Introduktion
Enrico Fermi föddes 1901 och var verkligen en 1900-talsforskare. Berättelsen om hans barndom, utbildning och karriär verkar bekant och ”modern”. I likhet med många briljanta vetenskapsmän på sin tid såg Fermi de händelser som inträffade i Europa som ett extra incitament för att arbeta i Amerika. Europas förlust var Amerikas vinst. I New York och Chicago fann Fermi den miljö och teknik som han behövde för att utveckla och bevisa sina teorier. År 1947 var Fermi en hyllad vetenskapsman, känd över hela världen för sina framsteg inom teoretisk och experimentell fysik.
Vem var Enrico Fermi? Vilka var hans bidrag till teoretisk och experimentell fysik?
En exceptionell student
Enrico Fermi föddes den 29 september 1901 i Rom, Italien; han var det yngsta av tre barn till Alberto Fermi, en järnvägstjänsteman, och Ida de Gattis, en grundskollärare med bestämda förväntningar.
Döden av hans bror, Giulio, 1915 under en mindre operation var ett förkrossande slag för familjen. Medan hans mor sörjde djupt fyllde Enrico den tomhet han kände med studier. Att läsa texter om fysik och matematik blev hans hobby. Hans fru, Laura Fermi, beskrev en gång hur Enrico berättade för henne hur han brukade sitta på händerna för att hålla sig varm hemma när han studerade och hur han ”vände sidorna i sin bok med tungan”.
En kollega till hans far, Ingegner Amidei, uppmuntrade den unge Enrico att studera och hänvisade honom till Reale Scuolo Normale Superiore, ett dotterbolag till universitetet i Pisa, som särskilt riktade in sig på lovande och talangfulla studenter och tog in dem genom tävlingsprov. När Enrico Fermi lämnade in en uppsats om vibrerande strängar som förvånade den examinerande professorn antogs han till skolan och förklarades ”exceptionell”. Så vid 17 års ålder flyttade han från Rom till Pisa, platsen för Galileos berömda experiment hundratals år tidigare.
Under tiden vid universitetet i Pisa gjorde Fermi framsteg i sin teoretiska inställning till spektroskopi. Han disputerade vid universitetet i juli 1922 med en avhandling om undersökning av röntgenstrålar.
Fine Young Scientist
Tillbaka i Rom bekantade sig Fermi med Orso Mano Corbino, chef för Roms universitets tekniska skola och senator i landets regering. Den italienska regeringen beviljade Fermi stipendier som möjliggjorde avancerade studier med två specialister på kvantmekanik: Professor Max Born, nobelpristagare i fysik, vid universitetet i Gottingen och dr Paul Ehrenfest vid universitetet i Leiden. Werner Heisenberg var klasskamrat vid Gottingen.
Då Fermi återvände till Italien 1924 när Mussolinis fascistiska regering höll på att bildas, tog han, som fortfarande var Corbinos skyddsling, den särskilt inrättade tjänsten som ordförande i teoretisk fysik vid Roms universitet. Corbinos mål var att återupprätta Italiens minskade vetenskapliga anseende och han började rekrytera de bästa unga vetenskapsmännen för att bygga Fermi en enastående fysikinstitution.
I början arbetade Fermis grupp med spektroskopiska fenomen och kvantmekanik. Under denna tid, före upptäckten av neutronen och medan kvantteorin fortfarande höll på att utvecklas, inriktade Fermi sin uppmärksamhet på elektronernas egenskaper. Hans teori om Fermi-statistik handlar om sannolikheten för elektronernas fördelning på givna nivåer i atomen. Han fastställde att hans namngivna fermioner, materiens grundläggande subatomära partiklar, lyder under Paulis uteslutningsprincip.
Laura Capon, kemistudent, och Enrico Fermi gifte sig 1928 och deras barn, Nella och Giulio, föddes 1931 och 1936.
Fermi besökte USA första gången 1930 för att tala vid ett sommarsymposium om kvantteori; han återvände under somrarna 1933 och 1935 till 1937.
