Wprowadzenie
Urodzony w 1901 roku, Enrico Fermi był naprawdę naukowcem dwudziestego wieku. Opowieść o jego dzieciństwie, edukacji i karierze wydaje się znajoma i „nowoczesna”. Jak wielu genialnych naukowców swoich czasów, Fermi postrzegał wydarzenia zachodzące w Europie jako dodatkową zachętę do pracy w Ameryce. Strata Europy była zyskiem Ameryki. W Nowym Jorku i Chicago Fermi znalazł środowisko i technologię, które były mu potrzebne do rozwoju i udowodnienia swoich teorii. Do 1947 roku Fermi był sławnym naukowcem, znanym na całym świecie ze swoich postępów w fizyce teoretycznej i eksperymentalnej.
Kim był Enrico Fermi? Jaki był jego wkład w fizykę teoretyczną i eksperymentalną?
Wyjątkowy uczeń
Enrico Fermi urodził się 29 września 1901 roku w Rzymie, we Włoszech; był najmłodszym z trojga dzieci Alberta Fermiego, urzędnika kolejowego, i Idy de Gattis, nauczycielki elementarnej o twardych oczekiwaniach.
Śmierć jego brata, Giulio, w 1915 roku podczas drobnej operacji była miażdżącym ciosem dla rodziny. Podczas gdy jego matka była pogrążona w głębokiej żałobie, Enrico wypełniał odczuwaną pustkę nauką. Czytanie tekstów z dziedziny fizyki i matematyki stało się jego hobby. Jego żona, Laura Fermi, opisała kiedyś, jak Enrico opowiadał jej, że podczas nauki siedział w domu na rękach, aby się ogrzać, i jak „przewracał strony książki językiem.”
Kolega jego ojca, Ingegner Amidei, zachęcał młodego Enrico do nauki i skierował go do Reale Scuolo Normale Superiore, filii Uniwersytetu w Pizie, która specjalnie kierowała obiecujących i utalentowanych studentów i przyjmowała ich w drodze konkursowych egzaminów. Kiedy Enrico Fermi złożył esej o wibrujących strunach, który zadziwił profesora egzaminującego, został przyjęty do szkoły i uznany za „wyjątkowego”. Tak więc, w wieku 17 lat, przeniósł się z Rzymu do Pizy, miejsca słynnych eksperymentów Galileusza setki lat wcześniej.
Podczas pobytu na Uniwersytecie w Pizie, Fermi posunął się naprzód w swoim teoretycznym podejściu do spektroskopii. W lipcu 1922 roku uzyskał tytuł doktora na tym uniwersytecie dzięki swojej pracy na temat badania promieniowania rentgenowskiego.
Doskonały młody naukowiec
Powróciwszy do Rzymu, Fermi zawarł znajomość z Orso Mano Corbino, szefem szkoły inżynierskiej Uniwersytetu Rzymskiego i senatorem w rządzie krajowym. Rząd włoski przyznał Fermiemu stypendia, które umożliwiły mu podjęcie zaawansowanych studiów u dwóch specjalistów w dziedzinie mechaniki kwantowej: Profesora Maxa Borna, noblisty z fizyki, na Uniwersytecie w Gottingen i dr Paula Ehrenfesta na Uniwersytecie w Leiden. Werner Heisenberg był kolegą z klasy w Gottingen.
Powracając do Włoch w 1924 roku, gdy formował się faszystowski rząd Mussoliniego, Fermi, wciąż protegowany Corbino, objął specjalnie stworzone stanowisko Katedry Fizyki Teoretycznej na Uniwersytecie Rzymskim. Celem Corbino była odbudowa osłabionej pozycji naukowej Włoch i zaczął rekrutować najlepszych młodych naukowców, aby zbudować Fermiemu wybitny wydział fizyki.
Na początku grupa Fermiego pracowała nad zjawiskami spektroskopowymi i mechaniką kwantową. W tym czasie, przed odkryciem neutronu i gdy teoria kwantowa była jeszcze w fazie rozwoju, Fermi skupił swoją uwagę na właściwościach elektronów. Jego teoria statystyki Fermiego dotyczy prawdopodobieństwa rozmieszczenia elektronów na danych poziomach w atomie. Ustalił, że jego imiennik, fermiony, podstawowe subatomowe cząstki materii, przestrzegają Zasady Wykluczenia Pauliego.
