Introdução
Nascido em 1901, Enrico Fermi foi verdadeiramente um cientista do século XX. A história da sua infância, educação e carreira parece familiar e “moderna”. Como muitos cientistas brilhantes de seu tempo, Fermi viu os eventos ocorrendo na Europa como um incentivo adicional para trabalhar na América. A perda da Europa foi o ganho da América. Em Nova York e Chicago, Fermi encontrou o ambiente e a tecnologia que ele precisava para avançar e provar suas teorias. Em 1947, Fermi era um cientista famoso, conhecido mundialmente por seus avanços na física teórica e experimental.
Quem era Enrico Fermi? Quais foram suas contribuições à física teórica e experimental?
Um estudante excepcional
Enrico Fermi nasceu a 29 de setembro de 1901, em Roma, Itália; era o mais novo de três filhos de Alberto Fermi, um oficial da ferrovia, e Ida de Gattis, uma professora elementar com expectativas firmes.
A morte de seu irmão, Giulio, em 1915, durante uma pequena cirurgia foi um golpe esmagador para a família. Enquanto sua mãe estava profundamente entristecida, Enrico preencheu o vazio que sentia com o estudo. A leitura de textos de física e matemática tornou-se o seu hobby. Sua esposa, Laura Fermi, uma vez descreveu Enrico contando-lhe como ele costumava sentar-se em suas mãos para se manter quente em casa enquanto estudava e como ele “virava as páginas de seu livro com a língua”
Um colega de seu pai, Ingegner Amidei, encorajou o jovem Enrico em seus estudos e o dirigiu ao Reale Scuolo Normale Superiore, uma subsidiária da Universidade de Pisa, que visava especificamente estudantes promissores e talentosos e os admitia através de exames competitivos. Quando Enrico Fermi apresentou um ensaio sobre cordas vibratórias que surpreenderam o professor examinador, ele foi admitido na escola e foi declarado “excepcional”. Assim, aos 17 anos, ele se mudou de Roma para Pisa, o local das famosas experiências de Galileu centenas de anos antes.
Aquando na Universidade de Pisa, Fermi avançou em sua abordagem teórica da espectroscopia. Ele obteve o doutorado na universidade em julho de 1922 com sua tese sobre a investigação de raios-X.
Fine Young Scientist
Back in Rome, Fermi conheceu Orso Mano Corbino, chefe da escola de engenharia da Universidade de Roma e senador do governo da nação. O governo italiano concedeu bolsas de estudo e bolsas de estudo a Fermi que permitiram estudos avançados com dois especialistas em mecânica quântica: o professor Max Born, o Nobel de Física, na Universidade de Gottingen e o Dr. Paul Ehrenfest, na Universidade de Leiden. Werner Heisenberg foi um colega de classe em Gottingen.
Volta à Itália em 1924, quando o governo fascista de Mussolini estava se formando, Fermi, ainda um protegido de Corbino, assumiu a posição especialmente criada como Presidente de Física Teórica na Universidade de Roma. O objetivo de Corbino era a restauração da posição científica diminuída da Itália e ele começou a recrutar os melhores cientistas jovens para construir Fermi um departamento de física excepcional.
No início, o grupo de Fermi trabalhou com fenômenos espectroscópicos e mecânica quântica. Nesta época, antes da descoberta do nêutron e enquanto a teoria quântica ainda estava sendo desenvolvida, Fermi focou sua atenção nas propriedades dos elétrons. Sua teoria da Estatística de Fermi diz respeito à probabilidade de distribuição dos elétrons em determinados níveis dentro do átomo. Ele determinou que seus fermions homônimos, as partículas subatômicas básicas da matéria, obedecem ao Princípio de Exclusão de Pauli.
Laura Capon, estudante de química, e Enrico Fermi foram casados em 1928 e seus filhos, Nella e Giulio nasceram em 1931 e em 1936.
Fermi visitou os Estados Unidos pela primeira vez em 1930 para falar de um simpósio de verão sobre teoria quântica; ele voltou nos verões de 1933 e 1935 até 1937.