Intresserad av att lära sig mer om Enrico Fermi? Läs mer om hans Benjamin Franklin-pris
Från teoretisk till experimentell
Efter upptäckten av neutronen 1932 och sedan upptäckten av artificiell radioaktivitet 1934 bestämde sig Fermi för att experimentera med att framställa artificiell radioaktivitet genom att ersätta den metod med alfapartiklar som de franska forskarna hade använt sig av med neutronbombardemang. Detta innebar en förändring av hans akademiska prioritering från teoretisk till experimentell vetenskap.
Han utarbetade ett förfarande för att producera neutroner från kombinationen av radon och beryllium, byggde en Geigerräknare för att mäta den producerade radioaktiviteten och började bombardera grundämnena genom att systematiskt gå igenom det periodiska systemet. De första framgångarna med att upptäcka radioaktivitet kom med fluor (atomnummer = 9) och den mest anmärkningsvärda var med uran (atomnummer = 92). Uranets sönderfall gav upphov till ett flyktigt, instabilt grundämne med atomnummer 93, vars existens aldrig tidigare varit känd. Omedelbar världsomfattande publicitet om detta ”nya element” följde på upptäckten, men Fermi ansåg att denna publicitet var både för tidig och olämplig. Han ansåg att påståenden om att den vetenskapliga framgången berodde på den fascistiska miljön var lika obefogade. Den fulla effekten av upptäckten av uranets sönderfall skulle följa några år senare.
Upptäckt
Undersökningarna fortsatte och i oktober 1934 noterades oregelbundna resultat under bestrålningsexperiment på silver. Den resulterande radioaktiviteten hos metallen berodde på dess placering i den skyddande blybehållaren. Så experiment sattes upp för att jämföra den radioaktivitet som producerades när olika material sattes in mellan radonkällan och silvermålet. Den 22 oktober föreslog Fermi som ett alternativ till tungmetallen bly, som uppvisade en liten aktivitetsökning, ett lätt material: paraffinvax. Hans oavsiktliga val fungerade bra. Geigerräknaren visade att den konstgjorda radioaktiviteten i detta silverprov ökade med upp till hundra gånger – spänningen växte. Fermis förklaring var att de många väteatomerna i paraffinet effektivt ”bromsade” neutronerna till ett tillstånd som möjliggjorde många fler kollisioner med silveratomerna. Nästa fantastiska möjlighet till kontrollerad eller ”styrd” strålningsexponering genom neutronbombardemang var nära.
I samband med att Corbino förutsåg konsekvenserna av denna upptäckt insisterade han på att omedelbart ansöka om patent. Ansökan lämnades in den 26 oktober 1934.
Det fortsatta arbetet följde på denna betydelsefulla upptäckt, men forskargruppen skingrades successivt i takt med att experimenterandet avtog; de flesta reste till Nordamerika. Det osäkra politiska klimatet i Italien och sannolikheten för krig tyngde Fermis. Med axeln Rom-Berlin på plats började ett korståg av antisemitism 1938. Laura Fermi var judinna.
Enorm energi
Den 10 november 1938 tilldelades Enrico Fermi Nobelpriset i fysik för sin ”identifiering av nya radioaktiva grundämnen och sin upptäckt, som gjordes i samband med detta arbete, av kärnreaktioner som utförs av långsamma neutroner”. Han hade tidigare känt till denna möjlighet och hade varit i kontakt med amerikanska universitet om anställningsmöjligheter. Familjen Fermi fick regeringens tillstånd att resa till Stockholm för Nobelprisutdelningen. De återvände inte till Italien. Efter att ha besökt Niels Bohr i Köpenhamn seglade de i stället den 10 december till USA och Fermis nya professur vid Columbia University.
Under tiden hade man i Tyskland upptäckt att neutronbombardemanget av uran resulterar i två produkter med liknande atomvikt. Man hade förväntat sig en produkt som låg nära uran i det periodiska systemet plus små sönderdelningsprodukter. Den reaktion som nu inträffade beskrevs lämpligare som klyvning, inte sönderdelning.
Fermi började förstå innebörden av denna nyhet och fortsatte med att ställa hypoteser om att klyvningen av en uranatom med en neutron resulterar i att två neutroner frigörs. Var och en av dessa neutroner skulle sedan klyva en annan atom vilket resulterade i fyra neutroner och så vidare. Denna kedjereaktion skulle producera enorm energi. Dess betydelse gick inte förlorad för forskarsamhället. I en atmosfär av förestående krig framträdde möjligheten till nya vapen av ofattbar intensitet.
