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Astronomia

Personaggi

Enrico Fermi e la pila atomica


Enrico Fermi nacque a Roma il 29 settembre 1901 da genitori di origine piacentina, ultimo di tre figli.
Il padre Alberto era ispettore capo delle ferrovie. Anche se Enrico venne battezzato, non ricevette una educazione religiosa e restò agnostico per tutta la vita.
A scuola era bravo, ma senza eccellere, il suo interesse per la matematica e la fisica si manifestò però assai presto; ancora ragazzo acquistò fra i libri usati di una bancarella di Campo dei Fiori a Roma
(la piazza ove fu arso vivo Giordano Bruno!), un poderoso trattato di fisica matematica in due volumi di circa 900 pagine “Elementorum Physicae Mathematicae”, scritto in latino nel 1840 da Andrea Caraffa, un gesuita professore del Collegio Romano.
Nell’inverno del 1915 morì il fratello Giulio al quale era molto legato. Strinse così una grande amicizia con Enrico Persico, che era stato compagno di scuola del fratello Giulio.
Così lo ricorda Persico: “Quando lo incontrai la prima volta aveva quattordici anni; mi accorsi con meraviglia di avere un compagno di scuola non solo bravo in scienze, ma anche dotato di un’intelligenza completamente diversa da quella di altri ragazzi che conoscevo e che consideravo intelligenti e studiosi. In matematica e fisica dimostrava di conoscere molti argomenti non compresi nei nostri studi. Conosceva questi argomenti non in modo scolastico, ma in maniera tale da potersene servire con la massima abilità e consapevolezza. Già allora per lui conoscere un teorema o una legge scientifica significava soprattutto conoscere il modo di servirsene”.

È l’amico di famiglia Adolfo Amidi, appassionato di matematica, che convince i genitori di Enrico a iscriverlo alla scuola normale di Pisa, in modo da poter svolgere un programma di studi più approfondito nelle materie da lui predilette. L’eccezionale livello di conoscenze scientifiche raggiunte da Fermi prima di iscriversi all’università è testimoniato dal tema svolto per l’esame di ammissione alla Normale. Tale era la complessità dell’elaborato che uno dei commissari volle incontrare Enrico per sincerarsi se quel compito fosse davvero farina del suo sacco e, dopo averlo interrogato a lungo, concluse dicendogli che mai aveva incontrato uno studente con capacità scientifiche così straordinarie e si disse certo che sarebbe diventato un importante scienziato.

Da Pisa continua l’amicizia epistolare con Persico e dalle lettere si viene a sapere che nei momenti di “riposo” legge “La Théorie des tourbillons” di Poincaré, famoso matematico francese e consiglia l’amico la lettura di nuovi testi sulla costituzione atomica della materia (i moti browniani di particelle immerse in soluzioni colloidali). Tra il 1919 e il 1923 Fermi continuò in totale solitudine il suo studio “matto e disperato” della nuova fisica, in particolare della relatività ristretta e della fisica atomica. È molto attento alla nuova teoria dell’elettrone di Hendrik Lorentz, della teoria del corpo nero di Max Planck, del paramagnetismo e diamagnetismo, dei primi lavori di Niels Bohr sull’atomo di idrogeno, tutti lavori praticamente sconosciuti allora in Italia. Nei suoi taccuini si leggono appunti sugli studi di Ernest Rutherford, tratti dal libro “Radioactive substances and their radiactions”. Tali sono le conoscenze e le capacità di Fermi che già dal primo anno di corso universitario i docenti lo pregano di tenere lezioni sulle nascenti teorie atomiche. Fermi era perfettamente consapevole delle sue capacità ed era contento del suo successo, come appare da questa lettera indirizzata all’amico Persico datata 30 gennaio 1920: “Caro Enrico ho ripreso lo studio dei progressi fatti dalla fisica durante la guerra e ho trovato che effettivamente qualche cosa, non molto, di nuovo si è fatto. All’Istituto fisico sto a poco a poco diventando l’autorità più influente. Anzi uno di questi giorni dovrò tenere, davanti a diversi magnati, una conferenza sulla teoria dei quanti, di cui sono sempre un sostenitore”.

Fermi non si limitò ad assimilare la teoria dei quanti ma cercò di applicarla creativamente per la risoluzione di problemi aperti, per esempio ricavò una relazione che lega la larghezza delle righe spettrali allo smorzamento delle oscillazioni per poi confrontarle con i dati sperimentali. Dopo lo studio della meccanica quantistica si dedicò a quello della teoria della relatività generale, impadronendosi dei metodi di calcolo, sviluppati dai matematici Curbastro e Levi-Civita.
Negli anni all’Università Fermi pubblica numerosi studi legati alla teoria di Einstein cercando sempre di risolvere problemi teorici e pratici.
Nel 1923 pubblica una breve note sui “Fondamenti della relatività einsteiniana”, schierandosi decisamente fra i pochi difensori della relatività, di cui sottolineava “la grandiosa importanza concettuale come contributo a una più profonda comprensione dei rapporti tra spazio e tempo”.
Fermi con Persico,
i genitori e la sorella

