はじめに
1901年に生まれたエンリコ・フェルミは、まさに20世紀の科学者であった。 彼の子供時代、教育、そしてキャリアは、身近で「現代的」なものに思える。 当時の多くの優秀な科学者と同様、フェルミはヨーロッパで起きている出来事をアメリカで仕事をする動機付けとして捉えていた。 ヨーロッパの損失は、アメリカの利益である。 ニューヨークとシカゴで、フェルミは自分の理論を発展させ、証明するために必要な環境と技術を手に入れたのである。 1947年までに、フェルミは理論物理学と実験物理学の進歩で世界中に知られる有名な科学者となった。 鉄道員であったアルベルト・フェルミと、期待に満ちた小学校教師であったイダ・デ・ガティスの3人の子どもの末っ子として、1901年9月29日にイタリアのローマで生まれました。 母が深く嘆き悲しむ中、エンリコはその空しさを勉強で満たした。 物理学や数学の教科書を読むことが趣味になった。 妻のラウラ・フェルミは、エンリコが家で正座して暖をとりながら勉強していたことや、「舌で本のページをめくる」ような様子を語っている。 エンリコ・フェルミは、弦の振動に関する論文を提出し、試験官の教授を驚かせると、”例外 “として入学を許可された。 17歳のとき、ローマからピサに移った。ピサ大学では、ガリレオが数百年前に有名な実験を行った場所である。
Fine Young Scientist
ローマに戻ると、ローマ大学工学部長で政府の上院議員であるオルソ・マノ・コルビーノと知り合いになった。 イタリア政府は、フェルミに奨学金とフェローシップを与え、量子力学の専門家2人のもとで研究を進めることを許可した。 ノーベル物理学賞受賞者のマックス・ボルン教授（ゲッティンゲン大学）とパウル・エーレンフェスト博士（ライデン大学）である。 1924年、ムッソリーニのファシスト政権が成立する頃、イタリアに戻ったフェルミは、まだコルビーノの弟子であったが、ローマ大学の理論物理学講座という特別なポジションに就いた。 コルビーノはイタリアの科学的地位の回復を目指し、優秀な若い科学者を集め、フェルミに優れた物理学科を建設し始めた。 この頃、中性子が発見される前で、量子論がまだ発展途上であったため、フェルミは電子の性質に注目した。 フェルミ統計学とは、原子内のあるレベルに電子が分布する確率に関する理論である。 化学を専攻していたラウラ・カポンとエンリコ・フェルミは1928年に結婚し、1931年にネーラ、1936年にジュリオという子供が生まれました。
フェルミは1930年に初めてアメリカを訪れ、量子論に関する夏のシンポジウムで講演を行いました。
エンリコ・フェルミについてもっと知りたいですか？ フェルミは、1932年の中性子の発見、そして1934年の人工放射能の発見を受けて、フランスの科学者が使っていたアルファ粒子法の代わりに、中性子による人工放射能の生成実験を行うことを決意しました。 ラドンとベリリウムの組み合わせから中性子を発生させる方法を考案し、発生した放射能を測定するガイガーカウンターを作り、周期律表から系統的に元素を照射し始めた。 最初に放射能の検出に成功したのはフッ素（原子番号9）であり、最も注目されたのはウラン（原子番号92）であった。 ウランが分解すると、それまで知られていなかった原子番号93の儚い不安定な元素が生成されたのである。 この「新元素」の発見で、たちまち世界中が大騒ぎになったが、フェルミはこの大騒ぎを時期尚早、かつ不適切と考えた。 科学的な成功がファシストの環境によるものだという主張も、同様に正当化できないと考えていた。
発見
研究は続けられ、1934年10月には銀の照射実験中に不安定な結果に気づいた。 鉛の保護容器の中に金属を入れるかどうかで、放射能の出方が変わるのです。 そこで、ラドン源と銀の間に様々な物質を挟み、その放射能を比較する実験が行われた。 10月22日、フェルミは、重金属である鉛の代わりに、パラフィンワックスという軽い素材を提案したところ、わずかに放射能が増加した。 この偶然の選択はうまくいった。 ガイガーカウンターは、この銀の試料の人工放射能が100倍にもなることを示し、大騒ぎになった。 フェルミは、パラフィンに含まれる複数の水素原子が中性子を減速させ、銀の原子とより多く衝突できる状態にしたのだ、と説明した。 コルビーノは、この発見の重要性を認識し、すぐに特許を申請するよう主張した。
