomitutkimukseen vasta nimettyyn Manhattan-projektiin kuuluvana haarana, joka oli ensimmäinen tapaus ”isosta tieteestä”, jossa tutkimus, materiaalituotanto ja tukihenkilöstö oli yhdistetty ja suunnattu yhteen ainoaan päämäärään.
Nyt Fermillä oli käytössään tilat, joita hän tarvitsi laajentuneelle atomikasalleen. Tämä tila – noin 200 neliöjalkaa pinta-alaltaan ja yli 26 jalkaa korkea käyttämättömällä squash-kentällä Stagg Field -stadionin läntisten katsomoiden alla keskellä yli kolmen miljoonan asukkaan kaupunkia – oli tarkoitettu pysyväksi kuuluisuudeksi.
Fermin ryhmä Chicagossa rakensi ja tutki pieniä paaluja, ja se oli vakuuttunut siitä, että kaikki parametrit, joiden avulla voitiin luoda kriittisen kokoinen ja kriittisen koostumuksen omaava paalu, joka mahdollistaisi pitkäkestoisen ketjureaktion, olivat tiedossa. Vain kuudessa viikossa rakennettiin lopullinen kasa, joka oli vajaan 26 jalan korkuinen ja täysin koteloituna valtavaan neliönmuotoiseen palloon, joka oli päällystetty kumilla päällystetyllä kankaalla. Joulukuun 2. päivänä 1942 Fermi johti historiallista operaatiota, ohjasi säätösauvojen asteittaista poistamista ja seurasi radioaktiivisuuden lisääntymistä. Kun kaikki sujui suunnitelmien mukaan, Fermi, joka oli tottunut, julisti lounastauon. Työtä jatkettiin lounaan jälkeen, ja kello 15.20 iltapäivällä viimeinen säätösauva oli vedetty varovasti pois metrin askelin, kun Fermi antoi viimeisen ohjeen poistaa se kokonaan. Kaikki valvontalaitteet osoittivat nousevaa radioaktiivisuutta – hallittu ydinfissioketjureaktio oli saatu aikaan!
Johtaja Arthur Comptonin tieteellisen tutkimuksen ja kehityksen toimistoon lähettämässä viestissä, jossa raportoitiin onnistumisesta, sanottiin: ”Italialainen navigaattori on saavuttanut Uuden maailman.” Sen kunniaksi kohotettiin malja Chianti-juomalle.
Samaan aikaan törmäysohjelma tämän saavutuksen sisältävien aseiden kehittämiseksi oli edennyt. Suunnitteilla oli atomipommi, jossa olisi hallitsematon ydinräjähdys.
Hra Farmer
Fermi matkusti nyt pitkin maata vierailemassa sotaponnistelujen kannalta tärkeissä paikoissa – Hanfordissa, Oak Ridgessä, Argonnessa ja Los Alamosissa. Hän ansaitsi myös vakituisen henkivartijan, John Baudinon, ja koodinimen ”Mr. Farmer”. Kesällä 1944 Fermin perhe muutti Chicagosta Los Alamosiin. He pysyivät siellä 31. joulukuuta 1945 asti.
16. heinäkuuta 1945 tehtiin ensimmäinen atomipommikoe Trinityssä New Mexicon autiomaassa. Fermi tarkkaili sitä perusleiristä, joka sijaitsi noin 10 mailin päässä räjähdyspaikasta. Hän kuvaili, että hänellä oli kasvojensa suojana leveä lauta, jossa oli tumma hitsauslasi-insertti, ja että hän tunsi lämpöaistimuksen alttiina olevissa ruumiinosissaan.
Aina tiedemiehenä Fermi ihmetteli räjähdyksen voimakkuutta. Hän kuvaili tekemänsä yksinkertaisen testin:
”Noin 40 sekuntia räjähdyksen jälkeen ilmaisku saavutti minut. Yritin arvioida sen voimakkuutta pudottamalla noin kuuden metrin korkeudelta pieniä paperinpaloja ennen räjähdysaallon kulkua, sen aikana ja sen jälkeen. Koska tuolloin ei tuullut, pystyin tarkkailemaan hyvin selvästi ja itse asiassa mittaamaan niiden paperinpalojen siirtymistä, jotka olivat putoamassa, kun räjähdys kulki ohi. Siirtymä oli noin 2,5 metriä, minkä arvioin tuolloin vastaavan räjähdystä, jonka kymmenen tuhatta tonnia T.N.T:tä aiheuttaisi. ”1
Räjähdyksen jälkeen Fermi tutki 800 ft. halkaisijaltaan olevaa kraatteria lyijyllä vuoratun Sherman-panssarivaunun turvasta ja pani merkille lasittuneen aavikon pinnan – hiekka oli sulanut ja jähmettynyt uudelleen.