Ma in questo intervento fermi si sottraeva al dibattito filosofico sui fondamenti della teoria, per attrarre l’attenzione su “un altro risultato che, per essere meno clamoroso e, diciamolo pure, meno paradossale, ha tuttavia nella fisica conseguenze non meno degne di nota, e il cui interesse è verosimilmente destinato a crescere nel prossimo svilupparsi della scienza”. Parlava del principio di equivalenza fra massa ed energia, E=mc2, e con singolare lucidità, che a posteriori sarebbe facile definire profetica, illustrava le conseguenze che avrebbe in virtù di questo principio “l’esplosione della spaventosa quantità di energia” contenuta nel nucleo dell’atomo:

“La reazione fra massa ed energia ci porta senz’altro a delle cifre grandiose: per esempio se si riuscisse a mettere in libertà l’energia contenuta in un grammo di materia si otterrebbe un’energia maggiore di quella sviluppata in tre anni di lavoro ininterrotto da un motore di mille cavalli. Si dirà con ragione che non appare possibile che, almeno in un prossimo avvenire, si trovi il modo di mettere in libertà queste enormi quantità di energia, cosa del resto che non si può che augurarsi, perché l’esplosione di una così spaventosa quantità di energia avrebbe come primo effetto di ridurre in pezzi il fisico che avesse la disgrazia di trovare il modo di produrla”. E poi: “La teoria della relatività, oltre a darci un’interpretazione chiara delle relazioni fra spazio e tempo, sarà forse, in un prossimo avvenire, destinata a essere la chiave di volta per la risoluzione del problema della struttura della materia, l’ultimo e il più arduo problema della fisica”.

L’amico e compagno di studi Franco Rasetti ricorda che nel 1920 soltanto Fermi, Nello Carrara e lui stesso avevano accesso al laboratorio di fisica che utilizzavano soprattutto per esperimenti ai raggi X. Rasetti sottolinea la passione per la ricerca sperimentale di Fermi e lo descrive con queste parole: “Le attività sperimentali di Fermi durante il terzo e quarto anno di università non furono determinate dal motivo opportunistico di presentare una tesi accettabile. A lui ovviamente piaceva tanto il lavoro sperimentale quanto l’astrazione teorica, ma amava soprattutto alternare i due tipi di attività. Egli fu fin dall’inizio un fisico completo per cui la teoria e l’esperimento avevano lo stesso peso, anche se per molti ani la sua fama fu fondata principalmente sui suoi contributi teorici. Ma non è stato mai, neanche per un momento, uno di quei fisici che, per usare un’espressione molto usata più tardi dal gruppo di Roma, non sapevano distinguere l’acciaio dall’alluminio”.

Il 4 luglio 1922 Fermi discusse la sua tesi sulla diffrazione dei raggi X e tre giorni dopo presso la scuola normale.

Dopo la laurea si presentò a Orso Mario Corbino, che diverrà il suo maestro. Corbino lo introdusse negli ambienti scientifici internazionali e lo avviò alla carriera universitaria. Corbino capì subito di trovarsi di fronte a un giovane di straordinario talento e decise di appoggiarne la carriera: nel 1922 riuscì a fargli vincere una borsa di perfezionamento all’estero che Fermi utilizzò per recarsi a Gottinga preso l’Istituto diretto da Max Bohr, uno dei padri fondatori della meccanica quantistica. La produttività scientifica di Fermi continuò ad essere elevata.
Al ritorno in Italia però rimase particolarmente isolato perché non esistevano interlocutori validi e competenti con cui discutere su questi problemi. Decise così di tornare all’estero vincendo una seconda borsa di studio a Leida dove conobbe i “mostri sacri della fisica”: Albert Einstein e Hendrick Lorentz. E li descrive così all’amico Persico: “Einstein che è stato qui per una ventina di giorni; persona molto simpatica benché porti il cappello a larga tesa per darsi l’aria del genio incompreso. È stato preso da una simpatia vivissima per me, che non poteva fare a meno di dichiararmi ogni volta che mi incontrava: peccato che non sia una bella bimba! Lorentz, caratteristica essenziale occhi di fuoco benché azzurri”.

Bohr

Anche a Leida pubblica numerosi studi tra i quali quelli sull’urto fra atomi e particelle a. Dopo Leida fu chiamato a Firenze come professore di fisica matematica all’università, dove si occupa di ricerca sugli spettri atomici per mezzo di campi a radiofrequenza. Intanto a Roma Corbino si prepara a istituire una nuova cattedra per l’Italia, quella di fisica teorica per il suo “protetto”. Nel 1926 Fermi diventa professore di fisica teorica con questo giudizio: “La commissione, esaminata la vasta e complessa opera scientifica del professor Fermi, si è trovata unanime nel riconoscerne le qualità eccezionali e nel constatare che egli, pur in così giovane età e con pochi anni di lavoro scientifico, già onora altamente la fisica italiana. Mentre possiede in modo completo le più sottili risorse della matematica, sa farne un uso sobrio e discreto, senza mai perdere di mira il problema fisico di cui cerca la soluzione (…). Mentre gli sono perfettamente familiari i concetti più delicati della meccanica e della fisica matematica classica, riesce a muoversi con piena padronanza nelle questioni più difficili della fisica teorica moderna, cosicché egli è oggi il più preparato e il più degno per rappresentare il nostro paese in questo campo di così alta e febbrile attività scientifica mondiale”.