Interessado em saber mais sobre Enrico Fermi? Learn More About His Benjamin Franklin Award
From Theoretical to Experimental
Em seguida à descoberta do nêutron de 1932 e depois à descoberta da radioatividade artificial de 1934, Fermi resolveu experimentar a produção de radioatividade artificial substituindo o bombardeamento de nêutrons pelo método de partículas alfa que os cientistas franceses haviam utilizado. Isto significou uma mudança em sua prioridade acadêmica de ciência teórica para ciência experimental.
Ele concebeu um procedimento para produzir nêutrons a partir da combinação de rádon e berílio, construiu um contador Geiger para medir a radioatividade produzida e começou a bombardear elementos, procedendo sistematicamente através da Tabela Periódica. O primeiro sucesso na detecção da radioatividade veio com flúor (número atômico=9) e o mais notável foi com urânio (número atômico=92). A desintegração do urânio produziu um elemento fugaz e instável do número atómico 93, nunca antes conhecido. Logo após a descoberta deste “novo elemento”, Fermi considerou esta publicidade prematura e inapropriada. Ele considerava que o sucesso científico era devido ao ambiente fascista igualmente injustificado. O impacto total da descoberta da desintegração do urânio se seguiria alguns anos depois.
Discovery
Investigations continuaram e em outubro de 1934, resultados erráticos foram notados durante experimentos de irradiação na prata. A radioatividade resultante do metal dependia de sua colocação dentro do recipiente de proteção de chumbo. Assim, foram feitas experiências para comparar a radioatividade produzida quando vários materiais eram inseridos entre a fonte de rádon e o alvo de prata. Em 22 de outubro, como alternativa ao chumbo metálico pesado que mostrou um ligeiro aumento de atividade, Fermi sugeriu um material leve: cera de parafina. A sua escolha acidental funcionou bem. O contador Geiger mostrou a radioatividade artificial desta amostra de prata para aumentar em até cem vezes – a excitação cresceu. A explicação de Fermi foi que os múltiplos átomos de hidrogênio na parafina efetivamente “retardaram” os nêutrons a um estado que permitiu muitas mais colisões com os átomos de prata. A próxima possibilidade surpreendente de exposição controlada ou “aproveitada” à radiação por bombardeamento de neutrões foi quase.
Avisando as ramificações desta descoberta, Corbino insistiu que uma patente fosse solicitada imediatamente. O pedido foi apresentado em 26 de outubro de 1934.
Outros trabalhos seguiram esta importante descoberta, mas o grupo de cientistas se dispersou gradualmente à medida que o ritmo da experimentação foi diminuindo; a maioria viajou para a América do Norte. O clima político incerto na Itália e a probabilidade de guerra pesaram sobre os Fermis. Com o Eixo Roma-Berlim em vigor, uma cruzada de anti-semitismo começou em 1938. Laura Fermi era judia.
Energia tremenda
Em 10 de novembro de 1938, Enrico Fermi recebeu o Prêmio Nobel de Física por sua “identificação de novos elementos radioativos e sua descoberta, feita em conexão com este trabalho, de reações nucleares efetuadas por nêutrons lentos”. Ele já tinha conhecimento desta possibilidade e tinha estado em contacto com universidades americanas sobre possibilidades de emprego. A família Fermi recebeu permissão do governo para viajar a Estocolmo para a apresentação do Prêmio Nobel. Eles não voltaram para a Itália. Em vez disso, depois de visitar Niels Bohr em Copenhague, eles navegaram em 10 de dezembro para os Estados Unidos e a nova cátedra de Fermi na Universidade de Columbia.
Meanwhile na Alemanha, tinha sido descoberto que o bombardeamento de neutrões de urânio resulta em dois produtos de peso atômico semelhante. A expectativa tinha sido de um produto próximo ao urânio na Tabela Periódica mais produtos de pequena desintegração. A reação agora ocorrendo foi descrita mais apropriadamente como fissão, não desintegração.
Fermi começou a entender as implicações desta notícia e passou a supor que a divisão de um átomo de urânio com um nêutron resulta na liberação de dois nêutrons. Cada um desses nêutrons dividiria então outro átomo resultando em quatro nêutrons, e assim por diante. Esta reação auto-perpetuadora em cadeia produziria uma tremenda energia. A sua importância não se perdeu na comunidade científica. Em uma atmosfera de guerra iminente, surgiu a possibilidade de novas armas de intensidade inimaginável.