この重要な発見の後、さらなる研究が行われたが、実験のペースが落ちるにつれ、科学者のグループは徐々に分散していき、ほとんどの人は北米に旅立った。 イタリアの政治情勢が不安定になり、戦争が起こる可能性が出てきたことも、フェルミスに重くのしかかった。 1938年、ローマ・ベルリン枢軸が成立し、反ユダヤ主義の聖戦が始まった。 ラウラ・フェルミはユダヤ人だった。
Tremendous Energy
1938年11月10日、エンリコ・フェルミは「新しい放射性元素の同定と、この仕事に関連して行った低速中性子による核反応の発見」によりノーベル物理学賞を授与された。 彼は以前からこの可能性を知っており、アメリカの大学と就職の可能性について連絡を取り合っていた。 フェルミ一家は、ノーベル賞授賞式のためにストックホルムへの渡航を政府から許可された。 しかし、フェルミ一家はイタリアには戻らなかった。 コペンハーゲンのニールス・ボーアを訪ねた後、12月10日にアメリカへ向けて出航し、コロンビア大学でフェルミの新しい教授職を得る。
一方、ドイツでは、ウランに中性子を照射すると同じ原子量の生成物が2つできることが発見された。 それまでは周期律表のウランに近い生成物1つと、小さな崩壊生成物ができると考えられていた。
フェルミはこのニュースの意味を理解し始め、ウラン原子が中性子によって分裂すると、2個の中性子が放出されるとの仮説を立てた。 この中性子がそれぞれ別の原子を分裂させ、4個の中性子を発生させる、というように。 この連鎖反応が繰り返されると、莫大なエネルギーが生み出される。 その重要性は、科学界にも理解されていた。 フェルミはコロンビア大学でサイクロトロンを中性子発生器として使用し、自分の仮説を検証し始めたが、数ヶ月のうちにフェルミの仮説は確認された。 この現象を兵器に応用することは考えにくいが、実際に存在するのである。 このような背景から、コロンビアの物理学者たちは、アルバート・アインシュタインの協力を得て、アメリカ政府にその開発状況を報告することにした。 ルーズベルト大統領は、ウランに関する諮問委員会（ウラン委員会）を設置し、これに対応した。 1941年12月8日にアメリカが参戦すると、フェルミの研究は「戦争の仕事」となった。
1942年10月12日、イタリア人に対する「敵国人」の地位は解除され、フェルミは1944年7月11日に米国市民となった。 実験により、彼らは中性子源を囲む純黒鉛レンガの積み重ねからなる「原子炉」を作ることになった。 これにより、グラファイトが中性子の吸収・再放出、量、核分裂などの活性に及ぼす影響を調べることができた。 第二段階は、実験にウランを加えることであった。 元のスタックを再構築し、黒鉛レンガの一部にウラン片を混入させた。 黒鉛の効果についての観察が再開された。 その結果、測定可能な核連鎖反応を起こすには、現在の「パイロット版」よりも大きなスタックが必要であることがわかり、より大きな施設を探し始めた。 フェルミの研究は、最終的に1942年にシカゴ大学に移された。 冶金研究所と銘打たれたこの場所では、すべての研究が秘密裏に行われた。 この新しい施設に集まった物理学者たちは、新しくマンハッタン計画と名付けられた部門として、基礎的な原子研究に集中し、研究、材料生産、サポート要員を統合して単一の目標に向けた「大きな科学」の最初の事例となった。 シカゴのフェルミグループは小さなパイルを作り検討し、連鎖反応を持続させるための臨界サイズと組成のパイルを作るためのすべてのパラメータがわかっていると確信するようになった。 わずか6週間で、高さ26フィート弱、ゴム引き布の巨大な四角い風船に完全に包まれた最終的な杭が作られた。 1942年12月2日、フェルミはこの歴史的な作業を指揮し、制御棒を徐々に抜き取り、その結果生じる放射能の上昇をモニターした。 フェルミは、昼食をとることを宣言した。 午後3時20分、最後の制御棒が1フィートずつ慎重に引き抜かれ、フェルミの最終指示で完全撤去となった。 すべての監視装置は放射能の上昇を示し、制御された核分裂連鎖反応が達成された！
長官のアーサー・コンプトンから科学研究開発局に送られた成功報告のメッセージは、”The Italian Navigator has reached the New World. “と書いてあった。 キャンティの乾杯で祝杯をあげた。
一方、この成果を取り入れた兵器開発のためのクラッシュプログラムも進行中であった。
Mr. Farmer