Fermi, Heisenberg e Pauli a Como nel '27
Nel gennaio del 1925 Pauli pubblicò il suo famoso articolo sul principio di esclusione e apparvero due fondamentali lavori di Einstein sulla statistica quantistica dei gas. Heisenberg, Born e Jordan gettarono le basi della nuova meccanica quantistica, risolvendo i paradossi della “vecchia” meccanica quantistica di Bohr. Fermi pubblica nello stesso anno un celebre lavoro: “Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico”, formulando la legge statistica a cui obbediscono molte particelle elementari. L’importanza della teoria di Fermi venne presto riconosciuta a livello internazionale. Nel 1926 una prima applicazione della statistica di Fermi a un problema di astrofisica fu fatta dal fisico inglese H. Fowler, in cui la materia densa delle cosiddette nane bianche veniva trattata come un gas di Fermi degenere e Pauli applicava la stessa statistica alle sostanze paramagnetiche. Nel 1927, al congresso di fisica di Como, presenti Max Planck, Niels Bohr, Arthur Compton, Max von Laue, Arnold Sommerfeld, Wolfgang Pauli e Werner Heinsenberg, Fermi ottenne un vero trionfo per gli importanti risultati ottenuti nella spiegazione di numerosi fenomeni fisici inspiegabili prima dell’introduzione della statistica delle particelle. Amaldi ricorda lo stile di lavoro di Fermi in questi anni, caratterizzato da una produttività straordinaria e da una estrema concretezza nella scelta dei problemi da affrontare.
Appena giunto a Roma come professore di fisica teorica Fermi decise di trasformare l’Istituto di fisica di via Panisperna in un moderno centro di ricerca paragonabile ai migliori esistenti all’estero. Una prima operazione fu quella di rafforzare la ricerca sperimentale nei settori della fisica atomica, invitando Rasetti come professore di spettroscopia; una seconda operazione fu quella di reclutare un gruppo di studenti di elevate capacità.
L'Istituto di Fisica in via Panisperna
E così che si formò il gruppo dei ragazzi di via Panisperna, tutti giovanissimi: Emilio Segré, Edoardo Amaldi ed Ettore Majorana. Per la formazione scientifica di questi giovani Fermi cominciò a tenere regolarmente seminari informali. Ricorda Raselli: “La personalità unica di Fermi, la poca differenza di età tra docenti e discepoli, l’affinità negli interessi scientifici e persino nelle ricreazioni al di fuori dell’attività universitaria, creavano tra i membri dell’istituto un’amicizia personale e un affiatamento che raramente hanno legato un gruppo di ricercatori. Nulla vi era di formale nel modo in cui Fermi ci insegnava le teorie fisiche più recenti, prima di tutte la meccanica quantistica (..). Si tenevano riunioni che si potrebbero chiamare seminari, ma senza alcun orario o altro schema prestabilito, su argomenti suggeriti sul momento da una domanda che uno di noi faceva a Fermi, o da qualche risultato sperimentale che avevano ottenuto e che si trattava di interpretare, o infine da un problema che Fermi stava studiando o che aveva risolto o che cercava di risolvere”.

Già dal 1929 si sapevano alcune proprietà del nucleo atomico e si conoscevano atomi stabili ed altri instabili radioattivi che si trasformavano spontaneamente in nuclei di altri elementi, con l’emissione di una particella a, o con l’emissione di una particella ß e accompagnata in generale da radiazioni elettromagnetiche di altissima frequenza (raggi ?). Ciò dimostrava che il nucleo atomico era una particella composta. Bisognava dunque studiare le particelle che lo formavano, e le forze che lo tengono insieme.A quell’epoca si conoscevano soltanto due particelle fondamentali: il protone e l’elettrone, e quindi si riteneva che i nuclei di tutti gli elementi fossero composti da elettroni e protoni; ma questa ipotesi portava a una serie di risultati paradossali e l’emissione delle particelle a dai nuclei radioattivi restavano inesplicabili.

D'Agostino, Segrè, Amaldi, Rasetti e Fermi nel '34
Proprio per fare il punto sulle questioni ancora irrisolte, Fermi ebbe
l’ideadi organizzare un Congresso internazionale di fisica nucleare, che si tenne a Roma dall’11 al 17ottobre 1931. Vi presero parte nomi prestigiosi, da Marie Curie a Niels Bohr, da Patrick Blackett a Robert Millikan, da Arthur Compton a Werner Heisenberg e Wolfgang Pauli. Pauli avanzò l’ipotesi dell’esistenza di una nuova particella, il neutrino. Fermi era molto a favore di questa idea e fu lui che inventò il nome neutrino. Corbino, a conclusione del congresso pronunciò un discorso che si rivelò profetico: “Io penso che l’andamento futuro della fisica del nucleo sarà grandemente influenzato da questa settimana di vita comune (…)”.

