Enrico Fermi


Roma, 29 settembre 1901 - Chicago, Illinois, 29 novembre 1954. Premio Nobel 1938 "per aver dimostrato l'esistenza di nuovi elementi radioattivi prodotti da bombardamento con neutroni e per la scoperta delle reazioni nucleari indotte da neutroni lenti". Nel centenario della nascita del grande scienziato riportiamo un ritratto biografico redatto da Edoardo Amaldi (Carpaneto Piacentino, 5-9-1908 - Roma 5-12-1989), insigne esponente della scuola romana di fisica.



Già a dieci anni Fermi aveva uno straordinario interesse per la matematica e soprattutto per la fisica, probabilmente stimolato in lui dai discorsi degli amici di suo padre, alcuni dei quali erano ingegneri. Sopo la morte, avvenuta nel 1915, del fratello Giulio, che era anche il suo compagno di giochi, Fermi si legò di amicizia con un ragazzo di circa un anno più vecchio di lui che era stato compagno di scuola di Giulio: Enrico Persico. I due ragazzi avevano in comune la passione della fisica: essi s'incontravano per discutere di problemi scientifici, per fare esperimenti di fisica e scambiarsi idee sui loro studi, che alimentavano andando in cerca, per bancarelle e rivenditori di libri usati, di trattati di matematica e fisica.
Fu in quel periodo che Fermi acquistò a Campo dei Fiori un trattato di fisica matematica in due volumi di circa 900 pagine, stampato in latino nel 1840, e lo lesse e assorbì senza sforzo, nonostante che in esso fossero usati tutti i metodi matematici del tempo per la trattazione della meccanica dei mezzi discontinui e continui, dell'ottica e dell'astronomia.
Nei suoi studi di matematica egli fu consigliato nel periodo 1914-18 da un collega di suo padre, Adolfo Amidei, ispettore principale delle ferrovie. Questi, che si era convinto che "Enrico era veramente un ragazzo prodigioso", cominciò a prestargli, secondo un ordine assai ben predisposto, una serie di testi di livello universitario di trigonometria, geometria, algebra, meccanica razionale e ingegneria, che il giovane Fermi lesse e apprese in maniera profonda nel periodo in cui frequentava il ginnasio e il liceo. Parallelamente a questi libri di carattere prevalentemente matematico, Fermi lesse e assorbì vari libri di fisica; oltre a quello sopra citato, egli studiò, per esempio, il grosso Trattato di fisica di Chwolson che terminò nell'estate del 1918 anche allo scopo di prepararsi al concorso per la Scuola Normale Superiore di Pisa, a cui voleva partecipare secondo un progetto maturato fra lui e Amidei.
Superato brillantemente questo esame, Fermi s'iscrisse a fisica all'Università di Pisa, dove si laureò nel luglio 1922 con una tesi sperimentale sulla diffusione dei raggi X da parte dei cristalli curvi e sulle immagini che si possono ottenere in tal modo. Nel frattempo aveva già cominciato a pubblicare vari lavori di carattere teorico su questioni di elettrodinamica e relatività. In quel periodo divenne amico di un suo compagno di corso, Franco Rasetti, con cui si sarebbe ritrovato più tardi a Firenze e a Roma.
Subito dopo la laurea si recò a Gottinga per una borsa di studio del Ministero della Pubblica Istruzione che gli permise di proseguire i suoi studi e di allargare la sua cultura restando per circa sei mesi nell'istituto di Max Born proprio nel periodo in cui a Gottinga andavano maturando alcune delle idee che pochi anni dopo sarebbero sfociate nella meccanica quantistica. In quell'istituto Enrico Fermi incontrò vari giovani fisici come W. Heisenberg, W. Pauli e P. Jordan, che nel giro di pochi anni dovevano diventare i più diretti artefici delle nuove concezioni. Sembra però che Fermi non sia riuscito ad affiatarsi con questi suoi grandi coetanei, con i quali riuscì a stringere rapporti più stretti solo qualche anno dopo.



