Inleiding
Geboren in 1901, was Enrico Fermi een echte twintigste eeuwse wetenschapper. Het verhaal van zijn jeugd, opvoeding en carrière lijkt vertrouwd en “modern”. Zoals vele briljante wetenschappers van zijn tijd, zag Fermi de gebeurtenissen in Europa als een extra stimulans om in Amerika te werken. Europa’s verlies was Amerika’s winst. In New York en Chicago vond Fermi de omgeving en de technologie die hij nodig had om zijn theorieën verder te ontwikkelen en te bewijzen. Tegen 1947 was Fermi een gevierd wetenschapper, wereldwijd bekend om zijn vorderingen in de theoretische en experimentele fysica.
Wie was Enrico Fermi? Wat waren zijn bijdragen aan de theoretische en experimentele fysica?
Een Uitzonderlijke Student
Enrico Fermi werd geboren op 29 september 1901 in Rome, Italië; hij was de jongste van drie kinderen van Alberto Fermi, een spoorwegbeambte, en Ida de Gattis, een onderwijzeres met hoge verwachtingen.
De dood van zijn broer, Giulio, in 1915 tijdens een kleine operatie was een verpletterende klap voor het gezin. Terwijl zijn moeder diep in rouw was, vulde Enrico de leegte die hij voelde met studie. Het lezen van natuurkundige en wiskundige teksten werd zijn hobby. Zijn vrouw, Laura Fermi, beschreef eens hoe Enrico haar vertelde hoe hij thuis op zijn handen zat om warm te blijven tijdens het studeren en hoe hij “de bladzijden van zijn boek omsloeg met zijn tong.”
Een collega van zijn vader, Ingegner Amidei, moedigde de jonge Enrico aan in zijn studie en wees hem de weg naar de Reale Scuolo Normale Superiore, een dochteronderneming van de Universiteit van Pisa, die zich speciaal richtte op veelbelovende en getalenteerde studenten en hen toeliet via vergelijkende examens. Toen Enrico Fermi een opstel over trillende snaren indiende dat de examinator versteld deed staan, werd hij tot de school toegelaten en “uitzonderlijk” verklaard. Dus, op 17, verhuisde hij van Rome naar Pisa, de plaats van Galileo’s beroemde experimenten honderden jaren eerder.
Tijdens zijn studie aan de Universiteit van Pisa, maakte Fermi vorderingen in zijn theoretische benadering van spectroscopie. Hij promoveerde aan de universiteit in juli 1922 met zijn proefschrift over het onderzoek van röntgenstraling.
Fine Young Scientist
Terug in Rome maakte Fermi kennis met Orso Mano Corbino, het hoofd van de ingenieursschool van de Universiteit van Rome en een senator in de regering van het land. De Italiaanse regering verleende Fermi beurzen en fellowships die hem in staat stelden om samen met twee specialisten in kwantummechanica verder te studeren: Professor Max Born, de natuurkunde Nobelprijswinnaar, aan de Universiteit van Gottingen en Dr. Paul Ehrenfest aan de Universiteit van Leiden. Werner Heisenberg was een klasgenoot in Gottingen.
Terugkerend naar Italië in 1924, toen de fascistische regering van Mussolini zich aan het vormen was, nam Fermi, nog steeds een beschermeling van Corbino, de speciaal gecreëerde positie in van leerstoel voor Theoretische Fysica aan de Universiteit van Rome. Corbino’s doel was het herstel van het verminderde wetenschappelijke aanzien van Italië en hij begon met de aanwerving van de beste jonge wetenschappers om Fermi een uitstekende natuurkundeafdeling te bouwen.
In het begin werkte Fermi’s groep met spectroscopische verschijnselen en kwantummechanica. In deze tijd, vóór de ontdekking van het neutron en terwijl de kwantumtheorie nog in ontwikkeling was, richtte Fermi zijn aandacht op de eigenschappen van elektronen. Zijn theorie van de Fermi-statistiek betreft de waarschijnlijkheid van de verdeling van elektronen op bepaalde niveaus binnen het atoom. Hij stelde vast dat zijn naamgenoot fermionen, de sub-atomaire basisdeeltjes van de materie, gehoorzamen aan het Pauli Exclusie Principe.