E infatti nel 1932 una serie di nuove importanti scoperte rivoluzionò la fisica nucleare: James Chadwick scoprì il neutrone; Karl Anderson il positrone; Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini confermarono la teoria di Dirac; Urey, Brickwedde e Murphy scoprirono il deutone (o nucleo di deuterio). Poco dopo, a Roma, Ettore Majorana sviluppò l’idea di nucleo composto da protoni e neutroni (cioè senza elettroni al suo interno) ed elaborò una teoria delle forze nucleari che legano queste particelle, calcolando l’energia di legame di vari nuclei leggeri.
Millikan, Marconi e Corbino a Roma
 
Nel 1933, a Bruxelles, fermi partecipò al settimo Congresso Solvay, al quale erano presenti tutti i più importanti fisici nucleari del mondo e alcuni fisici teorici che avevano contribuito alla creazione della nuova meccanica quantistica.In questa occasione Pauli presentò nuovamente la sua idea sull’esistenza del neutrino e questa volta il suo lavoro venne riconosciuto e pubblicato. Stimolato dalle discussioni, in meno di due mesi Fermi completò il suo celebre lavoro sulla teoria del decadimento ß, pubblicato con il titolo: Tentativo di una teoria dei raggi ß. Così Rasetti ricostruisce la genesi di questa teoria:

“Nell’autunno del 1933 Fermi ci mostrò un articolo che aveva meditato e scritto nelle prime ore del mattino, già in forma completa di tutti gli sviluppi matematici, su una teoria dell’emissione dei raggi ß fondata sull’ipotesi di Pauli del neutrino, dalla quale si deducevano risultati precisi sulle caratteristiche quantitative del fenomeno. Poche teorie della fisica moderna sono state così originali, così feconde di risultati come la teoria di Fermi dei raggi ß, che ancor oggi domina non più soltanto l’ordinario processo ß (che rappresenta la trasformazione di un neutrone in un protone, con creazione di un elettrone e un neutrino) ma anche numerose trasformazioni di particelle instabili”. Segrè ricorda quanto fermi andasse fiero di questo lavoro ed in effetti la teoria di Fermi del decadimento ß aprì un nuovo importante campo della fisica delle particelle elementari, la fisica delle interazioni deboli.

Nel gennaio del 1934 Irène Curie e suo marito Joliot, annunciarono la scoperta della radioattività artificiale. L’annuncio dei coniugi francesi diede a Fermi e al suo gruppo l’occasione che attendevano per iniziare una serie di ricerche sperimentali in fisica nucleare. Dapprima realizzarono una grande camera a nebbia, quindi costruirono uno spettrometro a cristalli per raggi ? e vari tipi di contatori di Geiger-Muller. Fermi ebbe l’idea di cercare di produrre nuovi elementi radioattivi utilizzando sorgenti di neutroni invece delle particelle a usate dai fisici francesi. A Roma utilizzò una sorgente di neutroni molto intensa, costituita da radon e berillio. Cominciò a bombardare in modo sistematico gli elementi del sistema periodico di numero atomico crescente, cominciando dall’idrogeno e continuando con illitio, berillio, boro, carbonio, azoto e ossigeno. Quando passò al fluoro e all’alluminio il suo contatore geiger segnò finalmente alcuni conteggi. Fermi comunicò subito al CNR questi primi risultati spiegandoli come una reazione tra il nucleo bersaglio che assorbe un neutrone ed emette una particella a, dando luogo alla creazione di un nuovo elemento radioattivo il cui numero atomico è minore di due unità rispetto a quello dell’elemento di partenza, nel lavoro intitolato: Radioattività provocata da bombardamento di neutroni. La grande importanza dei risultati ottenuti dal gruppo Fermi fu subito evidente a tutti i fisici. Il 23 aprile 1934, Lord Ernest Rutherford, l’autorità mondiale nel campo della fisica nucleare, scriveva così in una lettera a Fermi: “I suoi risultati sono di grande interesse e non dubito che in futuro saremo in grado di ottenere maggiori informazioni sul reale meccanismo di queste trasformazioni. Non è affatto certo che il processo sia così semplice come appare nelle osservazioni dei Joliot. Mi congratulo con lei per il successo della sua fuga dalla sfera della fisica teorica. Mi sembra proprio che lei abbia trovato un buon filone di ricerca per cominciare. Le può interessare sapere che anche il professor Dirac ha iniziato a fare alcuni esperimenti. Ci sembra un buon augurio per il futuro della fisica teorica! Congratulazioni e i migliori auguri. Continui a inviarmi le sue pubblicazioni su questi argomenti”.