Già prima di recarsi in Germania, Enrico Fermi era stato presentato da Persico a Orso Mario Corbino, professore di fisica sperimentale e direttore dell'Istituto di Fisica dell'Università di Roma dove Persico a quell'epoca era assistente. Questi era stato colpito dalla maturità e capacità di penetrazione che Fermi mostrava nella discussione di difficili problemi sia teorici sia sperimentali del tipo più vario e pertanto si adoperò affinché al ritorno da Gottinga la facoltà di scienze dell'Università di Roma affidasse a Fermi, giovanissimo, l'incarico d'insegnamento del corso di istituzioni di matematica.
Da quel primo incontro fino allo morte di Corbino, avvenuta prematuramente nel 1937, i rapporti fra questi due uomini furono di grande stima reciproca e di amicizia profonda. Da un lato Corbino ammirava in Fermi le qualità dell'ingegno e si rendeva conto come pochi altri delle capacità eccezionali del giovane fisico, dall'altro Fermi sentiva l'ascendente di Corbino che si imponeva grazie al suo vivacissimo ingegno, al suo passato e cultura di scienziato, alle sue qualità di uomo di larghe vedute e al suo fervido spirito di animatore degli studi di fisica in Italia. Nell'autunno del 1924, per una borsa di studio della Rockefeller Foundation, Fermi si recò a Leiden ove rimase tre mesi presso P. Ehrenfest, i cui lavori di carattere statistico avevano attratto grandemente la sua attenzione. Oltre a Ehrenfest, a Leiden c'erano S. Kronig, S. A. Goudsmit, G. E. Uhlenbeck e Fermi si trovò completamente a suo agio; per la prima volta nella sua vita si rese pienamente conto delle sue capacità e ricevette lo stimolo ad accingersi ad affrontare problemi di carattere fondamentale.



Nel biennio 1924-25 e 1925-26 Fermi insegnò ancora per incarico, fisica matematica e meccanica razionale presso l'Università di Firenze ove si ritrovò con Franco Rasetti.
Alla fine del 1926, avendo vinto l'apposito concorso, Fermi fu chiamato a ricoprire la cattedra di fisica teorica istituita presso la facoltà di scienze dell'Università di Roma, ad opera principalmente di Corbino. Enrico Persico, riuscito secondo allo stesso concorso, fu chiamato a ricoprire l'analoga cattedra di Firenze. Nella nuova sede Fermi aggiunse alla sua instancabile attività di ricerca un'intensa opera di maestro, con l'intento di creare in Italia una scuola di Fisica; in questo egli aveva il pieno appoggio di Corbino e la collaborazione di Rasetti che lo aveva seguito da Firenze a Roma, diventando prima aiuto di Corbino e in seguito professore di spettroscopia (1931).
Si formò così negli anni 1926-38, all'Istituto di fisica di Via Panisperna, un primo gruppo di allievi, in parte teorici (U. Fano, B. Ferretti, G. Gentile jr., E. Maiorana, L. Pincherle, G. Racah, G. C. Wick) e in parte sperimentali (M. Ageno, E. Amaldi, E. Fubini-Ghiron, B. Pontecorvo, E. Segré); tutti subirono il fascino e un'influenza determinante da parte di Fermi.
L'attività di ricerca di Fermi può essere divisa grosso modo in tre periodi, secondo il tipo di problemi affrontati. I lavori del primo periodo (1921-33) sono un'ottantina: oltre ad alcune questioni di relatività ed elettrodinamica, essi riguardano problemi di fisica atomica, molecolare e di stato solido. Il più importante è quello (fatto a Firenze) sulla statistica antisimmetrica come egli la chiamava, cioè secondo la denominazione universalmente poi adottata, sulla statistica di Fermi o di Fermi-Dirac, essendo P. A. M. Dirac poi pervenuto agli stessi risultati per altra via.
Si sa oggi che tutte le particelle di spin fratto (come l'elettrone, il protone, il neutrone, ecc.) ubbidiscono a questa statistica cosicché vengono chiamate fermioni, mentre quelle con spin intero (come il fotone e i vari mesoni) ubbidiscono all'altra statistica quantica, quella di Bose-Einstein, e vengono pertanto chiamate bosoni. Oltre a questo lavoro, risale a quel periodo un nuovo modello di atomi detto in seguito di Thomas-Fermi, che egli stesso e i suoi allievi applicarono a numerosi problemi di chimica e fisica e che viene ancor oggi usato in questioni di stato solido, di astrofisica, ecc. Sono di quel periodo anche molti lavori in cui Fermi fece la teoria di vari fenomeni ancora inspiegati (come il rapporto delle intensità dei doppietti degli alcalini, l'effetto Raman delle molecole e dei cristalli, l'effetto della pressione sulle righe spettrali, le strutture iperfini e così via), ognuno dei quali è di validità permanente e ha costituito un modello a cui si sono ispirati molti autori di epoche successive.