Vaihtoehtoinen käyttö
6. elokuuta 1945 atomipommi pudotettiin Hiroshimaan ja seuraava Nagasakiin kolme päivää myöhemmin. Japani antautui 14. elokuuta, mikä päätti kuusi vuotta kestäneen toisen maailmansodan. Saksa oli aiemmin antautunut 7. toukokuuta 1945. Vaikka saksalaiset tiedemiehet olivat olleet merkittävässä asemassa ydinfission löytämisessä ja tunnistamisessa, heidän sodanaikaiset sovelluspyrkimyksensä eivät olleet onnistuneet.
Atomitutkijat olivat myös huomauttaneet, että ydinfissiota voitaisiin rauhanaikana käyttää vaihtoehtona öljylle ja kivihiilelle lämpöenergian tuottamisessa lämmönsiirtoenergian tuottamiseksi höyryn luomiseksi turbiinien sähköntuotannossa. Ydinvoimaloiden rakentamisohjelma alkoi.
Takaisin sodanjälkeisessä Chicagossa Fermistä tuli yliopiston ydintutkimuslaitoksen professori. Hänen kiinnostuksensa kohdistui nyt kosmisten säteiden luonteeseen ja alkuperään: korkeaenergiset, nopeat hiukkaset, jotka pommittavat maapalloa ulkoavaruudesta. Jättimäisen syklotronin rakentaminen Chicagoon vuonna 1947 tarjosi kätevän lähteen subatomisten hiukkasten tutkimiseen. Fermi esitti teorian, jonka mukaan kosmisen säteilyn hiukkaset saavat alkunsa ja nopeutensa törmäyksistä ulkoavaruuden magneettipilvien kanssa. Fermi-Walkerin kuljetusprosessi kuvaa tätä tilaa yleisen suhteellisuusteorian ehdoilla.
Enrico Fermi kuoli Chicagossa vatsasyöpään 28. marraskuuta 1954. Sen jälkeen avaruustutkimus on kasvanut ja lisääntynyt, ja nyt tutkitaan suoraan avaruuden kosmista säteilyä. Laitteisto kosmisten säteiden keinotekoiseksi luomiseksi ei ole enää välttämätön, mutta uusien teorioiden kehittäjät seisovat Fermin harteilla laajentaessaan tietoa subatomisten hiukkasten maailmankaikkeudesta.
Tausta
Fermi varttui aikana, jolloin atomifysiikan uudet teoriat ja ideat kuohuivat. Thomson löysi elektronin vuonna 1897, vuonna 1910 tuli Rutherfordin käsitys keskeisestä, pienestä ytimestä, joka sisältää atomin kaiken massan ja positiivisen varauksen, vuonna 1910 tuli Chadwickin löytö neutronista ja sitten Pauli, joka kuvasi atomin muodostavien kolmen hiukkastyypin, elektronin, protonin ja neutronin, käyttäytymistä.
Enrico Fermi, täydellinen tiedemies, yhdisti kykynsä sekä teoreettiseen päättelyyn että kokeelliseen tutkimukseen koko uransa ajan aloittaen Fermi-Diracin tilastojen puhtaasta teoriasta neutronipommitusta koskevien kokeellisten tulosten päättelyyn, atomipaalujen menestyksekkääseen suunnitteluun, ydinfission lopputulosten selittämiseen ja päättyen kosmisten säteiden kiihtyvyyden syihin.
Fermi-Diracin tilastot
Jatko-opintojensa aikana Gottingenin yliopistossa Fermi kehitti täydellisen kaasun käyttäytymiseen perustuvan erillisen tilastollisen mallin, joka ennusti suurten elektronipilvien toimintaa ja osoitti, että niiden aktiivisuus poikkeaa muiden subatomisten hiukkasten aktiivisuudesta – se on materian perustavanlaatuinen ominaisuus. Tällaiset alkeishiukkaset, aineen peruselementit, on nimetty Fermin mukaan fermioneiksi.
Betahajoaminen
”Alfasäteily” ja ”beetasäteily” oli nimitys, joka annettiin vastikään löydetyille ilmiöille radioaktiivisuuden tutkimuksen alussa. Tarkemmin sanottuna alfahiukkanen on heliumatomin ydin, jossa on kaksi protonia ja kaksi neutronia, ja paljon suuremman energian omaava beetahiukkanen on atomista irtoava elektroni.