Laura Capon, een studente scheikunde, en Enrico Fermi trouwden in 1928 en hun kinderen, Nella en Giulio, werden geboren in 1931 en in 1936.
Fermi bezocht de Verenigde Staten voor het eerst in 1930 om een zomersymposium over kwantumtheorie toe te spreken; hij keerde terug in de zomers van 1933 en 1935 tot 1937.
Interesse in meer informatie over Enrico Fermi? Leer meer over zijn Benjamin Franklin Award
Van Theoretisch naar Experimenteel
Na de ontdekking van het neutron in 1932 en de ontdekking van kunstmatige radioactiviteit in 1934, besloot Fermi te experimenteren met het produceren van kunstmatige radioactiviteit door het neutronenbombardement te vervangen door de alfadeeltjesmethode die de Franse wetenschappers hadden gebruikt. Dit betekende een verandering in zijn academische prioriteit van theoretische naar experimentele wetenschap.
Hij bedacht een procedure om neutronen te produceren uit de combinatie van radon en beryllium, bouwde een geigerteller om de geproduceerde radioactiviteit te meten, en begon met het bombarderen van elementen, waarbij hij systematisch door het Periodiek Systeem ging. Het eerste succes in het detecteren van radioactiviteit kwam met fluor (atoomnummer=9) en het meest opmerkelijke was met uranium (atoomnummer=92). Bij het uiteenvallen van uranium ontstond een vluchtig, onstabiel element met atoomnummer 93, waarvan het bestaan nooit eerder bekend was. Onmiddellijke wereldwijde publiciteit over dit “nieuwe element” volgde op de ontdekking, maar Fermi vond deze publiciteit zowel voorbarig als ongepast. Ook beweringen dat het wetenschappelijk succes te danken was aan het fascistische milieu vond hij onterecht. De volledige impact van de ontdekking van de desintegratie van uranium zou enkele jaren later volgen.
Ontdekking
Het onderzoek ging door en in oktober 1934 werden grillige resultaten opgemerkt tijdens bestralingsexperimenten op zilver. De resulterende radioactiviteit van het metaal hing af van de plaatsing ervan in de beschermende loden houder. Daarom werden experimenten opgezet om de radioactiviteit te vergelijken die werd geproduceerd wanneer verschillende materialen tussen de radonbron en het zilveren doel werden geplaatst. Op 22 oktober stelde Fermi als alternatief voor het zware metaal lood, dat een lichte activiteitsstijging vertoonde, een licht materiaal voor: paraffinewas. Zijn toevallige keuze werkte goed. De geigerteller toonde aan dat de kunstmatige radioactiviteit van dit zilvermonster tot honderd maal was toegenomen – de opwinding nam toe. Fermi’s verklaring was dat de meervoudige waterstofatomen in de paraffine de neutronen effectief “vertraagden” tot een toestand die veel meer botsingen met de zilveratomen toeliet. De volgende verbazingwekkende mogelijkheid van gecontroleerde of “gecontroleerde” blootstelling aan straling door neutronenbombardementen was nabij.
Omdat Corbino de vertakkingen van deze ontdekking zag, drong hij erop aan dat onmiddellijk octrooi werd aangevraagd. De aanvraag werd ingediend op 26 oktober 1934.
Het werk volgde op deze gedenkwaardige ontdekking, maar de groep wetenschappers verspreidde zich geleidelijk toen het tempo van de experimenten vertraagde; de meesten reisden naar Noord-Amerika. Het onzekere politieke klimaat in Italië en de waarschijnlijkheid van oorlog wogen op de Fermis. Met de as Rome-Berlijn op zijn plaats begon in 1938 een kruistocht van antisemitisme. Laura Fermi was Joods.