è di quel periodo una formulazione dell'elettrodinamica quantistica che, dal 1930 in poi, ha costituito lo schema seguito in tutte le trattazioni successive, non solo dell'elettrodinamica, ma della teoria dei campi in generale.
Il secondo periodo dell'attività di ricerca di Fermi va dal 1933 al 1949 e riguarda la fisica nucleare e le sue applicazioni. Esso si apre con un celebre lavoro del 1933 in cui viene esposta la teoria che costituisce ancor oggi il fondamento delle più moderne trattazioni delle interazioni deboli.
Questo lavoro è forse il più importante e originale di tutta la produzione teorica di Fermi; esso non era ancora apparso sulla stampa scientifica, quando giunse a Roma la notizia che i coniugi F. e I. Joliot-Curie, a Parigi, erano riusciti a produrre la radioattività in alcuni elementi leggeri sottoponendoli all'azione delle particelle alfa .
Immediatamente Fermi decise di provare a provocare la radioattività usando come proiettili i neutroni. Dopo alcuni tentativi infruttuosi l'esperienza diede esito positivo e Fermi annunciò, nel marzo del 1934, la scoperta della radioattività artificiale provocata da neutroni. Egli chiese subito l'aiuto di alcuni suoi collaboratori e allievi (E. Amaldi, F. Rasetti ed E. Segrè a cui si aggiunsero nel seguito il chimico O. D'Agostino e il neolaureato in fisica B. Pontecorvo) e si accinse a studiare il nuovo fenomeno su larga scala.
In pochi mesi furono prodotti oltre quaranta nuovi corpi radioattivi; molti furono individuati chimicamente e fu dimostrata la natura del loro processo di produzione.



Nell'ottobre dello stesso anno 1934 (lavorando in collaborazione con Amaldi, Pontecorvo, Rasetti e Segrè) scoprì un altro importante fenomeno. In tutti i casi in cui la radioattività provocata da neutroni era dovuta a un processo di cattura del neutrone seguita di emissione di quanti gamma (cattura radioattiva), l'intensità del fenomeno poteva venire esaltata di un fattore assai grande, in opportune circostanze dell'ordine di 50 o addirittura 100, circondando la sorgente di neutroni e il corpo irradiato con una sostanza idrogenata come l'acqua o la paraffina. Questo effetto coinvolge due diversi fenomeni: il primo è che per urti successivi contro gli atomi d'idrogeno del mezzo (detto nel seguito moderatore) i neutroni perdono la loro energia fino a ridursi a "neutroni lenti", cioè neutroni il cui spettro si estende fino alle energie di agitazione termica; l'altro, assai più sorprendente a quell'epoca, è che questi neutroni lenti sono enormemente più efficaci di quelli veloci nel produrre certi processi nucleari, come la cattura radioattiva o la scissione di certi isotopi degli elementi pesanti (come l'235U92 ed il 233Th90). Lo studio fatto successivamente delle proprietà dei neutroni lenti e del loro modo d'interagire con i nuclei portò a numerose altre scoperte: fra queste vanno ricordate l'assorbimento anomalmente elevato dei neutroni da parte di vari nuclei, in particolare nel boro (con emissione di particelle alfa) e nel cadmio (con emissione di raggi gamma), l'esistenza in molti nuclei di risonanza caratteristiche, cioè d'intervalli di energia molto ristretti entro i quali, come nel caso delle righe di assorbimento della luce (caratteristiche degli atomi), i neutroni vengono assorbiti dai nuclei in maniera eccezionale; infine i vari aspetti del meccanismo di rallentamento dei neutroni la cui comprensione, nel giro di pochi anni, sarebbe divenuta essenziale per l'impiego pratico di moderatori.
Dopo il suo primo viaggio negli Stati Uniti avvenuto nel 1930, Fermi era stato spesso invitato a svolgervi corsi di lezioni durante le sessioni estive di varie università e aveva ricevuto in più occasioni offerte per cattedre permanenti particolarmente importanti. Più volte egli si era sentito incerto di fronte a queste offerte, combattuto fra il desiderio di restare in Italia conservando e rinsaldando così i forti legami di vita e di lavoro, e l'aspirazione a vivere e far vivere la propria famiglia in un clima meno increscioso di quello che era andato creando in Italia sotto il fascismo. La decisione fu provocata nel 1938 dalle leggi razziali che lo colpivano nella famiglia: la moglie, Laura, era di origine ebraica.