Fermi e il suo gruppo procedettero a bombardare con i neutroni tutti gli elementi del sistema periodico di numero atomico crescente, finché, nell’estate 1934, irradiarono il Torio e l’Uranio, osservando numerosi radionuclidi di non facile identificazione. Il gruppo Fermi, confuso dal decadimento spontaneo dell’uranio, maturò la convinzione erronea che il bombardamento dell’uranio con neutroni producesse nuovi elementi transuranici (con numero atomico maggiore di 92). La falsa scoperta fu peraltro confermata dai più importanti fisici dell’epoca. E così furono dati i nomi agli elementi 93 e 94, che non esistevano. Per i fisici romani, non aver saputo interpretare correttamente quei risultati e non essersi accorti della fissione dell’uranio resterà un motivo di cruccio. Nel proseguire le ricerche il gruppo fermi si imbatté in grosse difficoltà con risultati a volte paradossali, finché un giorno si verificò un fatto inatteso: invece di usare un cuneo di piombo per tentare di separare e quindi distinguere neutroni assorbiti e neutroni diffusi, decise di usare della paraffina, sostanza ricca di atomi di idrogeno. A questo punto si verificò un fatto inatteso: il “filtro” di paraffina moltiplicava enormemente l’effetto dei neutroni. Secondo Fermi i neutroni venivano rallentati attraverso un gran numero di urti elastici con i protoni presenti nella paraffina aumentando così la loro efficacia nel provocare la radioattività artificiale. Va sottolineato che il fatto che la probabilità di cattura dei neutroni e di produzione delle reazioni nucleari aumentasse con la diminuzione della velocità dei neutroni rappresentava un evento del tutto inaspettato all’epoca, perché si riteneva, al contrario che questa probabilità aumentasse con l’energia dei neutroni incidenti. Ecco la testimonianza del l’astrofisico indiano Chandrasekhar con cui Fermi ricostruì molti anni dopo l’intuizione della paraffina: “Le racconterò come arrivai a fare la scoperta che credo sia la più importante della mia carriera. Stavamo lavorando molto intensamente sulla radioattività indotta dai neutroni e i risultati che stavamo ottenendo erano incomprensibili. Un giorno, appena arrivato in laboratorio, mi venne in testa che avrei dovuto esaminare l’effetto prodotto da un pezzo di piombo piazzato davanti ai neutroni incidenti. E contrariamente alle mie abitudini, misi un grande impegno nel preparare un pezzo di piombo lavorato con grande precisione. Ero chiaramente insoddisfatto di qualcosa: cercai ogni scusa per tentare di rinviare la disposizione di quel pezzo di piombo al suo posto. Quando finalmente con grande riluttanza stavo per collocarlo, mi dissi: No! Non voglio questo pezzo di piombo, ciò che voglio è un pezzo di paraffina. Andò proprio così, senza nessuna premonizione e nessun precedente ragionamento conscio. Presi immediatamente un pezzo di paraffina che trovai sul momento a portata di mano e lo collocai dove avrebbe dovuto essere disposto il pezzo di piombo”.

La sera il gruppo fermi scrisse una lettera con il titolo “Azione di sostanze idrogenate sulla radioattività provocata da neutroni”, avanzando questa possibile ipotesi: “i neutroni, per urti multipli contro nuclei di idrogeno, perdono rapidamente la propria energia. È plausibile che la sezione d’urto neutrone-protone cresca al calare dell’energia e può quindi pensarsi che dopo alcuni urti i neutroni vengano a muoversi in modo analogo alle molecole diffondentesi in un gas, eventualmente riducendosi fino ad avere solo l’energia cinetica competente all’agitazione termica. Si formerebbe così intorno alla sorgente qualcosa di simile a una soluzione di neutroni nell’acqua e nella paraffina”.

La scoperta dell’effetto di frenamento dei neutroni nelle sostanze idrogenate indusse Fermi e i suoi a un rapido riorientamento del programma di ricerca: decisero di concentrarsi sul problema dell’effetto dei neutroni lenti piuttosto che sullo studio dei radionuclidi prodotti. Le attività del gruppo proseguirono ad un ritmo frenetico e un’altra volta, per “distrazione”, non si accorsero del fenomeno di fissione dell’uranio, durante un esperimento con filtri di alluminio.
A partire dall’estate del 1935 il gruppo Fermi cominciò a disperdersi: Rasetti si recò alla Columbia University, Segrè trascorse l’estate negli Stati Uniti e poi vinse una cattedra a Palermo, D’Agostino accettò un posto al CNR, Pontecorvo partì per Parigi per lavorare con Joliot-Curie.

Per Amaldi, “responsabile di ciò era la situazione politica generale dell’Italia dato che il Paese si stava preparando per la guerra d’Etiopia”.












Amaldi

Rasetti condivide l’opinione di Amaldi: “Nel 1935, con i preparativi della guerra d’Etiopia, Mussolini e il fascismo si stavano rapidamente trasformando da quel “fastidio” che avevano rappresentato per persone come me estranee alla politica, in una tirannia che pesava sulla vita quotidiana delle sue sfortunate vittime. La guerra di Spagna che immediatamente seguì quella d’Etiopia e in particolare il patto d’acciaio con Hitler erano cattivi presagi per il futuro, e mi indussero a prendere in considerazione l’ipotesi di lasciare l’Italia anche a costo di perdere l’eccellente posizione accademica che avevo a Roma. Trascorsi l’anno accademico 1935-36 alla Columbia University. Se a quel tempo mi avessero offerto un buon posto, avrei seriamente preso in considerazione l’idea di rimanere negli Stati Uniti. Invece nell’autunno del 1936 ritornai a Roma”. Forse anche per reagire al pesante clima politico, i ritmi di lavoro a Roma erano divenuti forsennati.
Racconta Amaldi: Il nostro lavoro proseguì per alcuni anni, ma il primato che il gruppo aveva mantenuto per circa tre anni era finito. Ciò era dovuto in parte alla situazione politica in Europa, ma forse anche al fatto che stava diventando sempre più difficile competere con altri gruppi che nel frattempo avevano attrezzato laboratori con acceleratori di vario tipo che fornivano sorgenti di neutroni molto più potenti di quelle di cui disponevamo noi”.