Tremendous Energy
Op 10 november 1938 kreeg Enrico Fermi de Nobelprijs voor Natuurkunde voor zijn “identificatie van nieuwe radioactieve elementen en zijn ontdekking, gedaan in verband met dit werk, van nucleaire reacties die door langzame neutronen worden bewerkstelligd.” Hij was al eerder op de hoogte geweest van deze mogelijkheid en had contact gehad met Amerikaanse universiteiten over arbeidsmogelijkheden. De familie Fermi kreeg toestemming van de regering om naar Stockholm te reizen voor de uitreiking van de Nobelprijs. Zij keerden niet terug naar Italië. In plaats daarvan, na een bezoek aan Niels Bohr in Kopenhagen, zeilden zij op 10 december naar de Verenigde Staten en Fermi’s nieuwe hoogleraarschap aan de Columbia Universiteit.
Terwijl was in Duitsland ontdekt dat het neutronenbombardement op uranium twee producten oplevert met een vergelijkbaar atoomgewicht. Men had één product verwacht dat dicht bij uranium in het Periodiek Systeem lag, plus kleine desintegratieproducten. De reactie die nu optrad kon beter worden omschreven als splijting, niet als desintegratie.
Fermi begon de implicaties van dit nieuws te begrijpen en ging verder met de hypothese dat de splijting van een uraniumatoom met een neutron resulteert in het vrijkomen van twee neutronen. Elk van deze neutronen zou dan een ander atoom splitsen, wat vier neutronen zou opleveren, enzovoort. Deze kettingreactie, die zichzelf in stand houdt, zou een enorme energie produceren. Het belang ervan ging niet verloren voor de wetenschappelijke gemeenschap. In een atmosfeer van dreigende oorlog verscheen de mogelijkheid van nieuwe wapens van onvoorstelbare intensiteit.
Fermi begon zijn hypothese te testen aan de Columbia Universiteit met gebruikmaking van het cyclotron aldaar als neutronengenerator; binnen enkele maanden werd Fermi’s hypothese bevestigd.
War Work
Elders, waar het oorlogsgevaar toenam, hadden de Duitse wetenschappers ervaring opgedaan met kernsplijting. Hoewel wapentoepassingen van dit fenomeen ver weg waren, bestonden ze wel. Dergelijke overwegingen brachten de natuurkundigen van Columbia ertoe de hulp in te roepen van Albert Einstein om de regering van de Verenigde Staten op de hoogte te brengen van de ontwikkelingen. President Roosevelt reageerde met de oprichting van een Adviescommissie voor Uranium (de Uranium Commissie).
Op dat moment waren Groot-Brittannië en zijn koloniën in oorlog met Duitsland en, zes maanden later, ook met Italië. Fermi’s onderzoek werd “oorlogswerk” toen de Verenigde Staten op 8 december 1941 in de oorlog kwamen. Hij werd ook automatisch een “vijandelijke vreemdeling” met alle complicaties van dien.
Op 12 oktober 1942 werd de “vijandelijke” status voor Italianen opgeheven; Fermi werd op 11 juli 1944 staatsburger van de Verenigde Staten.
Atomic Pile
Op Columbia gingen Fermi en zijn team door met het onderzoek naar de haalbaarheid van gecontroleerde kettingreacties van kernsplijting. Experimenten leidden hen ertoe een “atomaire stapel” te bouwen, beginnend als een stapel zuivere grafietstenen rond een neutronenbron. Deze eerste stap maakte het mogelijk het effect van grafiet op de neutronenactiviteit te onderzoeken: absorptie en heremissie, hoeveelheden, splijtingen. De tweede stap was de toevoeging van uranium aan het experiment. De oorspronkelijke schoorsteen werd opnieuw opgebouwd, waarbij sommige grafietstenen met stukjes uranium werden bezaaid. De waarnemingen over het effect van grafiet werden hervat. De resultaten toonden Fermi aan dat een grotere schoorsteen dan de huidige “proef”-versie nodig was om een meetbare nucleaire kettingreactie te produceren, en een zoektocht naar grotere faciliteiten begon.