Laura Capon, studentka chemii, i Enrico Fermi pobrali się w 1928 roku, a ich dzieci, Nella i Giulio, urodziły się w 1931 i 1936 roku.
Fermi po raz pierwszy odwiedził Stany Zjednoczone w 1930 roku, aby wygłosić przemówienie na letnim sympozjum na temat teorii kwantowej; powrócił latem 1933 roku i w latach 1935-1937.
Interesuje Cię więcej informacji o Enrico Fermim? Learn More About His Benjamin Franklin Award
From Theoretical to Experimental
Po odkryciu neutronu w 1932 r., a następnie odkryciu sztucznej radioaktywności w 1934 r., Fermi postanowił poeksperymentować z produkcją sztucznej radioaktywności, zastępując bombardowanie neutronami metodą cząstek alfa, którą stosowali francuscy naukowcy. Oznaczało to zmianę jego priorytetu naukowego z nauki teoretycznej na eksperymentalną.
Opracował procedurę produkcji neutronów z połączenia radonu i berylu, zbudował licznik Geigera do pomiaru wytwarzanej radioaktywności i zaczął bombardować pierwiastki, przechodząc systematycznie przez Układ Okresowy. Pierwszy sukces w wykrywaniu radioaktywności odniósł fluor (liczba atomowa=9), a najbardziej godny uwagi był uran (liczba atomowa=92). W wyniku rozpadu uranu powstał ulotny, niestabilny pierwiastek o liczbie atomowej 93, o którego istnieniu nigdy wcześniej nie wiedziano. Po odkryciu tego „nowego pierwiastka” nastąpił natychmiastowy światowy rozgłos, ale Fermi uważał ten rozgłos za przedwczesny i niewłaściwy. Równie nieuzasadnione były jego zdaniem twierdzenia, że sukces naukowy zawdzięczamy faszystowskiemu środowisku. Pełny wpływ odkrycia rozpadu uranu nastąpiłby kilka lat później.
Odkrycie
Badania trwały nadal i w październiku 1934 roku zauważono nieregularne wyniki podczas eksperymentów napromieniowywania srebra. Otrzymana radioaktywność metalu zależała od jego umieszczenia wewnątrz ochronnego pojemnika z ołowiu. Rozpoczęto więc eksperymenty mające na celu porównanie radioaktywności wytwarzanej przez różne materiały umieszczone pomiędzy źródłem radonu a srebrną tarczą. 22 października Fermi zaproponował lekki materiał: parafinę jako alternatywę dla ciężkiego metalu – ołowiu, który wykazywał niewielki wzrost aktywności. Jego przypadkowy wybór okazał się trafny. Licznik Geigera wykazał, że sztuczna radioaktywność tej srebrnej próbki wzrosła aż stukrotnie – podniecenie rosło. Fermi wyjaśnił, że liczne atomy wodoru w parafinie skutecznie „spowalniały” neutrony do stanu, który pozwalał na znacznie więcej zderzeń z atomami srebra. Następna zdumiewająca możliwość kontrolowanego lub „okiełznanego” narażenia na promieniowanie przez bombardowanie neutronami była bliska.
Przewidując konsekwencje tego odkrycia, Corbino nalegał na natychmiastowe złożenie wniosku o patent. Wniosek został złożony 26 października 1934 roku.
Dalsza praca nastąpiła po tym doniosłym odkryciu, ale grupa naukowców stopniowo się rozproszyła, gdy tempo eksperymentów spadło; większość wyjechała do Ameryki Północnej. Niepewny klimat polityczny we Włoszech i prawdopodobieństwo wojny ważyły na Fermis. Po utworzeniu osi Rzym-Berlin, w 1938 r. rozpoczęła się krucjata antysemicka. Laura Fermi była Żydówką.