フェルミは、ハンフォード、オークリッジ、アルゴンヌ、ロスアラモスなど、戦争に不可欠な施設を訪ね歩くようになった。 彼はまた、ジョン・バウディーノという常時ボディガードと “ミスター・ファーマー “というコードネームで呼ばれるようになった。 1944年の夏、フェルミ一家はシカゴからロスアラモスに引っ越した。 1945年7月16日、ニューメキシコ砂漠のトリニティで最初の原爆実験が行われた日である。 フェルミは爆心地から10マイルほど離れたベースキャンプからこの実験を観察しました。 暗い溶接ガラスの入った広い板で顔を保護し、体の露出した部分に熱の感覚を感じたと述べています。
科学者であるフェルミは、爆発の強さについて不思議に思っていました。 爆発から約40秒後、爆風が私に到達しました。 私は、爆風が通過する前、通過中、通過後に、約1.5メートルから小さな紙片を落として、その強さを推測しようとしました。 当時は風がなかったので、爆風が通過する間、落下途中の紙片の変位を非常に明瞭に観察し、実際に測定することができた。 その変位は約2.5メートルで、当時、私は1万トンのTNTが発生させる爆風に相当すると推定しました」1
爆発の後、フェルミは800フィート（約153メートル）の高さを調べました。 2655>
爆破後、フェルミは安全な鉛ライニングのシャーマン戦車から直径800フィートのクレーターを観察し、砂漠の表面がつやつやとしていることに気づいた-砂が溶けて再び固まったのだ。 日本は8月14日に降伏し、6年間続いた第二次世界大戦が終結しました。 ドイツはそれ以前の1945年5月7日に降伏していた。 核分裂の発見と同定においてドイツの科学者は著名であったが、戦時中の応用努力は成功しなかった。
原子力科学者はまた、石油や石炭の代わりに発電用タービンの蒸気を作る熱伝達エネルギーとして、核分裂を平時に利用することを指摘していた。
戦後のシカゴに戻り、フェルミは大学の原子力研究所の教授となった。 この時、彼が興味を持ったのは、宇宙線の性質と起源であった。 宇宙から地球に降り注ぐ高エネルギーの高速粒子のことである。 1947年、シカゴに巨大なサイクロトロンが建設され、研究用の素粒子の供給源として便利になった。 フェルミは、宇宙線粒子は宇宙空間の磁気の雲に衝突することによって始まり、その速度を増すと理論付けました。 フェルミ-ウォーカー輸送過程は、この状態を一般相対性理論で記述したものである。 その後、宇宙開発がどんどん進み、今では宇宙空間の宇宙線が直接調べられるようになりました。 宇宙線を人工的に作り出す装置はもはや必要ないが、新しい理論を開発する人々は、素粒子宇宙の知識を広げるためにフェーミの肩を持っている。 1897年にトムソンが電子を発見し、1910年にはラザフォードが原子の質量と正電荷をすべて含む中心核を認識し、チャドウィックが中性子を発見、そしてパウリが原子を構成する3種類の粒子（電子、陽子、中性子）の挙動を記述した。
完全な科学者であるエンリコ・フェルミは、フェルミ・ディラック統計の純粋理論に始まり、中性子砲撃の実験結果の推論、原子炉の成功設計、核分裂の最終結果の説明、そして宇宙線の加速の理由と、そのキャリアを通して理論的推論と実験の両方の適性を兼ね備えています。
Fermi-Dirac Statistics
ゲッティンゲン大学大学院で学んだフェルミは、完全気体の挙動に基づく明確な統計モデルを開発し、大きな電子雲の作用を予測し、それが他の素粒子とは異なる活性を持っているという、物質の基本特性を明らかにした。
Beta Decay
アルファ線とベータ線は、放射能の研究が始まったときに、新しく発見された現象に付けられた表現です。 正確には、アルファ粒子は陽子2個と中性子2個を持つヘリウム原子の原子核であり、はるかに高いエネルギーのベータ粒子は原子から放出された電子です。
フェルミ理論によるベータ崩壊は、崩壊の瞬間の核力の統計から崩壊、すなわち転移の確率を説明します。 フェルミは計算の中で、この過程で観察される電子のわずかなエネルギー損失を説明し、エネルギー保存の原理を保つために、ニュートリノという新しい粒子を提案しました。
フェルミの理論から25年後、ベータ崩壊のメカニズムの詳しい理解が進み、この理論は確認されました。 この理論はフェルミの黄金律とも呼ばれている。
Slow Neutrons