De uitbreiding op Columbia werd vertraagd door het besluit van de Amerikaanse regering om het atoomonderzoek te versnellen en te centraliseren. Fermi’s werk verhuisde uiteindelijk naar de Universiteit van Chicago in 1942. Alle activiteiten op deze locatie, die de naam Metallurgical Laboratory meekreeg, werden geheim gehouden. De natuurkundigen die zich in de nieuwe faciliteit verzamelden concentreerden zich op fundamenteel atoomonderzoek als een arm van het pas genoemde Manhattan Project, het eerste geval van “grote wetenschap” met het onderzoek, de productie van materialen, en ondersteunend personeel geconsolideerd en gericht op een enkel doel.
Nu had Fermi de ruimte die nodig was voor zijn uitgebreide atoomstapel. Die ruimte – ongeveer 200 vierkante meter in oppervlakte en meer dan 26 voet hoog in de ongebruikte squashbaan onder de West Stands van het Stagg Field Stadium in het midden van een stad met meer dan 3 miljoen inwoners – was voorbestemd voor blijvende roem.
De Fermi-groep in Chicago bouwde en onderzocht kleine stapels, en kreeg er vertrouwen in dat alle parameters om een stapel te maken van de kritische grootte en samenstelling voor een aanhoudende kettingreactie bekend waren. In een tijdsbestek van slechts zes weken werd de uiteindelijke paal gebouwd, die iets minder dan 6 meter hoog was en volledig was ingekapseld in een enorme vierkante ballon van gerubberd doek. Op 2 december 1942 leidde Fermi de historische operatie, leidde de geleidelijke verwijdering van de controlestaven en controleerde de resulterende toename van radioactiviteit. Toen alles volgens plan verliep, las Fermi, een gewoontedier, een lunchpauze in. Na de lunch werd het werk hervat en om 3.20 uur ’s middags was de laatste regelstaaf voorzichtig in stappen van een meter teruggetrokken toen Fermi de laatste instructie gaf om deze volledig te verwijderen. Alle controle-instrumenten toonden stijgende radioactiviteit – de gecontroleerde kernsplijtingskettingreactie was bereikt! Het bericht over het succes, verzonden door de directeur, Arthur Compton, aan het Bureau voor Wetenschappelijk Onderzoek en Ontwikkeling, zei: “De Italiaanse Navigator heeft de Nieuwe Wereld bereikt.” Een toost van Chianti werd geheven om het te vieren.
Terwijl, was het crash programma om wapens te ontwikkelen die deze prestatie omvatten, doorgegaan. Men dacht aan een atoombom, met een ongecontroleerde kernexplosie.
Mr. Farmer
Fermi reisde nu door het land om plaatsen te bezoeken die van cruciaal belang waren voor de oorlogsinspanning – Hanford, Oak Ridge, Argonne, en Los Alamos. Hij verdiende ook een constante lijfwacht, John Baudino, en de codenaam “Mr. Farmer.” In de zomer van 1944 verhuisde het gezin Fermi van Chicago naar Los Alamos. Zij bleven daar tot 31 december 1945.
16 juli 1945 was de datum van de eerste atoombomproef in Trinity in de woestijn van New Mexico. Fermi observeerde het vanuit het basiskamp ongeveer 10 mijl van de ontploffingsplaats. Hij beschreef dat hij een brede plank had met een inzet van donker lasglas om zijn gezicht te beschermen en dat hij de hitte voelde op de blootgestelde delen van zijn lichaam.
Zelfs de wetenschapper, vroeg Fermi zich af hoe sterk de ontploffing was. Hij beschreef de eenvoudige test die hij deed:
“Ongeveer 40 seconden na de explosie bereikte de luchtontploffing mij. Ik probeerde de kracht ervan in te schatten door kleine stukjes papier van een meter of zes te laten vallen voor, tijdens en na de passage van de drukgolf. Omdat er op dat moment geen wind was, kon ik de verplaatsing van de stukjes papier die aan het vallen waren terwijl de explosie passeerde, heel duidelijk waarnemen en daadwerkelijk meten. De verschuiving was ongeveer 2,5 meter, wat, op dat moment, naar mijn schatting overeenkwam met de ontploffing die zou worden geproduceerd door tienduizend ton T.N.T. “1
Na de ontploffing onderzocht Fermi de krater met een diameter van 800 ft. Na de ontploffing bestudeerde Fermi de krater met een diameter van 800 voet vanuit de veiligheid van een met lood beklede Sherman tank, waarbij hij het geglazuurde woestijnoppervlak opmerkte: het zand was gesmolten en weer hard geworden.