Tremendous Energy
On November 10, 1938, Enrico Fermi został nagrodzony Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za „identyfikację nowych pierwiastków promieniotwórczych i jego odkrycie, wykonane w związku z tą pracą, reakcji jądrowych wywołanych przez powolne neutrony”. Już wcześniej wiedział o takiej możliwości i kontaktował się z amerykańskimi uniwersytetami w sprawie możliwości zatrudnienia. Rodzina Fermi otrzymała rządowe pozwolenie na podróż do Sztokholmu na wręczenie Nagrody Nobla. Nie wrócili jednak do Włoch. Zamiast tego, po odwiedzeniu Nielsa Bohra w Kopenhadze, popłynęli 10 grudnia do Stanów Zjednoczonych i nowej profesury Fermiego na Uniwersytecie Columbia.
W międzyczasie w Niemczech odkryto, że bombardowanie neutronami uranu powoduje powstanie dwóch produktów o podobnej masie atomowej. Spodziewano się jednego produktu zbliżonego do uranu w układzie okresowym oraz niewielkich produktów rozpadu. Reakcja, która teraz zachodziła, była właściwiej określana jako rozszczepienie, a nie rozpad.
Fermi zaczął rozumieć implikacje tej wiadomości i wysunął hipotezę, że rozszczepienie atomu uranu neutronem powoduje uwolnienie dwóch neutronów. Każdy z tych neutronów mógłby następnie rozszczepić inny atom, dając w efekcie cztery neutrony, i tak dalej. Ta samonapędzająca się reakcja łańcuchowa wytwarzałaby olbrzymią energię. Jej znaczenie nie umknęło społeczności naukowej. W atmosferze zbliżającej się wojny pojawiła się możliwość stworzenia nowej broni o niewyobrażalnej intensywności.
Fermi zaczął testować swoją hipotezę na Uniwersytecie Columbia, używając tamtejszego cyklotronu jako generatora neutronów; w ciągu kilku miesięcy hipoteza Fermiego została potwierdzona.
Prace wojenne
Gdzie indziej niebezpieczeństwo wojny rosło, niemieccy naukowcy mieli doświadczenie z rozszczepieniem jądra atomowego. Choć zastosowania tego zjawiska w broni były odległe, to jednak istniały. Takie rozważania skłoniły fizyków z Kolumbii do skorzystania z pomocy Alberta Einsteina, aby poinformować rząd Stanów Zjednoczonych o rozwoju sytuacji. Prezydent Roosevelt zareagował, powołując Komitet Doradczy ds. Uranu (Advisory Committee on Uranium Committee).
Do tego czasu Wielka Brytania i jej kolonie były w stanie wojny z Niemcami, a sześć miesięcy później także z Włochami. Badania Fermiego stały się „pracą wojenną”, gdy Stany Zjednoczone przystąpiły do wojny 8 grudnia 1941 roku. Automatycznie stał się on również „wrogim cudzoziemcem” z komplikacjami, które się z tym wiązały.
12 października 1942 roku status „wroga” został zniesiony dla Włochów; Fermi został obywatelem Stanów Zjednoczonych 11 lipca 1944 roku.
Stos atomowy
Na Columbii Fermi i jego zespół kontynuowali badania nad możliwością kontrolowanych reakcji łańcuchowych z rozszczepienia jądra atomowego. Eksperymenty doprowadziły ich do zbudowania „stosu atomowego”, zaczynając od stosu cegieł z czystego grafitu otaczających źródło neutronów. Ten pierwszy krok umożliwił zbadanie wpływu grafitu na aktywność neutronów: absorpcję i reemisję, ilości, rozszczepienia. Drugim krokiem było dodanie do eksperymentu uranu. Pierwotny stos został odbudowany, a niektóre cegiełki grafitowe zostały zasiane kawałkami uranu. Wznowiono obserwacje nad działaniem grafitu. Wyniki pokazały Fermiemu, że do wytworzenia mierzalnej reakcji łańcuchowej potrzebny jest stos większy niż obecna wersja „pilotażowa”, i rozpoczęły się poszukiwania większych obiektów.