Nell'autunno del 1938 Enrico Fermi accettò quindi un'offerta della Columbia University e, con una regolare aspettativa concessa dal Ministero, si trasferì negli USA.
Solo dopo due anni l'aspettativa non veniva più rinnovata dal Ministero dell'Educazione Nazionale e pertanto il trasferimento di Enrico Fermi negli USA assumeva anche formalmente, il carattere di una partenza definitiva. Giunto alla Columbia University, Enrico Fermi riprendeva il suo lavoro di maestro e di ricercatore con la stessa calma aggressività di fronte ai problemi scientifici ancora insoluti che aveva avuto durante il periodo romano.
La scoperta della scissione dell'uranio provocata dai neutroni, fatta da O. Hahn e F. Strassman nel 1939, apriva, pochi mesi dopo il suo arrivo negli USA, nuove possibilità. Se in tale processo, oltre all'elevata energia, si fosse liberato un numero sufficiente di neutroni, questi avrebbero potuto produrre a loro volta altre scissioni e iniziare così ciò che viene usualmente indicato come una reazione a catena. Fermi non fu il solo, ma certo fu uno dei primi a rendersi conto di questo e mise a esplorare il campo con l'aiuto di vari collaboratori, fra i quali vanno ricordati in modo particolare H. L. Anderson, L. Szilard e W. H. Zinn, il primo dei queli avrebbe anzi seguitato a lavorare con Fermi fino alla sua morte.
Alcuni importanti lavori sulla scissione dell'uranio furono pubblicati da Fermi e collaboratori nel corso del 1939 ma ben presto apparve chiaro che se fosse stato possibile provocare una reazione a catena, ciò avrebbe potuto acquistare un'importanza pratica notevole. La guerra era già in atto in Europa e si stava estendendo a tutto il resto del mondo e, di conseguenza, l'espressione "importanza pratica" acquistava in quel clima, non solo il significato di una nuova sorgente di energia, ma anche una lontana possibilità di nuovi ordigni esplosivi. I risultati delle ricerche in questo campo venivano pertanto considerati d'importanza militare e quindi tenuti segreti. In quell'epoca il gruppo diretto da Fermi cominciò a lavorare per il governo americano nei laboratori della Columbia University ove rimase fino alla primavera del 1942, epoca in cui fu trasferito a Chicago. Ivi, il 2 dicembre 1942, entrò in funzione la prima pila nucleare progettata e costruita da Enrco Fermi con la collaborazione di due gruppi diretti rispettivamente da H. L. Anderson e W. H. Zinn.
Dopo questo risultato, che bruscamente trasformava la fisica dei neutroni da un complesso e raffinato capitolo della fisica nucleare in una importante branca dell'ingegneria, con notevoli conseguenze industriali ed economiche e implicazioni sociali sotto molti aspetti assai gravi, Enrico Fermi si dedicò allo sviluppo e perfezionamento della pila fino all'inverno 1944, epoca in cui si trasferì a Los Alamos, ove a partire dal 1942 erano stati organizzati sotto la direzione di J. R. Oppenheimer i laboratori per lo sviluppo delle applicazioni belliche dell'energia nucleare. In questa sede Fermi non fu inserito nella preesistente organizzazione, ma ebbe un compito di consulenza generale, fino all'estate 1945 quando le prime armi atomiche furono impiegate dagli USA sul Giappone.