An Alternative Use
Op 6 augustus 1945 werd de atoombom op Hiroshima afgeworpen en de volgende drie dagen later op Nagasaki. Japan gaf zich over op 14 augustus, waarmee een einde kwam aan de zes jaar durende Tweede Wereldoorlog. Duitsland had zich eerder al op 7 mei 1945 overgegeven. Hoewel Duitse wetenschappers een vooraanstaande rol hadden gespeeld bij de ontdekking en identificatie van kernsplijting, waren hun pogingen om kernsplijting in oorlogstijd toe te passen niet geslaagd.
Atomowetenschappers hadden ook gewezen op het gebruik van kernsplijting in vredestijd als een alternatief voor olie en kolen bij het leveren van de warmteoverdrachtsenergie om stoom te produceren voor turbines bij de opwekking van elektriciteit. Een programma voor de bouw van kerncentrales begon.
Terug in het naoorlogse Chicago werd Fermi professor aan het Instituut voor Nucleaire Studies aan de universiteit. Zijn belangstelling ging nu uit naar de aard en oorsprong van kosmische straling: de hoogenergetische, supersnelle deeltjes die de aarde vanuit de ruimte bombarderen. De bouw van het reusachtige cyclotron in Chicago in 1947 verschafte een handige bron van sub-atomaire deeltjes voor studie. Fermi theoretiseerde dat kosmische stralingsdeeltjes beginnen en hun snelheid verkrijgen door botsingen met magnetische wolken in de ruimte. Het Fermi-Walker transportproces beschrijft deze toestand in termen van algemene relativiteit.
Enrico Fermi stierf in Chicago aan maagkanker op 28 november 1954. Sindsdien is het ruimteonderzoek gegroeid en toegenomen, en nu worden kosmische stralen in de ruimte rechtstreeks onderzocht. Hardware om kunstmatig kosmische straling te creëren is niet langer essentieel, maar degenen die nieuwe theorieën ontwikkelen staan op de schouders van Fermi bij het uitbreiden van de kennis van het universum van subatomaire deeltjes.
Achtergrond
Fermi groeide op in een tijd waarin nieuwe theorieën en ideeën in de atoomfysica hoogtij vierden. Thomsons ontdekking van het elektron vond plaats in 1897; in 1910 kwam Rutherfords waarneming van de centrale, minuscule kern die alle massa en positieve lading van het atoom bevatte; Chadwicks ontdekking van het neutron; vervolgens Pauli die het gedrag beschreef van de drie soorten deeltjes waaruit het atoom is opgebouwd: elektron, proton en neutron.
Enrico Fermi, de complete wetenschapper, combineerde zijn aanleg voor zowel theoretische deductie als experiment gedurende zijn hele carrière, beginnend met de zuivere theorie van de Fermi-Dirac statistiek via deducties van experimentele resultaten in neutronenbombardementen, succesvolle ontwerpen van atoompalen, verklaring van de eindresultaten van kernsplijting, en eindigend met redenen voor de versnelling van kosmische stralen.
Fermi-Dirac Statistiek
Tijdens zijn postdoctorale studie aan de Universiteit van Gottingen ontwikkelde Fermi het aparte statistische model gebaseerd op het gedrag van een perfect gas, waarmee hij de acties van grote wolken elektronen voorspelde en aantoonde dat zij een andere activiteit hebben dan andere sub-atomaire deeltjes – een fundamenteel kenmerk van materie. Dergelijke elementaire deeltjes, de basiselementen van de materie, worden fermionen genoemd naar Fermi.
Bètaverval
“Alfa”- en “bèta”-straling was de omschrijving die aan het begin van het onderzoek naar radioactiviteit werd gegeven aan de nieuw ontdekte verschijnselen. Nauwkeuriger gezegd, het alfadeeltje is de kern van het heliumatoom met twee protonen en twee neutronen, en het bètadeeltje met de veel hogere energie is een elektron dat uit het atoom vrijkomt.