Rozbudowa w Columbii została spowolniona przez decyzję rządu USA o przyspieszeniu i centralizacji badań atomowych. Prace Fermiego zostały ostatecznie przeniesione na Uniwersytet w Chicago w 1942 roku. Tajemnica objęła wszystkie przedsięwzięcia w tym miejscu, nazwanym żartobliwie Laboratorium Metalurgicznym. Fizycy, którzy zebrali się w nowej placówce, skoncentrowali się na podstawowych badaniach atomowych jako ramieniu nowo nazwanego Projektu Manhattan, pierwszej instancji „wielkiej nauki” z badaniami, produkcją materiałów i personelem pomocniczym skonsolidowanym i skierowanym na jeden cel.
Teraz Fermi miał przestrzeń potrzebną dla swojego powiększonego stosu atomowego. Ta przestrzeń – około 200 stóp kwadratowych powierzchni i ponad 26 stóp wysokości w nieużywanym boisku do squasha pod zachodnią trybuną stadionu Stagg Field w środku miasta zamieszkałego przez ponad 3 miliony ludzi – była przeznaczona na trwałą sławę.
Grupa Fermiego w Chicago zbudowała i zbadała małe stosy, stając się pewną, że znane są wszystkie parametry potrzebne do stworzenia stosu o krytycznym rozmiarze i składzie dla trwałej reakcji łańcuchowej. W ciągu zaledwie sześciu tygodni zbudowano ostateczny stos, mający mniej niż 26 stóp wysokości i całkowicie zamknięty w ogromnym kwadratowym balonie z gumowanej tkaniny. 2 grudnia 1942 r. Fermi kierował historyczną operacją, kierując stopniowym usuwaniem prętów kontrolnych i monitorując wynikający z tego wzrost radioaktywności. Ponieważ wszystko szło zgodnie z planem, Fermi, z przyzwyczajenia, ogłosił przerwę na lunch. Praca została wznowiona po obiedzie i o 3:20 po południu ostatni pręt kontrolny został ostrożnie usunięty w odstępach co jedną stopę, kiedy Fermi wydał ostateczną instrukcję, aby usunąć go całkowicie. Wszystkie instrumenty monitorujące wykazały wzrost radioaktywności – kontrolowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego została osiągnięta!
Wiadomość o sukcesie wysłana przez dyrektora, Arthura Comptona, do Biura Badań Naukowych i Rozwoju brzmiała: „Włoski Nawigator dotarł do Nowego Świata”. Wzniesiono toast Chianti w ramach świętowania.
W międzyczasie postępował program katastrofy mający na celu opracowanie broni wykorzystującej to osiągnięcie. Bomba atomowa, z niekontrolowanym wybuchem jądrowym, była w planach.
Pan Farmer
Fermi podróżował teraz po kraju odwiedzając miejsca kluczowe dla działań wojennych w Hanford, Oak Ridge, Argonne i Los Alamos. Zasłużył sobie również na stałego ochroniarza, Johna Baudino, i kryptonim „Pan Farmer”. Latem 1944 roku rodzina Fermich przeniosła się z Chicago do Los Alamos. Pozostali tam do 31 grudnia 1945 r.
16 lipca 1945 r. to data pierwszego testu bomby atomowej w Trinity na pustyni w Nowym Meksyku. Fermi obserwował ją z obozu bazowego oddalonego o około 10 mil od miejsca wybuchu. Opisał, że miał szeroką deskę z wkładką z ciemnego szkła spawalniczego, aby chronić swoją twarz i odczuwał ciepło na odsłoniętych częściach ciała.
Zawsze jako naukowiec, Fermi zastanawiał się nad siłą wybuchu. Opisał prosty test, który wykonał:
„Około 40 sekund po wybuchu dotarł do mnie podmuch powietrza. Próbowałem oszacować jego siłę zrzucając z około sześciu stóp małe kawałki papieru przed, w trakcie i po przejściu fali podmuchu. Ponieważ w tym czasie nie było wiatru, mogłem bardzo dokładnie obserwować i mierzyć przesunięcie kartek papieru, które były w trakcie spadania podczas przechodzenia fali podmuchu. Przesunięcie wynosiło około 2,5 metra, co w tamtym czasie oszacowałem jako odpowiadające wybuchowi, który zostałby wytworzony przez dziesięć tysięcy ton T.N.T. „1
Po wybuchu Fermi zbadał krater o średnicy 800 stóp. średnicy krateru z bezpiecznego, wyłożonego ołowiem czołgu Shermana, zwracając uwagę na szklistą powierzchnię pustyni – piasek stopił się i ponownie zestalił.