Finita la guerra, Fermi tornò a Chicago, ove nel gennaio 1946 fu nominato professore di quella Università e membro dell'Institute of Nuclear Studies, che dopo la sua morte fu dedicato al suo nome.
L'attività di ricerca svolta a Chicago fino al 1949 seguita a riguardare i neutroni lenti, prodotti ora con ben altra intensità per mezzo di un reattore (o pila) nucleare: in particolare risale a quegli anni la cosiddetta ottica dei neutroni lenti, destinata a diventare una metodologia di straordinaria importanza per lo studio dello stato solido. Con questi lavori si chiude il secondo periodo della sua attività di ricerca, i cui risultati sono raccolti in una cinquantina di lavori fatti in Italia e una centinaio fra lavori e rapporti (pubblicati questi ultimi solo dopo la sua morte) fatti negli USA.
Con l'entrata in funzione del ciclotrone da 450 MeV dell'Università di Chicago, costruito da H. L. Anderson, inizia il terzo periodo dell'attività scientifica di Enrico Fermi, rivolta allo studio delle proprietà dei mesoni pi o pioni.
Anche in questo campo Fermi e collaboratori ottennero numerosi risultati fondamentali, fra i quali basti ricordare la scoperta della produzione, nell'urto pione-protone, della prima risonanza chiamata in seguito Delta(1236). E anche a Chicago la sua attività di ricerca è affiancata da un'impareggiabile opera di maestro; egli crea così, per la terza volta nella sua vita, una nuova scuola di fisica il cui interesse prevalente è lo studio delle particelle elementari; fra gli allievi teorici di questo periodo spiccano G. Chew, M. L. Goldberger, T. D. Lee e C. N. Yang, fra gli sperimentali W. O. Chamberlain, A. H. Rosenfeld, J. Orear, J. Steiberger e C. A. Wattenberg.
Dopo un primo viaggio per partecipare al Congresso internazionale sulla radiazione cosmica, tenuto a Como nell'estate del 1949, Fermi tornò in Italia nell'estate del 1954 per tenere un corso (indimenticabile per il contenuto fisico e la semplicità formale) sulla fisica dei pioni alla scuola estiva di Varenna. Ma la sua salute era già minata; rientrato a Chicago, veniva sottoposto a un'operazione esplorativa che permetteva d'individuare ormai troppo tardi il male che lo consumava da tempo. Anche in queste circostanze, a lui pienamente note, conservava la sua calma serena fino la momento della morte, nella sua abitazione nei pressi dell'Università di Chicago, il 29 novembre 1954.
Non ha molto scopo e forse anche ben poco senso cercare di esprimere un giudizio sull'opera di Enrico Fermi e sulla sua figura di scienziato e di uomo. Le sue note e memorie originali sono state raccolte in due volumi di oltre duemila pagine, che costutuiscono il suo più valido monumento: esse riguardano argomenti dei più diversi tipi, che vanno dalla termodinamica all'astrofisica, dall'elettrodinamica alla fisica atomica, dalla fisica molecolare a quella nucleare e alle sue applicazioni, dallo stato solido alla fisica delle particelle elementari. In tutti questi campi Fermi ha apportato contributi essenziali, talvolta teorici talaltra sperimentali, sempre con acuto spirito di naturalista aderente e interessato solo ai fatti della natura, con una sicurezza matematica, un'inventiva da sperimentatore e una solidità da ingegnere come nessun altro scienziato del nostro secolo. Vissuto in un periodo di eventi storici drammatici è stato portato dal suo stesso lavoro ad avere in essi una parte di primo piano, ma l'aspetto più importante della sua vita è stato quello della scoperta scientifica.



 

 

by Elena T.

Lugo, A.S. 2001-2002
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