De theorie van Fermi over het bètaverval beschrijft de waarschijnlijkheid van het verval, of de overgang, in termen van de statistiek van de kernkrachten op het moment van het verval. In zijn berekening stelde Fermi een nieuw deeltje voor, het neutrino, om het geringe verlies van elektron-energie tijdens het proces te verklaren en het principe van behoud van energie te behouden.
Vijfentwintig jaar na Fermi’s theorie kwam men tot een gedetailleerd begrip van het mechanisme van bèta-verval en werd de theorie bevestigd. Deze theorie wordt ook wel de Gulden Regel van Fermi genoemd.
Slow Neutrons
Natuurlijke radioactiviteit werd ontdekt door Becquerel in 1896 en gekarakteriseerd door Pierre en Marie Curie twee jaar later bij hun isolatie van polonium en radium. Kunstmatige radioactiviteit werd zo’n dertig jaar later ontdekt door hun dochter Irene en haar man, Frederic Joliot. In een experiment bombardeerden zij borium met alfadeeltjes, waarbij een deel ervan werd omgezet in stikstof en vervolgens werd bevestigd dat de radioactiviteit van het borium overging op de stikstof. Deze methode was ook effectief op aluminium, maar niet op zwaardere elementen, vanwege de lage energie van alfadeeltjes. Alfadeeltjes hebben nadelen als “kogels”. Omdat het positief geladen heliumkernen zijn, worden zij afgeremd door elektrische interferentie van omringende elektronen en ondervinden zij weerstand van de positief geladen doelkernen. Hun snelheid, kracht en effectieve afstand zijn verminderd.
Vanwege deze informatie speculeerde Enrico Fermi dat neutronen, met neutrale polariteit en hogere snelheid, effectievere “kogels” zouden zijn dan alfa-deeltjes. Zijn experimentele benadering bestond uit het methodisch doorlopen van het periodiek systeem, waarbij elk element aan een neutronenbombardement werd onderworpen.
De eerste hindernis was het vinden van een betrouwbare bron van neutronen, die worden verkregen uit de botsingen van alfadeeltjes met bepaalde elementen. Fermi nam radon uit de desintegratie van een radiumbron en mengde dit met berylliumpoeder en sloot dit af in een glazen buis. De buis was zijn neutronenbron. Hij bouwde de geigerteller die werd gebruikt om de radioactiviteitsresultaten te meten en verzamelde chemische procedures om de door desintegratie ontstane elementen te scheiden en te identificeren.
Fluor, het negende, was het eerste element dat radioactiviteit vertoonde door neutronenbeschieting; het doel was om zoveel mogelijk van alle 92 in de natuur voorkomende elementen in het periodiek systeem te onderzoeken.
De methode bestond erin een monster te bombarderen, de resulterende radioactiviteit te meten, het bestraalde monster chemisch te scheiden, en de radioactiviteit van elk gescheiden element te meten. Er werd aangetoond dat het element dat na desintegratie aanwezig was, in atoomnummer dicht bij het oorspronkelijke doelmonster lag. Deze uitkomst gold totdat het doelmonster uranium was; het mengsel na de bomontploffing bevatte een aantal elementen, waaronder één met atoomgewicht 93. Een nieuw element – zelfs een onstabiel element – was blijkbaar gecreëerd.
De volgende doorbraak van het team kwam toen een wetenschapper opmerkte dat de plaatsing van het monster en voorwerpen eromheen het stralingsresultaat beïnvloedden. Hierdoor geïntrigeerd begon het team aan een nieuw onderzoek, waarbij de materialen tussen de neutronenbron en een zilveren doelwit werden gevarieerd en de resulterende radioactiviteit werd gemeten.
Tijdens de experimenten stelde Fermi voor een licht materiaal, zoals paraffinewas, te gebruiken als tussenmateriaal rond de neutronenbron in plaats van het zware metaal, lood. De resultaten waren verbluffend: de radioactiviteit van het zilver werd honderd keer zo hoog. Fermi’s theorie van deze resultaten introduceerde het langzame neutronenconcept.