自然放射能は1896年にベクレルが発見し、2年後にピエール＆マリー・キュリーがポロニウムとラジウムを分離して特徴付けた。 人工放射能はその約30年後、娘のイレーヌと夫のフレデリック・ジョリオによって発見されました。 ホウ素にアルファ粒子をぶつけて、その一部を窒素に変え、ホウ素の放射能が窒素に移ることを確認した実験がある。 この方法はアルミニウムにも有効であったが、アルファ粒子のエネルギーが低いため、より重い元素には効果がなかった。 アルファ粒子には、”弾丸 “としての欠点がある。 正電荷を帯びたヘリウム原子核であるため、周囲の電子による電気的干渉で速度が落ち、正電荷を帯びた標的原子核の抵抗も受ける。 このことから、エンリコ・フェルミは、中性で高速の中性子が、アルファ粒子よりも効果的な「弾丸」になるのではないかと推測した。
最初のハードルは、アルファ粒子と特定の元素の衝突から得られる中性子の信頼できる供給源を考案することであった。 フェルミはラジウム源を分解して得たラドンをベリリウム粉末と混ぜてガラス管に封じ込めた。 これが中性子線源となった。 9番目のフッ素は、中性子照射によって放射能を示した最初の元素で、周期表にある92の自然発生元素をできるだけ多く調べることを目的としていました。
方法は、試料に中性子を照射し、その結果生じた放射能を測定し、照射した試料を化学的に分離し、分離した各元素の放射能を測定するものであった。 その結果、分解後に存在する元素は、元の標的試料と原子番号が近いことが示された。 この結果は、標的試料がウランであるまでは正しく、被爆後の混合物には、原子番号93の元素を含む多くの元素が含まれていた。 このとき、ある科学者が、試料の置き場所や周囲のものが放射線の結果に影響を与えることに気づきました。 このことに興味を持った研究チームは、中性子源と銀の標的の間の物質を変え、その結果生じる放射能を測定するという新たな調査を開始した。 その結果、銀の放射能は100倍にもなった。 この結果からフェルミが提唱した理論が遅発中性子という概念である。 この原子の原子核である一個の陽子は質量が中性子と同じである。 中性子がワックスに入ると、水素が多いため衝突の回数が多く、また粒子の大きさが似ているため衝突したときの中性子の速度が遅くなります。 これらの実験では、フェルミのチームの関心は、周期表でより遠い元素よりも、分解によって周期的に隣接する元素をテストすることであった。 他の分解生成物の可能性は気づかれなかった。 ウランに放射線を当てると核分裂を起こすことを発見したのは、2年後のハーン、ストラスマン、マイトナーの3人であった。 発見されたと思われていた新元素は、実はウランの分解生成物の混合物であったという推論である。
Chain Reaction
核分裂の発見を知ったフェルミは、シラードと共同で直ちに新しい仮説を追加した。 ウラン原子が分裂するときに発生する高いエネルギーについて、彼の暫定的な説明は、分裂を引き起こす元の単一原子が2個の中性子を発生させたと仮定した。 この2個の中性子が他のウラン原子と衝突して4個の中性子を発生させ、それが連鎖して中性子の数が増えていくのだろう。 このプロセスは、すべてのウラン原子が使い果たされるまで続けられる。 フェルミの仮説は理想的な状態を示している。
フェルミの仮説は理想的な条件を述べたもので、実際の状況では、フェルミがパラフィンワックスの実験ですでに発見したように、高い核速度による衝突の失敗や核内吸収による反応の鈍化によって、エネルギー生産と反応速度が減少することを認めなければならない。 中性子源はサイクロトロンで作られた高加速重陽子（重水素原子の原子核）をベリリウムにぶつけて作られたものである。
連鎖反応は臨界量（脱出や吸収による中性子の損失を考慮した後、反応を維持するのに十分な中性子が存在する時点）で起こる。
Credits
The Enrico Fermi presentation is made by support from The Barra Foundation and Unisys.
この Web サイトは、科学学習イノベーション センターの上級副社長である Carol Parssinen とフランクリン センターの副社長である Bo Hammer の指揮のもと、フランクリン研究所の社内特別プロジェクト チームによる取り組みです。
教育工学部門からの特別プロジェクト チーム メンバーは、
Karen Elinich、Barbara Holberg、Margaret Ennis です。
キュレーター部門の特別プロジェクト・チーム・メンバーは、
John Alviti、Andre Pollack。
プロジェクトのアドバイザリー・ボード・メンバーは、
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger, and Susan Yoonです。