Zastępcze zastosowanie
W dniu 6 sierpnia 1945 roku bomba atomowa została zrzucona na Hiroszimę, a następna na Nagasaki trzy dni później. Japonia poddała się 14 sierpnia, kończąc trwającą sześć lat II wojnę światową. Niemcy poddały się wcześniej, 7 maja 1945 roku. Chociaż niemieccy naukowcy odegrali znaczącą rolę w odkryciu i identyfikacji rozszczepienia jądra atomowego, ich wysiłki na rzecz jego zastosowania w czasie wojny nie powiodły się.
Naukowcy zajmujący się atomem wskazali również na możliwość wykorzystania rozszczepienia jądra atomowego w czasie pokoju jako alternatywy dla ropy naftowej i węgla w dostarczaniu energii cieplnej do wytwarzania pary dla turbin wytwarzających energię elektryczną. Rozpoczął się program budowy elektrowni jądrowych.
Powracając do powojennego Chicago, Fermi został profesorem w Instytucie Badań Jądrowych na uniwersytecie. Jego zainteresowania dotyczyły teraz natury i pochodzenia promieni kosmicznych: wysokoenergetyczne cząstki o dużej prędkości, które bombardują Ziemię z kosmosu. Budowa gigantycznego cyklotronu w Chicago w 1947 r. dała dogodne źródło cząstek subatomowych do badań. Fermi teoretyzował, że cząstki promieni kosmicznych zaczynają i nabierają prędkości od zderzeń z chmurami magnetyzmu w przestrzeni kosmicznej. Proces transportu Fermiego-Walkera opisuje ten warunek w kategoriach ogólnej teorii względności.
Enrico Fermi zmarł w Chicago na raka żołądka 28 listopada 1954 roku. Od tego czasu badania przestrzeni kosmicznej wzrosły i zwiększyły się, a teraz promienie kosmiczne w kosmosie są badane bezpośrednio. Sprzęt do sztucznego tworzenia promieni kosmicznych nie jest już niezbędny, ale osoby opracowujące nowe teorie stoją na barkach Fermiego w poszerzaniu wiedzy o wszechświecie cząstek subatomowych.
Tło
Fermi dorastał w czasach rozkwitu nowych teorii i pomysłów w fizyce atomowej. Odkrycie elektronu przez Thomsona miało miejsce w 1897 r.; w 1910 r. Rutherford dostrzegł centralne, maleńkie jądro zawierające całą masę i dodatni ładunek atomu; Chadwick odkrył neutron; następnie Pauli opisał zachowanie trzech typów cząstek składających się na atom: elektronu, protonu i neutronu.
Enrico Fermi, naukowiec kompletny, połączył swoje predyspozycje zarówno do teoretycznych dedukcji jak i eksperymentów w całej swojej karierze, zaczynając od czystej teorii statystyki Fermiego-Diraca poprzez dedukcje wyników eksperymentalnych w bombardowaniu neutronami, udane projekty stosów atomowych, wyjaśnienie końcowych rezultatów rozszczepienia jądra atomowego i kończąc na przyczynach przyspieszenia promieni kosmicznych.
Statystyka Fermiego-Diraca
Podczas studiów podyplomowych na Uniwersytecie w Getyndze, Fermi rozwinął odrębny model statystyczny oparty na zachowaniu gazu doskonałego, przewidując działania dużych chmur elektronów i pokazując, że mają one inną aktywność niż inne cząstki subatomowe – fundamentalna cecha materii. Takie cząstki elementarne, podstawowe elementy materii, nazwano od nazwiska Fermiego fermionami.
Rozpad beta
„Promieniowanie alfa” i „beta” było opisem nowo odkrytych zjawisk na początku badań nad promieniotwórczością. Dokładniej, cząstka alfa to jądro atomu helu posiadające dwa protony i dwa neutrony, a cząstka beta o znacznie wyższej energii to elektron uwolniony z atomu.