Fermin teoria beetahajoamisesta kuvaa hajoamisen eli siirtymän todennäköisyyttä ydinvoimien tilastojen avulla hajoamishetkellä. Laskelmissaan Fermi ehdotti uutta hiukkasta, neutriinoa, selittääkseen prosessin aikana havaitun elektronienergian vähäisen häviämisen ja säilyttääkseen energian säilymisperiaatteen.
Kaksikymmentäviisi vuotta Fermin teorian esittämisen jälkeen saavutettiin yksityiskohtainen ymmärrys beetahajoamismekanismista ja teoria vahvistettiin. Teoriaa kutsutaan myös nimellä Fermin kultainen sääntö.
Hitaat neutronit
Luonnollisen radioaktiivisuuden löysi Becquerel vuonna 1896, ja Pierre ja Marie Curie luonnehtivat sitä kaksi vuotta myöhemmin eristämällä poloniumia ja radiumia. Keinotekoisen radioaktiivisuuden löysivät kolmisenkymmentä vuotta myöhemmin heidän tyttärensä Irene ja hänen miehensä Frederic Joliot. Eräässä kokeessa he pommittivat booria alfahiukkasilla ja muuttivat osan siitä typeksi, minkä jälkeen he varmistivat, että boorin radioaktiivisuus siirtyi typpeen. Tämä menetelmä tehosi myös alumiiniin, mutta ei raskaampiin alkuaineisiin alfahiukkasten alhaisen energian vuoksi. Alfahiukkasilla on haittapuolensa ”luoteina”. Koska ne ovat positiivisesti varattuja heliumytimiä, niitä hidastavat ympäröivien elektronien aiheuttamat sähköiset häiriöt ja ne kohtaavat positiivisesti varattujen kohdeytimien vastuksen. Niiden nopeus, teho ja tehollinen etäisyys pienenevät.
Tämän tiedon perusteella Enrico Fermi arveli, että neutronit, joilla on neutraali napaisuus ja suurempi nopeus, olisivat tehokkaampia ”luoteja” kuin alfahiukkaset. Hänen kokeellinen lähestymistapansa oli edetä metodisesti jaksollisen järjestelmän läpi ja altistaa jokainen alkuaine neutronipommitukselle.
Ensimmäisenä esteenä oli keksiä luotettava lähde neutroneille, joita saadaan alfahiukkasten törmäyksistä tiettyjen alkuaineiden kanssa. Fermi otti radonlähteen hajoamisesta peräisin olevaa radonia, sekoitti sen berylliumjauheeseen ja sulki sen lasiputkeen. Putki oli hänen neutronilähteensä. Hän rakensi Geigerin laskurin, jota käytettiin radioaktiivisuustulosten mittaamiseen, ja kokosi kemiallisia menetelmiä hajoamisissa syntyneiden alkuaineiden erottamiseksi ja tunnistamiseksi.
Fluori, yhdeksäs, oli ensimmäinen alkuaine, joka osoitti radioaktiivisuutta neutronipommituksesta; tavoitteena oli tutkia mahdollisimman monta kaikista 92:sta luonnossa esiintyvästä jaksollisen järjestelmän alkuaineesta.
Menetelmänä oli pommittaa näyte, mitata syntynyt radioaktiivisuus, erottaa säteilytetty näyte kemiallisesti ja mitata kunkin erotetun alkuaineen radioaktiivisuus. Osoitettiin, että hajoamisen jälkeen esiintyvä alkuaine oli atomiluvultaan lähellä alkuperäistä kohdenäytettä. Tämä tulos piti paikkansa, kunnes kohdenäyte oli uraania; pommituksen jälkeinen seos sisälsi useita alkuaineita, muun muassa yhden alkuaineen, jonka atomipaino oli 93. Tämä tulos piti paikkansa, kunnes kohdenäyte oli uraania. Uusi alkuaine – jopa epävakaa – oli ilmeisesti syntynyt.
Ryhmän seuraava läpimurto tapahtui, kun eräs tutkija huomasi, että näytteen sijoittelu ja sen ympärillä olevat esineet vaikuttivat säteilytulokseen. Tästä kiinnostuneena ryhmä aloitti uuden tutkimuspolun vaihtelemalla materiaaleja neutronilähteen ja hopeakohteen välissä ja mittaamalla tuloksena olevaa radioaktiivisuutta.
Kokeiden aikana Fermi ehdotti, että yritettäisiin käyttää neutronilähteen ympärillä olevana väliaineksena raskasmetallin, lyijyn, sijasta kevyttä materiaalia, kuten parafiinivahaa. Tulokset olivat hämmästyttäviä – hopean radioaktiivisuus kasvoi satakertaiseksi. Fermin näistä tuloksista muodostama teoria esitteli hitaan neutronin käsitteen.