Fermi começou a testar sua hipótese na Universidade de Columbia usando o ciclotron lá como gerador de nêutrons; dentro de meses, a hipótese de Fermi foi confirmada.
Trabalho de Guerra
Em outro lugar, o perigo de guerra estava aumentando, os cientistas alemães tinham experiência com fissão nuclear. Embora as aplicações de armas deste fenômeno fossem remotas, elas existiam. Tais considerações levaram os físicos da Colômbia a solicitar a ajuda de Albert Einstein para informar o governo dos Estados Unidos sobre os desenvolvimentos. O presidente Roosevelt reagiu estabelecendo um Comitê Consultivo sobre Urânio (o Comitê de Urânio).
Até então, a Grã-Bretanha e suas colônias estavam em guerra com a Alemanha e, seis meses depois, com a Itália também. A pesquisa de Fermi tornou-se “trabalho de guerra” quando os Estados Unidos entraram na guerra, em 8 de dezembro de 1941. Ele também se tornou automaticamente um “estrangeiro inimigo” com as complicações que isso implicava.
Em 12 de outubro de 1942 o status de “inimigo” foi levantado para os italianos; Fermi tornou-se cidadão dos Estados Unidos em 11 de julho de 1944.
Pilha Atômica
Na Colômbia, Fermi e sua equipe continuaram as investigações sobre a viabilidade das reações em cadeia controladas da fissão nuclear. As experiências os levaram a construir uma “pilha atômica”, começando como uma pilha de tijolo puro de grafite em torno de uma fonte de nêutrons. Este primeiro passo permitiu o exame do efeito da grafite na atividade de nêutrons: absorção e reemissão, quantidades, fissions. O segundo passo foi a adição de urânio à experiência. A pilha original foi reconstruída com alguns dos tijolos de grafite sendo semeados com pedaços de urânio. Foram retomadas as observações sobre o efeito da grafite. Os resultados mostraram Fermi que uma pilha maior que a atual versão “piloto” era necessária para produzir uma reação nuclear em cadeia mensurável, e uma busca por instalações maiores começou.
A expansão em Columbia foi retardada pela decisão do governo dos EUA de acelerar e centralizar a pesquisa atômica. O trabalho de Fermi acabou se transferindo para a Universidade de Chicago em 1942. O sigilo cobriu todos os esforços neste local, desviando o laboratório metalúrgico. Os físicos que se reuniram nas novas instalações se concentraram na pesquisa atômica fundamental como um braço do recém-nomeado Projeto Manhattan, a primeira instância da “grande ciência” com a pesquisa, produção de materiais e pessoal de apoio consolidado e direcionado para um único objetivo.
Agora, Fermi tinha o espaço necessário para a sua pilha atômica ampliada. Esse espaço – cerca de 200 pés quadrados de área e mais de 26 pés de altura na quadra de squash não utilizada sob o estádio West Stands of Stagg Field, no meio de uma cidade de mais de 3 milhões de pessoas – estava destinado à fama duradoura.
O grupo Fermi em Chicago construiu e examinou pequenas pilhas, ficando confiante que todos os parâmetros para criar uma pilha do tamanho crítico e composição para uma reação em cadeia sustentada eram conhecidos. Em um período de apenas seis semanas, a pilha final, com apenas menos de 26 pés de altura e completamente envolta em um enorme balão quadrado de tecido emborrachado, foi construída. Em 2 de dezembro de 1942, Fermi gerenciou a operação histórica, dirigindo a remoção gradual das hastes de controle e monitorando os conseqüentes aumentos de radioatividade. Como tudo corria conforme o planejado, Fermi, uma criatura de hábitos, declarou uma pausa para o almoço. O trabalho foi retomado após o almoço e às 3:20 da tarde a última haste de controle foi cuidadosamente retirada em incrementos de um pé quando Fermi deu a instrução final para removê-la completamente. Todos os instrumentos de monitoramento mostraram uma radioatividade crescente – a reação controlada de fissão nuclear em cadeia tinha sido alcançada!