Nel novembre 1936 la situazione politica in Italia si deteriorò ulteriormente con la costituzione dell’asse Roma-Berlino. Inoltre morì improvvisamente Corbino, che era stato il più influente sostenitore del gruppo Fermi. Segrè ricorda che sarebbe stato naturale nominare come suo successore Fermi, ma manovre politiche imposero il prof. Lo Surdo e Fermi fu isolato.

Intanto a Pasadena Rasetti studiò un acceleratore lineare ad alto voltaggio, messo a punto da Lauritsen e a Berkeley esaminò le prestazioni di un ciclotrone, ideato da Lawrence. Già nell’estate del 1936 Segrè, che si era recato a Berkeley per imparare a “ciclotronare”, così si diceva allora, poté constatare le impressionanti potenzialità della macchina. Ma i costi per realizzare tale macchina erano proibitivi per l’Italia e Fermi dovette rinunciarvi optando per un più tradizionale acceleratore ad alta tensione. Tentò comunque ancora di fondare un Istituto nazionale di radioattività come scriveva: “Le ricerche sulla radioattività hanno avuto negli ultimi anni, presso tutte le nazioni civili, uno sviluppo eccezionalmente intenso e fecondo. Questo movimento non accenna in alcun modo a declinare, ma tende anzi ad estendersi a nuovi e vasti campi non solo della fisica, ma anche della chimica e della biologia. L’Italia ha avuto finora una posizione preminente in queste ricerche, D’altra parte la tecnica radioattiva ha potuto impiegare in gran parte come sorgenti primarie le sostanze radioattive naturali, così che i mezzi ordinari di un laboratorio fisico universitario hanno potuto, con limitati aiuti esterni, essere sufficienti allo sviluppo delle ricerche. Accanto alla tecnica delle sorgenti naturali si è però andata sviluppando in tutti i grandi paesi esteri quella delle sorgenti artificiali. Queste sorgenti hanno intensità migliaia di volte superiore a quelle ottenibili dalle sostanze naturali. È chiaro come queste circostanze rendano vano pensare a un’efficace concorrenza con l’estero, se anche in Italia non si trova il modo di organizzare le ricerche su un piano adeguato”. L’isolamento politico di Fermi iniziato con la morte di Corbino e l’improvvisa scomparsa di Marconi, che nella veste di presidente del CNR era stato l’altro influente protettore del gruppo romano, portarono alla bocciatura del progetto del ciclotrone.













 

 

Fermi riceve il premio Nobel

Pochi mesi prima dell’annuncio del Nobel, dunque, la più importante istituzione scientifica del paese ammetteva che non erano disponibili mezzi finanziari per permettere a Fermi e ai suoi collaboratori di proseguire le ricerche di fisica nucleare! È lecito allora supporre che la decisione che Fermi avrebbe preso di lì a poco, di lasciare l’Italia per gli Stati Uniti, maturasse anche sulla base della considerazione che soltanto negli USA avrebbe potuto trovare acceleratori di particelle e finanziamenti adeguati per continuare le sue ricerche a un livello competitivo.

Del resto, la situazione politica europea si andava deteriorando rapidamente. Nel marzo del 1938 l’annessione dell’Austria da parte della Germania nazista, avvenne col tacito consenso di Mussolini. Subito dopo Fermi ricevette una visita drammatica del fisico austriaco Erwin Schrodinger, uno dei padri fondatori della meccanica quantistica. Segrè ricorda così quell’incontro: “Una mattina Schrodinger arrivò improvvisamente all’istituto di Roma e chiese a Fermi di accompagnarlo in Vaticano, dove voleva temporaneamente rifugiarsi, e di fornirgli un minimo di denaro per poter mangiare!”. Nei mesi successivi vennero promulgate le leggi razziali: iniziò allora l’espulsione degli ebrei da tutti gli impieghi statali, dalle università, degli allievi ebrei dalle scuole pubbliche ed altri provvedimenti persecutori sul piano patrimoniale e nelle attività economiche. La moglie di Fermi, Laura Capon, era ebrea e così i Fermi presero la decisione di emigrare. Il clima si era fatto molto pesante e lo stesso Fermi era soggetto a controlli e pedinamenti da parte della polizia!

Mentre il mondo celebrava Fermi in Italia le autorità lo boicottavano, come emerge da una nota di un anonimo informatore della polizia: “Mi viene riferito che in occasione della cerimonia, per festeggiare l’accademico Enrico Fermi, premio Nobel 1938 per la fisica, erano state invitate tutte le autorità cittadine. Pare che all’ultimo momento non sia intervenuto nessuno, si dice a causa del fatto che il festeggiato, ammogliato a un’israelita, avrebbe apertamente manifestato la sua disapprovazione verso la campagna anti ebraica, dichiarandosi invece ben felice di avere per compagna una giudea”. Ottenne comunque il visto per la Svezia per ricevere il premio Nobel. Alla stazione Termini lo accompagnarono Rasetti e Amaldi che ricostruisce con parole efficaci la consapevolezza del dramma al quale stavano assistendo: “Io sapevo, anzi sapevamo, che quella sera si chiudeva definitivamente un periodo, brevissimo, della storia della cultura in Italia che avrebbe potuto estendersi e svilupparsi e forse avere un’influenza più ampia sull’ambiente universitario e, con il passare degli anni, magari sull’intero paese. Il nostro piccolo mondo era stato sconvolto, anzi quasi certamente distrutto, da forze e circostanze completamente estranee al nostro campo d’azione. Un osservatore attento avrebbe potuto dirci che era stato ingenuo pensare di costruire un edificio così fragile e delicato sulle pendici di un vulcano che mostrava così chiari segni di crescente attività. Ma su quelle pendici eravamo nati e cresciuti e avevamo sempre pensato che quello che facevamo fosse molto più durevole della fase politica che il paese stava attraversando”.