Fermi började testa sin hypotes vid Columbia University och använde cyklotronen där som neutrongenerator; inom några månader bekräftades Fermis hypotes.
Krigsarbete
Och på andra håll, där krigsfaran ökade, hade de tyska vetenskapsmännen erfarenhet av kärnklyvning. Även om vapentillämpningar av detta fenomen var avlägsna existerade de. Sådana överväganden fick Columbia-fysikerna att ta hjälp av Albert Einstein för att informera den amerikanska regeringen om utvecklingen. President Roosevelt reagerade genom att inrätta en rådgivande kommitté för uran (Uraniumkommittén).
Då var Storbritannien och dess kolonier i krig med Tyskland och sex månader senare även med Italien. Fermis forskning blev ”krigsarbete” när USA gick in i kriget den 8 december 1941. Han blev också automatiskt en ”fientlig utlänning” med de komplikationer det innebar.
Den 12 oktober 1942 upphävdes statusen som ”fiende” för italienare; Fermi blev amerikansk medborgare den 11 juli 1944.
Atomtomhög
På Columbia fortsatte Fermi och hans team sina undersökningar om möjligheten till kontrollerade kedjereaktioner från kärnklyvning. Experimenten ledde till att de byggde en ”atomstapel”, som började som en stapel av tegelstenar av ren grafit som omgav en neutronkälla. Detta första steg gjorde det möjligt att undersöka grafitens effekt på neutronaktivitet: absorption och återemission, kvantiteter, fissioner. Steg två var att lägga till uran i experimentet. Den ursprungliga stapeln byggdes om och några av grafitblocken fylldes med uranbitar. Observationerna av grafitens effekt återupptogs. Resultaten visade Fermi att det krävdes en större stapel än den nuvarande ”pilotversionen” för att åstadkomma en mätbar nukleär kedjereaktion, och sökandet efter större anläggningar påbörjades.
Expansionen vid Columbia bromsades upp av den amerikanska regeringens beslut att påskynda och centralisera atomforskningen. Fermis arbete flyttades så småningom till University of Chicago 1942. Sekretess omfattade alla strävanden på denna plats, som på ett lustigt sätt kallades Metallurgical Laboratory. Fysikerna som samlades vid den nya anläggningen koncentrerade sig på grundläggande atomforskning som en del av det nyligen namngivna Manhattanprojektet, det första exemplet på ”stor vetenskap” där forskning, materialproduktion och stödpersonal samlades och riktades mot ett enda mål.
Nu hade Fermi det utrymme som krävdes för sin utvidgade atomstapel. Det utrymmet – ungefär 200 kvadratmeter stort och mer än 26 fot högt i den oanvända squashbanan under de västra läktarna på Stagg Field Stadium mitt i en stad med över 3 miljoner invånare – var ämnat för bestående berömmelse.
Fermis grupp i Chicago byggde och undersökte små högar, och blev övertygad om att man kände till alla parametrar som behövdes för att skapa en hög med den kritiska storleken och sammansättningen för en ihållande kedjereaktion. På bara sex veckor byggdes den slutliga högen, som var knappt 26 fot hög och helt omsluten av en enorm fyrkantig ballong av gummerat tyg. Den 2 december 1942 ledde Fermi den historiska operationen och styrde det gradvisa avlägsnandet av kontrollstängerna och övervakade de ökningar av radioaktiviteten som följde. Eftersom allt gick enligt planerna förklarade Fermi, som var en vanemänniska, att han skulle ta en paus för lunch. Arbetet återupptogs efter lunchen och klockan 15.20 på eftermiddagen hade den sista kontrollstången försiktigt dragits ut i steg om en meter när Fermi gav den slutliga instruktionen att ta bort den helt och hållet. Alla övervakningsinstrument visade stigande radioaktivitet – den kontrollerade kedjereaktionen av kärnklyvning hade uppnåtts!
Det meddelande som direktören Arthur Compton skickade till kontoret för vetenskaplig forskning och utveckling för att rapportera om framgången löd: ”Den italienska navigatorn har nått den nya världen”. En skål med Chianti höjdes för att fira.