A mensagem relatando o sucesso enviado pelo diretor, Arthur Compton, ao Escritório de Pesquisa Científica e Desenvolvimento disse: “O Navegador Italiano chegou ao Novo Mundo”. Um brinde ao Chianti foi levantado em comemoração.
Meanwhile, o programa de choque para desenvolver armas incorporando esta conquista tinha sido prosseguido. Uma bomba atômica, com uma explosão nuclear descontrolada, foi idealizada.
Mr. Agricultor
Fermi agora viajou pelo país visitando locais cruciais para o esforço de guerra em Hanford, Oak Ridge, Argonne, e Los Alamos. Ele também merecia um guarda-costas constante, John Baudino, e o nome de código “Sr. Agricultor”. No verão de 1944, a família Fermi mudou-se de Chicago para Los Alamos. Eles ficaram lá até 31 de Dezembro de 1945.
16 de Julho de 1945, foi a data do primeiro teste atómico à bomba em Trinity, no deserto do Novo México. Fermi observou-o desde o acampamento base a cerca de 10 milhas do local da explosão. Ele descreveu ter uma prancha larga com um vidro escuro de solda para proteger o rosto e sentir a sensação de calor nas partes expostas do corpo.
Quando o cientista, Fermi se perguntava sobre a força da explosão. Ele descreveu o simples teste que fez:
“Cerca de 40 segundos após a explosão o jacto de ar chegou até mim. Eu tentei estimar a sua força ao cair de cerca de dois metros de papel antes, durante e após a passagem da onda de explosão. Como, na época, não havia vento, pude observar muito distintamente e realmente medir o deslocamento dos pedaços de papel que estavam em processo de queda enquanto a explosão estava passando. O deslocamento era de cerca de 2,5 metros, o que, na época, estimava corresponder à explosão que seria produzida por dez mil toneladas de T.N.T. “1
Segundo a explosão, Fermi examinou os 800 pés. A cratera de 800 pés de diâmetro a partir da segurança de um tanque Sherman revestido de chumbo, observando a superfície do deserto vidrada – a areia tinha derretido e re-solidificado.
Um uso alternativo
Em 6 de agosto de 1945, a bomba atômica foi lançada sobre Hiroshima e a seguinte sobre Nagasaki três dias depois. O Japão rendeu-se em 14 de agosto, terminando os seis anos da Segunda Guerra Mundial. A Alemanha havia se rendido antes, em 7 de maio de 1945. Embora os cientistas alemães tivessem sido proeminentes na descoberta e identificação da fissão nuclear, seus esforços de aplicação em tempo de guerra não tiveram sucesso.
Os cientistas atômicos também apontaram o uso em tempo de paz da fissão nuclear como uma alternativa ao petróleo e ao carvão para fornecer a energia de transferência de calor para criar vapor para turbinas na geração de eletricidade. Um programa de construção de usinas nucleares começou.
Retrocedendo ao pós-guerra em Chicago, Fermi tornou-se professor no Instituto de Estudos Nucleares da universidade. Seu interesse agora residia na natureza e origem dos raios cósmicos: as partículas de alta energia e alta velocidade que bombardeiam a Terra a partir do espaço. A construção do gigante ciclotrão em Chicago em 1947 deu uma fonte conveniente de partículas subatômicas para estudo. Fermi teorizou que as partículas de raios cósmicos começam e ganham sua velocidade de colisões com nuvens de magnetismo no espaço sideral. O processo de transporte Fermi-Walker descreve esta condição em termos de relatividade geral.
Enrico Fermi morreu em Chicago de câncer de estômago em 28 de novembro de 1954. Desde então, a exploração do espaço cresceu e aumentou, e agora, os raios cósmicos no espaço estão sendo examinados diretamente. Hardware para criar artificialmente raios cósmicos não é mais essencial, mas aqueles que desenvolvem novas teorias estão sobre os ombros de Fermi para ampliar o conhecimento do universo subatômico de partículas.
Conteúdo
Fermi cresceu durante os tempos de florescimento de novas teorias e idéias em física atômica. A descoberta do elétron por Thomson foi feita em 1897; em 1910 veio a percepção de Rutherford do núcleo central e minúsculo contendo toda a massa e carga positiva do átomo; a descoberta do nêutron por Chadwick; depois Pauli descrevendo o comportamento dos três tipos de partículas que compõem o átomo: elétron, próton e nêutron.