La famiglia Fermi a New York


Il 10 dicembre si svolse la cerimonia a Stoccolma: “per la scoperta di nuove sostanze radioattive appartenenti all’intero campo degli elementi e per la scoperta del potere selettivo dei neutroni lenti”. Fermi si presentò davanti al re senza la camicia nera! In Italia fu scandalo. Pochi osavano non indossarla nelle cerimonie ufficiali (al Politecnico di Torino solo un geologo aveva il coraggio di farlo, il prof. Antonio Cavinato -nda). Il 24 dicembre, dopo aver parlato con Bohr a Copenhagen, si imbarcò con la famiglia sul transatlantico Franconia diretto a New York. Nei giorni successivi la cerimonia Otto Hahn e Fritz Strassmann completarono a Berlino un esperimento in cui rilevarono, in seguito al bombardamento dell’uranio con neutroni, la presenza di bario radioattivo, cioè di un elemento intermedio e ipotizzarono quindi la possibile fissione del nucleo di uranio. La notizia si sparse subito in tutto il mondo e Fermi poté vedere direttamente gli impulsi prodotti dalla fissione sull’oscilloscopio a raggi catodici di Anderson il 15 gennaio 1939. Scrive Fermi su quella giornata: “La probabile importanza del fenomeno della scissione appena scoperto fu discussa per la prima volta, in tono scherzoso, considerandola come una possibile sorgente di energia nucleare.











Einstein e Szilard

Infatti, si pensava, se nella fissione c’è un grosso sconvolgimento nella struttura nucleare, non è improbabile che qualche neutrone possa “evaporare” dal nucleo. E se qualche neutrone evapora, allora può ben essere più di uno, diciamo due. Allora ognuno di questi due potrà provocare una nuova fissione”.

Ancora Fermi: “Nella primavera del ’39 divennegeneralmente noto che un processo di fissione, indotto dalla collisione di un neutrone con un atomo di uranio, era capace di produrre a sua volta certamente più di un nuovo neutrone, e forse addirittura tre. Molti fisici in quel momento si resero conto che una reazione a catena basata sulla fissione dell’uranio era una possibilità che meritava ulteriori ricerche. Questa possibilità era considerata con speranza e, nello stesso tempo, con grande preoccupazione: tutti sapevano, agli inizi del 1939, dell’imminenza di una guerra mondiale; c’era un fondato timore che la tremenda potenzialità militare latente nei recenti sviluppi scientifici potesse essere realizzata dai nazisti per primi”.

Le ricerche sulla reazione a catena proseguirono con grande intensità in Francia, in Germania e negli Stati Uniti. Il gruppo più attivo era quello della Columbia University, dove lavoravano Fermi e Szilard, un fisico ungherese rifugiatosi negli Stati Uniti. Sempre nel ’39 Fermi e i suoi collaboratori svilupparono tutte le idee fondamentali della fisica dei futuri reattori nucleari e misero a punto le tecniche costruttive per la realizzazione di una reazione a catena: decisero, per esempio, di scegliere la grafite come moderatore dei neutroni, invece delle sostanze idrogenate.

All’inizio dell’estate del ’39 Szilard, che era stato fra i primi a comprendere le potenzialità pratiche della fissione dell’uranio come possibile esplosivo enormemente più potente degli usuali esplosivi chimici, giunse alla convinzione che, con l’uso della grafite come moderatore per rallentare i neutroni, la realizzabilità di una reazione a catena era praticamente certa. Dopo alcuni tentativi inutili di ottenere consistenti finanziamenti per procedere agli esperimenti, decise di far firmare ad Albert Einstein una lettera indirizzata al presidente degli Stati Uniti Roosevelt, per metterlo al corrente delle potenzialità e dei rischi di questa scoperta.













Fermi sperimentatore

Sotto la pressione dell’avanzata vittoriosa di Hitler in Europa, nell’estate del ’40 Roosevelt diede ingenti fondi al comitato per l’uranio che fu sottoposta a misure di particolare segretezza per le ricerche sulla reazione a catena. Con quella rara combinazione di talento sperimentale e capacità di analisi teorica, Fermi si dimostrò particolarmente adatto a questo compito. Fu lui a escogitare il geniale artificio di concentrare l’uranio in blocchi invece di distribuirlo uniformemente nella grafite.
Nel frattempo i fisici che lavoravano al progetto uranio si resero conto che l’isotopo U238 non poteva essere scisso con neutroni lenti e solo l’isotopo U235, presente in minima parte era adatto a questo scopo. Anche il plutonio poteva subire una scissione e così Fermi chiese a Segrè di produrlo con il ciclotrone di Berkeley. Ma la situazione al dicembre 1941 era ancora molto difficile: non era mai stata realizzata una reazione a catena controllata; non era stata separata una quantità apprezzabile di U235 ed erano stati ottenuti soltanto alcuni microgrammi di plutonio col ciclotrone