Under tiden hade kraschprogrammet för att utveckla vapen som innefattade denna bedrift fortsatt. Man tänkte sig en atombomb, med en okontrollerad kärnvapenexplosion.
Mr Farmer
Fermi reste nu runt i landet och besökte platser som var avgörande för krigsarbetet – Hanford, Oak Ridge, Argonne och Los Alamos. Han förtjänade också en ständig livvakt, John Baudino, och kodnamnet ”Mr Farmer”. Sommaren 1944 flyttade familjen Fermi från Chicago till Los Alamos. De stannade där till den 31 december 1945.
Den 16 juli 1945 genomfördes det första atombombstestet vid Trinity i New Mexicos öken. Fermi observerade det från baslägret cirka 15 kilometer från sprängplatsen. Han beskrev att han hade en bred bräda med ett mörkt svetsglasinsats för att skydda sitt ansikte och att han kände värmekänslan på utsatta delar av sin kropp.
Som alltid vetenskapsman undrade Fermi hur stark explosionen var. Han beskrev det enkla test han gjorde:
”Ungefär 40 sekunder efter explosionen nådde luftstöten mig. Jag försökte uppskatta dess styrka genom att från cirka sex fot släppa små pappersbitar före, under och efter explosionsvågens passage. Eftersom det vid den tidpunkten inte blåste kunde jag mycket tydligt observera och faktiskt mäta förskjutningen av de pappersbitar som höll på att falla medan explosionen passerade. Förskjutningen var ungefär 2,5 meter, vilket jag vid den tidpunkten uppskattade skulle motsvara den tryckvåg som skulle produceras av tiotusen ton T.N.T. ”1
Efter tryckvågen undersökte Fermi den 800 fot långa vattenmassan.
En alternativ användning
Den 6 augusti 1945 fälldes atombomben över Hiroshima och nästa bomb över Nagasaki tre dagar senare. Japan kapitulerade den 14 augusti och därmed avslutades det sexåriga andra världskriget. Tyskland hade tidigare kapitulerat den 7 maj 1945. Även om tyska forskare hade varit framstående i upptäckten och identifieringen av kärnklyvning, hade deras ansträngningar för tillämpning i krigstid inte lyckats.
Atomforskare hade också påpekat att kärnklyvning kunde användas i fredstid som ett alternativ till olja och kol när det gällde att tillhandahålla den värmeöverföringsenergi som behövs för att skapa ånga till turbiner vid elproduktion. Ett program för byggande av kärnkraftverk inleddes.
Tillbaka i efterkrigstidens Chicago blev Fermi professor vid institutet för kärnkraftsstudier vid universitetet. Hans intresse låg nu i den kosmiska strålningens natur och ursprung: de högenergipartiklar med hög hastighet som bombarderar jorden från yttre rymden. Genom att bygga den gigantiska cyklotronen i Chicago 1947 fick man en praktisk källa till subatomära partiklar för studier. Fermi teoretiserade att kosmiska strålningspartiklar börjar och får sin hastighet från kollisioner med moln av magnetism i yttre rymden. Fermi-Walkers transportprocess beskriver detta tillstånd i termer av allmän relativitetsteori.
Enrico Fermi dog i Chicago av magcancer den 28 november 1954. Sedan dess har rymdforskningen vuxit och ökat, och nu undersöks kosmisk strålning i rymden direkt. Hårdvara för att artificiellt skapa kosmisk strålning är inte längre nödvändig, men de som utvecklar nya teorier står på Fermis axlar när det gäller att utvidga kunskapen om det subatomära partikeluniversumet.
Bakgrund
Fermi växte upp under en tid som blomstrade av nya teorier och idéer inom atomfysiken. Thomsons upptäckt av elektronen gjordes 1897, 1910 kom Rutherfords uppfattning om den centrala, lilla kärnan som innehåller all massa och positiv laddning i atomen, Chadwicks upptäckt av neutronen och sedan Pauli som beskrev beteendet hos de tre partikeltyper som ingår i atomen: elektron, proton och neutron.