Teoria rozpadu beta Fermiego opisuje prawdopodobieństwo rozpadu, lub przejścia, w kategoriach statystyki sił jądrowych w momencie rozpadu. W swoich obliczeniach Fermi zaproponował nową cząstkę, neutrino, aby wyjaśnić niewielką utratę energii elektronu obserwowaną podczas procesu i zachować zasadę zachowania energii.
Dwadzieścia pięć lat po teorii Fermiego osiągnięto szczegółowe zrozumienie mechanizmu rozpadu beta i teoria została potwierdzona. Teoria ta jest również nazywana złotą regułą Fermiego.
Powolne neutrony
Naturalna radioaktywność została odkryta przez Becquerela w 1896 roku i scharakteryzowana przez Pierre’a i Marie Curie dwa lata później w ich izolacji polonu i radu. Sztuczna promieniotwórczość została odkryta około trzydziestu lat później przez ich córkę, Irene, i jej męża, Frederica Joliota. W jednym z eksperymentów bombardowali bor cząstkami alfa, przekształcając jego część w azot, a następnie potwierdzając, że radioaktywność z boru przeniosła się na azot. Metoda ta była również skuteczna w przypadku aluminium, ale nie w przypadku cięższych pierwiastków ze względu na niską energię cząstek alfa. Cząstki alfa mają wady jako „pociski”. Będąc dodatnio naładowanymi jądrami helu, są spowalniane przez zakłócenia elektryczne od otaczających je elektronów i napotykają na opór dodatnio naładowanych jąder docelowych. Ich prędkość, moc i efektywna odległość są zmniejszone.
Na podstawie tych informacji Enrico Fermi spekulował, że neutrony, z neutralną polaryzacją i większą prędkością, byłyby bardziej efektywnymi „pociskami” niż cząstki alfa. Jego podejście eksperymentalne polegało na metodycznym przechodzeniu przez układ okresowy, poddając każdy pierwiastek bombardowaniu neutronami.
Pierwszą przeszkodą było opracowanie wiarygodnego źródła neutronów, które uzyskuje się ze zderzeń cząstek alfa z pewnymi pierwiastkami. Fermi wziął radon pochodzący z rozpadu źródła radu, zmieszał go z proszkiem berylu i zamknął w szklanej rurce. Ta rurka była jego źródłem neutronów. Zbudował licznik Geigera używany do mierzenia wyników radioaktywności i zebrał procedury chemiczne do oddzielenia i identyfikacji pierwiastków powstałych w wyniku rozpadów.
Fluor, dziewiąty, był pierwszym pierwiastkiem, który wykazał radioaktywność w wyniku bombardowania neutronami; celem było zbadanie jak największej liczby spośród wszystkich 92 naturalnie występujących pierwiastków w układzie okresowym.
Metoda polegała na zbombardowaniu próbki, zmierzeniu powstałej radioaktywności, chemicznym oddzieleniu napromieniowanej próbki i zmierzeniu radioaktywności każdego oddzielonego pierwiastka. Wykazano, że pierwiastek obecny po rozpadzie był zbliżony pod względem liczby atomowej do oryginalnej próbki docelowej. Wynik ten był prawdziwy, dopóki próbką docelową był uran; mieszanina po wybuchu zawierała wiele pierwiastków, w tym jeden o masie atomowej 93. Nowy pierwiastek – nawet niestabilny – najwyraźniej został stworzony.
Kolejny przełom w pracy zespołu nastąpił, gdy jeden z naukowców zauważył, że umieszczenie próbki i przedmiotów wokół niej wpłynęło na wynik promieniowania. Zaintrygowany tym zespół rozpoczął nową drogę badań, zmieniając materiały pomiędzy źródłem neutronów a srebrnym celem i mierząc wynikającą z tego radioaktywność.
Podczas eksperymentów Fermi zasugerował, aby spróbować użyć lekkiego materiału, takiego jak parafina, jako materiału pośredniego wokół źródła neutronów w miejsce ciężkiego metalu, ołowiu. Wyniki były zdumiewające – radioaktywność srebra wzrosła stukrotnie. Teoria Fermiego na podstawie tych wyników wprowadziła koncepcję powolnych neutronów.