Enrico Fermi, o cientista completo, combinou suas aptidões para a dedução teórica e experimentação ao longo de sua carreira, começando com a teoria pura da estatística Fermi-Dirac através de deduções de resultados experimentais em bombardeamentos de nêutrons, desenhos bem sucedidos de pilhas atômicas, explicação dos resultados finais da fissão nuclear e terminando com razões para a aceleração dos raios cósmicos.
Fermi-Dirac Statistics
Durante seu estudo de pós-graduação na Universidade de Gottingen, Fermi desenvolveu o modelo estatístico distinto baseado no comportamento de um gás perfeito, prevendo as ações de grandes nuvens de elétrons e mostrando que elas têm atividade diferente de outras partículas subatômicas – uma característica fundamental da matéria. Tais partículas elementares, os elementos básicos da matéria, são denominados fermions após Fermi.
Decaimento de Beta
Radiação “Alfa” e “beta” foi a descrição dada aos fenômenos recém-descobertos no início das pesquisas sobre radioatividade. Mais precisamente, a partícula alfa é o núcleo dos átomos de hélio com dois prótons e dois nêutrons, e a partícula beta de energia muito superior é um elétron liberado do átomo.
A teoria Fermi do decaimento beta descreve a probabilidade de decaimento, ou transição, em termos das estatísticas das forças nucleares no momento do decaimento. No seu cálculo, Fermi propôs uma nova partícula, o neutrino, para explicar a ligeira perda de energia electrónica observada durante o processo e preservar o princípio de conservação de energia.
Vinte e cinco anos após a teoria de Fermi, foi alcançado um entendimento detalhado do mecanismo de decaimento beta e a teoria foi confirmada. Esta teoria também é chamada de Regra de Ouro de Fermi.
Neutrons Baixos
Radioatividade natural foi descoberta por Becquerel em 1896 e caracterizada por Pierre e Marie Curie dois anos depois em seu isolamento de polônio e rádio. A radioatividade artificial foi descoberta cerca de trinta anos depois pela filha, Irene, e seu marido, Frederic Joliot. Em uma experiência, eles bombardearam o boro com partículas alfa, convertendo parte dele em nitrogênio, confirmando então que a radioatividade do boro era transferida para o nitrogênio. Este método também foi eficaz no alumínio mas não em elementos mais pesados devido à baixa energia das partículas alfa. As partículas alfa têm inconvenientes como “balas”. Sendo núcleos de hélio carregados positivamente, eles são retardados por interferência elétrica dos elétrons ao redor e encontram resistência dos núcleos alvo carregados positivamente. Sua velocidade, potência e distância efetiva são diminuídas.
Desta informação, Enrico Fermi especulou que os nêutrons, com polaridade neutra e maior velocidade, fariam “balas” mais efetivas do que as partículas alfa. Sua abordagem experimental foi a de mover metodicamente através da tabela periódica, submetendo cada elemento a bombardeio de neutrões.
O primeiro obstáculo foi o de conceber uma fonte confiável de nêutrons que são obtidos a partir das colisões de partículas alfa com certos elementos. Fermi tomou rádon da desintegração de uma fonte de rádon e o misturou com pó de berílio e o selou em um tubo de vidro. O tubo era sua fonte de nêutrons. Ele construiu o contador Geiger usado para medir os resultados da radioatividade e reuniu procedimentos químicos para separar e identificar os elementos criados pelas desintegrações.
Fluorine, o nono, foi o primeiro elemento a mostrar radioatividade a partir do bombardeio de nêutrons; o objetivo era examinar o maior número possível de todos os 92 elementos que ocorrem naturalmente na tabela periódica.
O método foi bombardear uma amostra, medir a radioatividade resultante, separar quimicamente a amostra irradiada e medir a radioatividade de cada elemento separado. Foi demonstrado que o elemento presente após a desintegração estava próximo em número atômico da amostra alvo original. Este resultado se manteve até que a amostra alvo fosse urânio; a mistura pós-bombardeamento continha um número de elementos, incluindo um de peso atômico 93. Um novo elemento – mesmo um instável – foi aparentemente criado.