Enrico Fermi, den kompletta vetenskapsmannen, kombinerade sina anlag för både teoretiska slutledningar och experiment under hela sin karriär, med början i den rena teorin om Fermi-Dirac-statistiken genom slutledningar av experimentella resultat av neutronbombardemang, framgångsrika konstruktioner av atomstaplar, förklaringar till slutresultatet av kärnklyvning och slutar med orsaker till accelerationen av den kosmiska strålningen.
Fermi-Dirac-statistik
Under sin forskarutbildning vid universitetet i Gottingen utvecklade Fermi den distinkta statistiska modellen baserad på beteendet hos en perfekt gas, som förutspådde agerandet av stora moln av elektroner och visade att de har en annan aktivitet än andra subatomära partiklar – en grundläggande egenskap hos materia. Sådana elementarpartiklar, materiens grundelement, kallas fermioner efter Fermi.
Betasönderfall
”Alfa-” och ”betastrålning” var den beskrivning som gavs till de nyupptäckta fenomenen i början av forskningen om radioaktivitet. Mer exakt är alfapartikeln heliumatomernas kärna med två protoner och två neutroner, och den mycket mer energirika betapartikeln är en elektron som frigörs från atomen.
Fermis teori om betaförfallet beskriver sannolikheten för förfallet, eller övergången, i termer av statistiken över kärnkrafterna i förfallets ögonblick. I sin beräkning föreslog Fermi en ny partikel, neutrino, för att förklara den lilla förlusten av elektronens energi som observeras under processen och för att bevara principen om energins bevarande.
Tjugofem år efter Fermis teori uppnåddes en detaljerad förståelse av betasönderfallsmekanismen och teorin bekräftades. Teorin kallas också för Fermis gyllene regel.
Långsamma neutroner
Naturlig radioaktivitet upptäcktes av Becquerel 1896 och karakteriserades av Pierre och Marie Curie två år senare när de isolerade polonium och radium. Artificiell radioaktivitet upptäcktes cirka trettio år senare av deras dotter Irene och hennes make Frederic Joliot. I ett experiment bombarderade de bor med alfapartiklar, omvandlade en del av boret till kväve och bekräftade sedan att radioaktiviteten från boret överfördes till kvävet. Denna metod var också effektiv på aluminium men inte på tyngre grundämnen på grund av alfapartiklarnas låga energi. Alfapartiklar har nackdelar som ”kulor”. Eftersom de är positivt laddade heliumkärnor bromsas de av elektrisk interferens från omgivande elektroner och möter motstånd från de positivt laddade målkärnorna. Deras hastighet, kraft och effektiva avstånd minskar.
Utifrån denna information spekulerade Enrico Fermi att neutroner, med neutral polaritet och högre hastighet, skulle vara effektivare ”kulor” än alfapartiklar. Hans experimentella tillvägagångssätt var att metodiskt gå igenom det periodiska systemet och utsätta varje grundämne för neutronbombardemang.
Det första hindret var att utforma en tillförlitlig källa till neutroner, som erhålls genom alfapartiklars kollisioner med vissa grundämnen. Fermi tog radon från sönderfallet av en radiumkälla och blandade det med berylliumpulver och förseglade det i ett glasrör. Röret var hans neutronkälla. Han byggde Geigerräknaren som användes för att mäta radioaktivitetsresultaten och samlade in kemiska förfaranden för att separera och identifiera de grundämnen som skapades genom desintegrationen.
Fluor, den nionde, var det första grundämnet som uppvisade radioaktivitet från neutronbombardemang; målet var att undersöka så många som möjligt av alla 92 naturligt förekommande grundämnen i det periodiska systemet.
Metoden var att bombardera ett prov, mäta den resulterande radioaktiviteten, kemiskt separera det bestrålade provet och mäta radioaktiviteten hos varje separerat grundämne. Det visades att det grundämne som fanns efter sönderdelningen låg nära i atomnummer till det ursprungliga målprovet. Detta resultat gällde tills målprovet var uran; blandningen efter bombningen innehöll ett antal grundämnen, bland annat ett grundämne med atomvikt 93. Ett nytt grundämne – till och med ett instabilt sådant – hade uppenbarligen skapats.
Teamets nästa genombrott kom när en forskare märkte att placeringen av provet och föremålen runt omkring det påverkade strålningsresultatet. Intresserade av detta inledde teamet en ny undersökningsväg genom att variera materialen mellan neutronkällan och ett silvermål och mäta den resulterande radioaktiviteten.