Parafiini, kiinteä hiilivetyjen seos, sisältää runsaasti vetyatomeja. Näiden atomien ytimet, yksittäiset protonit, ovat massaltaan yhtä suuria kuin neutronit. Kun neutronit tunkeutuvat vahaan, suuri vetypitoisuus takaa suuren määrän törmäyksiä ja hiukkaskoon samankaltaisuus hidastaa neutronien nopeutta törmäyksissä. Kohteeseen osuvat ”hitaat” neutronit törmäävät todennäköisemmin hopea-atomien kanssa; lisääntyneet törmäykset johtavat korkeampaan radioaktiivisuuteen.
Näissä kokeissa Fermin ryhmän huomio kiinnittyi hajoamisen aiheuttamien jaksollisesti vierekkäisten alkuaineiden testaamiseen pikemminkin kuin jaksollisen järjestelmän kaukaisempien alkuaineiden testaamiseen. Muiden hajoamistuotteiden mahdollisuus jäi huomaamatta. Hahnin, Strassmanin ja Meitnerin tehtäväksi jäi kaksi vuotta myöhemmin havaita, että uraanin säteilyttäminen aiheuttaa ydinfissiota. Johtopäätös oli, että löydetyksi luultu uusi alkuaine oli itse asiassa uraanin hajoamistuotteiden seos.
Ketjureaktio
Hulluksi tultuaan ydinfissiolöydöstä Fermi lisäsi heti Szilardin kanssa työskennellessään uuden hypoteesin luetteloonsa. Hänen alustava selityksensä uraaniatomin jakautuessaan tuottamalle suurelle energialle oletti, että alkuperäinen yksittäinen atomi, joka aiheutti jakautumisen, tuotti kaksi neutronia. Olisi mahdollista, että nämä kaksi törmäisivät sitten toisiin uraaniatomeihin ja tuottaisivat neljä neutronia, jolloin reaktioketju kasvaisi ja neutronien määrä kasvaisi. Prosessi jatkuisi, kunnes kaikki uraaniatomit olisi käytetty. Jokainen ydintörmäys vapauttaa valtavia määriä energiaa.
Fermin hypoteesi kuvasi ideaalitilaa. Oli tunnustettava, että todellisissa tilanteissa energiantuottoa ja reaktionopeutta pienentäisivät epäonnistuneet törmäykset, jotka johtuisivat suuresta ydinnopeudesta ja ydinsisäisestä absorptiosta johtuvasta hidastuneesta vuorovaikutuksesta, kuten Fermi oli jo havainnut parafiinivahakokeissaan.
Kokeellinen vahvistus edellytti luotettavaa neutronilähdettä, sopivaa astiaa ketjureaktiolle ja menetelmää, jolla reaktionopeutta voitaisiin kontrolloida tai hillitä. Neutronilähde luotiin pommittamalla berylliumia syklotronissa syntyneillä voimakkaasti kiihdytetyillä deuteroneilla (deuteriumatomien ytimillä). Säiliö oli huoneen kokoinen kasa erittäin puhdasta grafiittia, johon oli istutettu uraaniristikko, ja moderaattorit olivat irrotettavia grafiittisauvoja, jotka oli asetettu kasaan tietyin väliajoin.
Ketjureaktio tapahtuu kriittisessä massassa, eli pisteessä, jossa neutroneita on juuri ja juuri riittävästi ylläpitämään reaktiota sen jälkeen, kun on huomioitu pakenemis- ja absorboitumishäviöt kasasta. Ensimmäisen ketjureaktion synnyttänyt kasa oli halkaisijaltaan lähes 30 metrin kokoinen pallomainen kasa.
Credits
Enrico Fermi -esityksen on mahdollistanut The Barra Foundationin ja Unisysin tuki.
Tämä verkkosivusto on Franklin-instituutin sisäisen erikoisprojektiryhmän ponnistus, joka työskentelee luonnontieteiden oppimisen innovaatiokeskuksen vanhemman varapuheenjohtajan Carol Parssisen ja Franklin-keskuksen varapuheenjohtajan Bo Hammerin johdolla.
Erityisprojektiryhmän jäsenet opetusteknologiaosastolta ovat:
Karen Elinich, Barbara Holberg ja Margaret Ennis.
Hankkeen erityisryhmän jäsenet kuratorio-osastolta ovat:
John Alviti ja Andre Pollack.
Hankkeen neuvottelukunnan jäsenet ovat:
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger ja Susan Yoon.
Hankkeen neuvoa-antava lautakunta on koottu yhteen.