L’attacco dei giapponesi a Pearl Harbour il 7 dicembre 1941 e la conseguente entrata in guerra degli Stati Uniti determinarono una brusca accelerazione del Progetto uranio. Arthur Compton, direttore del Dipartimento di fisica dell’Università di Chicago, venne messo a capo delle ricerche relative alla realizzazione della reazione a catena. Nel gennaio 1942 Compton fece trasferire a Chicago tutti i ricercatori che fino ad allora avevano lavorato al progetto. Anche Fermi, Szilard e gli altri della Columbia University si trasferirono a Chicago ed entrarono a far parte del cosiddetto Metallurgical Lab













 


Le firme sul disegno della pila

oratory, nome di copertura che serviva a nascondere il vero scopo del laboratorio, cioè la realizzazione della pila atomica. E così inizia la collaborazione on i militari. Il generale Groves si mise a dirigere il progetto per la costruzione di impianti per la produzione su vasta scala degli isotopi necessari alla realizzazione della bomba. Ebbe inizio un periodo difficile nei rapporti tra scienziati, militari e industriali, come scrive Segrè: Gli scienziati non erano abituati alla disciplina militare e all’etica industriale ed era per loro difficile accettare le restrizioni richieste dalle circostanze. Una delle forze unificatrici più efficaci fu l’odio per Hitler e per la sua ideologia”. In ottobre Fermi si rese conto che era stato accumulato sufficiente materiale per iniziare la costruzione di una pila destinata a raggiungere lo stato critico: 210 tonnellate di grafite, da mescolare con l’ossido di uranio e con l’uranio metallico, erano state tagliate in blocchi di dimensioni opportune. La pila avrebbe dovuto essere montata in un laboratorio che si stava costruendo vicino a Chicago, ma Fermi propose di costruirla sotto le gradinate dello stadio in città, per guadagnare tempo. Nonostante il rischio che qualcuno temeva, per un’eventuale liberazione elevata di radioattività, il 14 novembre iniziò la costruzione sotto la supervisione di Fermi.













 


La pila atomica
Secondo il progetto messo a punto da Fermi la pila doveva avere la forma di un ellissoide; inoltre, gran parte dell’uranio metallico di cui disponevano, doveva essere distribuito nella regione centrale per ridurre la dispersione all’esterno dei neutroni emessi e quelli assorbiti. Ognuno degli strati di uranio e grafite veniva preparato e disposto da Anderson e Zinn dopo una discussione con Fermi che, in base ai suoi calcoli, stabiliva la composizione e la dislocazione dei materiali dei vari strati. Sbarre di controllo di legno avvolte in sottili fogli di cadmio (che era un potentissimo assorbitore di neutroni, come avevano scoperto a Roma molti anni prima Fermi e i suoi ragazzi) furono inserite all’interno della pila: per misurare la crescita del fattore di moltiplicazione raggiunto con l’accumularsi di nuovi strati si estraevano temporaneamente le sbarre di controllo e si misurava la densità neutronica in vari punti. Sulla base di queste misure era possibile calcolare la quantità di materiale che era ancora necessario disporre per rendere “critica” la pila, cioè per rendere il fattore di moltiplicazione maggiore dell’unità e innescare la reazione a catena. La mattina del 2 dicembre tutto era pronto per procedere al montaggio dell’ultimo strato, il cinquantasettesimo. Fermi assunse la direzione delle operazioni alla presenza di una quarantina di persone, in massima parte scienziati del Metallurgical laboratory come Compton e Szilard.

Fermi aveva predisposto una serie di operazioni che permettessero di raggiungere la soglia critica in modo graduale e controllabile: le sbarre di cadmio erano estratte un pezzo alla volta. Come misura di sicurezza aveva anche fatto predisporre da Zinn una serie di barre di controllo che si sarebbero inserite automaticamente nella pila qualora la sua reattività fosse aumentata troppo velocemente. Inoltre alcuni volontari erano disposti sopra la pila pronti a intervenire con secchi pieni di una soluzione di sali di cadmio, nel caso, assai improbabile, di un’eventuale reazione a catena fuori controllo. Tutto procedette regolarmente. La pila venne lasciata funzionare per 28 minuti a una potenza molto bassa per minimizzare la produzione di radioattività. Poco dopo Arthur Compton si precipitò a telefonare al rettore dell’Università di Harvard, il chimico James Conant, che era uno dei responsabili del progetto: “Jim, ti interesserà sapere che il navigatore italiano è appena sbarcato nel nuovo mondo”.

L’esperimento della pila di Fermi è oggi da tutti considerato come l’inizio dell’era atomica. Ma Fermi, nel rapporto mensile di dicembre, riportò laconicamente: “La struttura per la reazione a catena è stata completata il 2 dicembre e da allora ha continuato a funzionare in modo soddisfacente”.

(Tratto da “I grandi della scienza: Enrico Fermi” – Le Scienze – anno II n°8 – aprile 1999)

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