Under experimenten föreslog Fermi att man skulle försöka använda ett lätt material, till exempel paraffinvax, som mellanmaterial runt neutronkällan i stället för tungmetallen bly. Resultaten var häpnadsväckande – silvrets radioaktivitet ökade hundrafalt. Fermis teori utifrån dessa resultat introducerade begreppet långsam neutron.
Paraffinvax, en fast blandning av kolväten, innehåller en hög andel väteatomer. Kärnorna i dessa atomer, enskilda protoner, är lika stora som neutroner i massa. När neutroner tränger in i vaxet säkerställer den höga vätehalten ett stort antal kollisioner och likheten i partikelstorlek bromsar neutronernas hastighet när kollisioner inträffar. De ”långsamma” neutroner som träffar målet kommer med större sannolikhet att kollidera med silveratomer; de ökade kollisionerna resulterar i högre radioaktivitet.
I dessa experiment var Fermis grupps uppmärksamhet riktad mot att testa för att hitta periodiskt angränsande grundämnen från nedbrytning snarare än mer avlägsna grundämnen i det periodiska systemet. Möjligheten av andra sönderdelningsprodukter gick obemärkt förbi. Det lämnades till Hahn, Strassman och Meitner att två år senare upptäcka att bestrålning av uran orsakar kärnklyvning. Slutsatsen var att det nya grundämne som man trodde sig ha upptäckt i själva verket var en blandning av uranets nedbrytningsprodukter.
Kedjereaktion
När Fermi, som arbetade tillsammans med Szilard, fick kännedom om upptäckten av kärnklyvningen, lade han omedelbart till en ny hypotes till sin lista. Hans preliminära förklaring till den höga energi som uranatomen genererade vid klyvningen antog att den ursprungliga enskilda atom som orsakade klyvningen producerade två neutroner. Det skulle vara möjligt att dessa två sedan skulle kollidera med andra uranatomer och producera fyra neutroner, och på så sätt skulle kedjan av reaktioner växa liksom antalet neutroner. Processen skulle fortsätta tills alla uranatomer var förbrukade. Varje kärnkollision frigör enorma mängder energi.
Fermis hypotes beskrev ett idealiskt tillstånd. Man var tvungen att erkänna att i verkliga situationer skulle energiproduktionen och reaktionshastigheten minskas av missade kollisioner på grund av hög kärnhastighet och långsam interaktion från absorption inom kärnan, vilket Fermi redan hade upptäckt i sina paraffinvaxexperiment.
För att få en experimentell bekräftelse krävdes en tillförlitlig neutronkälla, ett lämpligt kärl för att hysa kedjereaktionen och en metod för att kontrollera, eller moderera, reaktionshastigheten. Neutronkällan skapades genom att bombardera beryllium med högt accelererade deuteroner (kärnor av deuteriumatomer) som skapades i en cyklotron. Kärlet var en rumsstor hög av ultrareen grafit som var bestyckad med ett gitter av uran, och moderatorerna var avtagbara grafitstavar som sattes in med mellanrum i högen.
Kedjereaktionen inträffar vid kritisk massa, dvs. den punkt där det finns precis tillräckligt med neutroner för att upprätthålla reaktionen, efter att ha räknat in neutronförlusten från högen på grund av flykt och absorption. Den hög som gav den första kedjereaktionen var en sfärisk hög med en diameter på nästan 26 fot.
Krediter
Presentationen av Enrico Fermi möjliggörs genom stöd från The Barra Foundation och Unisys.
Denna webbplats är resultatet av ett internt specialprojektteam vid Franklin Institute, som arbetar under ledning av Carol Parssinen, förste vice ordförande för Center for Innovation in Science Learning, och Bo Hammer, vice ordförande för Franklin Center.
Medlemmar i den särskilda projektgruppen från avdelningen för utbildningsteknik är:
Karen Elinich, Barbara Holberg och Margaret Ennis.
Medlemmar i projektgruppen från kuratorsavdelningen är:
John Alviti och Andre Pollack.
Medlemmar i projektets rådgivande nämnd är:
Ruth Schwartz-Cowan, Leonard Rosenfeld, Nathan Ensmenger och Susan Yoon.