Wosk parafinowy, stała mieszanina węglowodorów, zawiera wysoki procent atomów wodoru. Jądra tych atomów, pojedyncze protony, mają masę równą masie neutronów. Kiedy neutrony dostają się do wosku, wysoka zawartość wodoru zapewnia dużą liczbę zderzeń, a podobieństwo wielkości cząsteczek spowalnia prędkość neutronów podczas zderzeń. „Wolne” neutrony uderzające w cel będą miały większe szanse na zderzenie z atomami srebra; zwiększona liczba zderzeń skutkuje wyższą radioaktywnością.
W tych eksperymentach uwaga zespołu Fermiego skupiła się na badaniu pod kątem okresowo sąsiadujących pierwiastków pochodzących z rozpadu, a nie bardziej odległych pierwiastków w układzie okresowym. Możliwość istnienia innych produktów rozkładu pozostała niezauważona. Dwa lata później Hahn, Strassman i Meitner odkryli, że napromieniowanie uranu powoduje rozszczepienie jądra atomowego. Wniosek był taki, że nowy element uważany za odkryty był w rzeczywistości mieszaniną produktów rozpadu uranu.
Reakcja łańcuchowa
Na wieść o odkryciu rozszczepienia jądrowego, Fermi, współpracując z Szilardem, natychmiast dodał nową hipotezę do swojej listy. Jego wstępne wyjaśnienie wysokiej energii generowanej przez atom uranu przy rozszczepieniu zakładało, że pierwotny pojedynczy atom powodujący rozszczepienie wyprodukował dwa neutrony. Możliwe, że te dwa następnie zderzą się z innymi atomami uranu i wytworzą cztery neutrony, i tak łańcuch reakcji będzie się wydłużał, podobnie jak liczba neutronów. Proces ten trwałby tak długo, aż wszystkie atomy uranu zostałyby zużyte. Każde zderzenie jądrowe wyzwala ogromne ilości energii.
Hipoteza Fermiego opisywała warunki idealne. Trzeba było przyznać, że w rzeczywistych sytuacjach produkcja energii i szybkość reakcji byłyby ograniczone przez nieudane zderzenia spowodowane dużą prędkością jąder atomowych i spowolnionym oddziaływaniem wynikającym z absorpcji wewnątrzjądrowej, co Fermi odkrył już w swoich eksperymentach z parafiną.
Doświadczalne potwierdzenie wymagało niezawodnego źródła neutronów, odpowiedniego naczynia do przechowywania reakcji łańcuchowej i metody kontrolowania, lub moderowania, szybkości reakcji. Źródło neutronów powstało w wyniku bombardowania berylu wysoko przyspieszonymi deuteronami (jądrami atomów deuteru) wytworzonymi w cyklotronie. Naczynie stanowiła wielkości pokoju kupa ultraczystego grafitu zasianego siatką uranową, a moderatorami były wyjmowane pręty grafitowe umieszczone w odstępach w kupie.
Reakcja łańcuchowa zachodzi przy masie krytycznej, czyli w punkcie, w którym jest wystarczająco dużo neutronów do podtrzymania reakcji po uwzględnieniu strat neutronów z kupy spowodowanych ucieczką i absorpcją. Stos, który wywołał pierwszą reakcję łańcuchową, był kulistym stosem o średnicy prawie 26 stóp.
Kredyty
Prezentacja Enrico Fermi jest możliwa dzięki wsparciu Fundacji Barra i firmy Unisys.
Ta strona internetowa jest wysiłkiem wewnętrznego specjalnego zespołu projektowego w Instytucie Franklina, pracującego pod kierunkiem Carol Parssinen, starszej wiceprezes Centrum Innowacji w Nauce oraz Bo Hammer, wiceprezes Centrum Franklina.
Członkowie specjalnego zespołu projektowego z działu Technologii Edukacyjnych to:
Karen Elinich, Barbara Holberg, i Margaret Ennis.
Członkami specjalnego zespołu projektowego z działu kuratorskiego są:
John Alviti i Andre Pollack.
Członkami Rady Doradczej projektu są:
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger i Susan Yoon.
.