Paraffinewas, een vast mengsel van koolwaterstoffen, bevat een hoog percentage waterstofatomen. De kernen van deze atomen, enkelvoudige protonen, zijn in massa gelijk aan neutronen. Wanneer neutronen de was binnendringen, zorgt het hoge waterstofgehalte voor een groot aantal botsingen en de overeenkomst in deeltjesgrootte vertraagt de snelheid van de neutronen wanneer er botsingen plaatsvinden. De “langzame” neutronen die het doel treffen, zullen eerder tegen zilveratomen botsen; de grotere botsingen resulteren in een hogere radioactiviteit.
Bij deze experimenten ging de aandacht van Fermi’s team uit naar het testen op periodiek aangrenzende elementen van ontleding in plaats van verder weg gelegen elementen in het periodiek systeem. De mogelijkheid van andere ontledingsproducten bleef onopgemerkt. Het werd overgelaten aan Hahn, Strassman en Meitner, twee jaar later, om te ontdekken dat de bestraling van uranium kernsplijting veroorzaakt. De gevolgtrekking was dat het nieuwe element waarvan men dacht dat het ontdekt was, in feite een mengsel was van de afbraakproducten van uranium.
Kettingreactie
Toen Fermi, in samenwerking met Szilard, hoorde van de ontdekking van de kernsplijting, voegde hij onmiddellijk een nieuwe hypothese aan zijn lijst toe. Zijn voorlopige verklaring voor de hoge energie die door het uraniumatoom bij splitsing werd opgewekt, ging ervan uit dat het oorspronkelijke enkele atoom dat de splitsing veroorzaakte, twee neutronen produceerde. Het zou mogelijk zijn dat deze twee dan in botsing zouden komen met andere uraniumatomen en vier neutronen zouden produceren, en zo zou de keten van reacties toenemen, evenals het aantal neutronen. Dit proces zou doorgaan tot alle uraniumatomen opgebruikt waren. Bij elke kernbotsing komen enorme hoeveelheden energie vrij.
Fermi’s hypothese beschreef een ideale toestand. Er moest worden erkend dat in werkelijke situaties de energieproductie en de reactiesnelheid zouden worden verminderd door gemiste botsingen als gevolg van de hoge nucleaire snelheid en de vertraagde interactie door intra-nucleaire absorptie, zoals Fermi reeds had ontdekt in zijn paraffine-wasexperimenten.
Experimentele bevestiging vereiste een betrouwbare neutronenbron, een geschikt vat om de kettingreactie in onder te brengen, en een methode om de reactiesnelheid te controleren, of te matigen. De neutronenbron werd gemaakt door beryllium te beschieten met sterk versnelde deuteronen (kernen van deuteriumatomen), gemaakt in een cyclotron. Het vat was een stapel ultrazuiver grafiet ter grootte van een kamer, bezaaid met een raster van uranium en de moderatoren waren verwijderbare grafietstaven die op intervallen in de stapel waren aangebracht.
De kettingreactie treedt op bij kritische massa, het punt waarop er juist voldoende neutronen zijn om de reactie in stand te houden na verrekening van neutronenverlies uit de stapel als gevolg van ontsnapping en absorptie. De paal die de eerste kettingreactie veroorzaakte was een bolvormige paal met een diameter van bijna 2 meter.
Credits
De presentatie van Enrico Fermi is mogelijk gemaakt met steun van The Barra Foundation en Unisys.
Deze website is het resultaat van een intern speciaal projectteam van The Franklin Institute, onder leiding van Carol Parssinen, Senior Vice-President voor het Center for Innovation in Science Learning, en Bo Hammer, Vice-President voor The Franklin Center.
Speciale projectteamleden van de afdeling Onderwijstechnologie zijn:
Karen Elinich, Barbara Holberg, en Margaret Ennis.
Speciale projectteamleden van de Curatorial afdeling zijn:
John Alviti en Andre Pollack.
De leden van de Adviesraad van het project zijn:
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger, en Susan Yoon.