A próxima descoberta da equipe veio quando um cientista notou que a colocação da amostra e objetos em torno dela influenciou o resultado da radiação. Intrigado com isso, a equipe começou um novo caminho de investigação, variando os materiais entre a fonte de neutrões e um alvo de prata e medindo a radioatividade resultante.
Durante as experiências, Fermi sugeriu que se tentasse um material leve, como a cera de parafina, como material intermediário em torno da fonte de neutrões no lugar do metal pesado, o chumbo. Os resultados foram surpreendentes – a radioatividade da prata aumentou cem vezes. A teoria de Fermi a partir destes resultados introduziu o conceito de neutrões lentos.
Cera de parafina, uma mistura sólida de hidrocarbonetos, contém uma elevada percentagem de átomos de hidrogénio. Os núcleos destes átomos, prótons simples, são iguais a nêutrons em massa. Quando os neutrões entram na cera, o elevado teor de hidrogénio assegura um grande número de colisões e a semelhança no tamanho das partículas diminui a velocidade dos neutrões quando as colisões ocorrem. Os nêutrons “lentos” que atingem o alvo terão maior probabilidade de colidir com átomos de prata; o aumento das colisões resulta em maior radioatividade.
Nessas experiências, a atenção da equipe de Fermi estava em testes para elementos periodicamente adjacentes da decomposição em vez de elementos mais distantes na tabela periódica. A possibilidade de outros produtos de decomposição passou despercebida. Ficou para Hahn, Strassman, e Meitner, dois anos depois, descobrir que a irradiação do urânio causa a fissão nuclear. A conclusão foi que o novo elemento que se pensava ter sido descoberto era de fato uma mistura de produtos de decomposição do urânio.
Reação de Cauda
Na aprendizagem da descoberta da fissão nuclear, Fermi, trabalhando com Szilard, imediatamente acrescentou uma nova hipótese à sua lista. Sua tentativa de explicação para a alta energia gerada pelo átomo de urânio na fissão supôs que o átomo único original causador da fissão produziu dois nêutrons. Seria possível que estes dois se chocassem com outros átomos de urânio e produzissem quatro nêutrons, e assim a cadeia de reações cresceria, assim como o número de nêutrons. O processo continuaria até que todos os átomos de urânio estivessem esgotados. Cada colisão nuclear libera enormes quantidades de energia.
A hipótese de Fermi descreveu uma condição ideal. Era preciso reconhecer que, em situações reais, a produção de energia e as taxas de reação seriam reduzidas por colisões perdidas devido à alta velocidade nuclear e interação lenta da absorção intra-nuclear, como Fermi já havia descoberto em seus experimentos com cera de parafina.
A confirmação experimental exigia uma fonte de nêutrons confiável, um recipiente adequado para abrigar a reação em cadeia e um método para controlar, ou moderar, a taxa de reação. A fonte de nêutrons foi criada por bombardear berílio com deuterons (núcleos de átomos de deutério) altamente acelerados, criados em um ciclotron. O vaso era uma pilha de grafite ultra-pura semeada com uma malha de urânio e os moderadores eram hastes removíveis de grafite inseridas em intervalos na pilha.
A reação em cadeia ocorre em massa crítica, o ponto em que há apenas neutrões suficientes para sustentar a reação após contabilizar a perda de nêutrons da pilha devido à fuga e absorção. A pilha que forneceu a primeira reação em cadeia foi uma pilha esférica de quase 26 pés de diâmetro.
Créditos
A apresentação de Enrico Fermi é possível graças ao apoio da The Barra Foundation e Unisys.
Este website é o esforço de uma equipe interna de projeto especial do The Franklin Institute, trabalhando sob a direção de Carol Parssinen, Vice-Presidente Sênior do Centro de Inovação na Aprendizagem da Ciência, e Bo Hammer, Vice-Presidente do The Franklin Center.
Os membros da equipe de projeto especial do departamento de Tecnologia Educacional são:
Karen Elinich, Barbara Holberg, e Margaret Ennis.
>
Os membros da equipa do projecto especial do departamento Curatorial são:
John Alviti e Andre Pollack.
>
Os membros do conselho consultivo do projecto são:
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger, e Susan Yoon.