Enrico Fermi
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| Nacido | 29 de septiembre de 1901
Roma , italia
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| Murió | 28 de noviembre de 1954 (53 años)
Chicago , Illinois, Estados Unidos
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| Ciudadanía | Italiano (1901–44) estadounidense (1944–54) |
| alma mater | Scuola Normale Superiore |
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| Esposos) | Laura capon fermi |
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| Carrera cientifica | |
| Campos | Física |
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| Estudiantes de doctorado | |
| Otros estudiantes notables | |
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Enrico Fermi (en italiano: [enˈriːko ˈfermi] ; del 29 de septiembre de 1901 al 28 de noviembre de 1954) fue un físico italiano y naturalizado estadounidense y el creador del primer reactor nuclear del mundo , el Chicago Pile-1 . Se le ha llamado el "arquitecto de la era nuclear " [1] y el "arquitecto de la bomba atómica". [2] Fue uno de los muy pocos físicos para sobresalir tanto en la física teórica y la física experimental . Fermi obtuvo varias patentes relacionadas con el uso de la energía nuclear y recibió el Premio Nobel de Física de 1938 por su trabajo sobre la radioactividad inducida.Por bombardeo de neutrones y por el descubrimiento de elementos transuránicos . Hizo importantes contribuciones al desarrollo de la mecánica estadística , la teoría cuántica y la física nuclear y de partículas .
La primera contribución importante de Fermi fue el campo de la mecánica estadística . Después de que Wolfgang Pauli formuló su principio de exclusión en 1925, Fermi siguió con un documento en el que aplicó el principio a un gas ideal , empleando una formulación estadística ahora conocida como estadísticas de Fermi-Dirac . Hoy en día, las partículas que obedecen al principio de exclusión se llaman " fermiones ". Pauli luego postuló la existencia de una partícula invisible sin carga emitida junto con un electróndurante la desintegración beta , para satisfacer la ley de conservación de la energía.. Fermi tomó esta idea y desarrolló un modelo que incorporaba la partícula postulada, a la que llamó " neutrino ". Su teoría, más tarde conocida como interacción de Fermiy ahora llamada interacción débil , describió una de las cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza. A través de experimentos que inducen la radiactividad con el recientemente descubierto de neutrones , Fermi descubrió que los neutrones lentos fueron más fácilmente capturados por los núcleos atómicosque las rápidas, y desarrolló la ecuación de la edad Fermi para describir esto. Después de bombardear torio y uranio.con neutrones lentos, concluyó que había creado nuevos elementos. Aunque se le otorgó el Premio Nobel por este descubrimiento, los nuevos elementos se revelaron más tarde como productos de fisión nuclear.
Fermi abandonó Italia en 1938 para escapar de las nuevas leyes raciales italianas que afectaron a su esposa judía, Laura Capon . Emigró a los Estados Unidos, donde trabajó en el Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial. Fermi dirigió el equipo que diseñó y construyó el Chicago Pile-1, que fue crítico el 2 de diciembre de 1942, demostrando la primera reacción en cadena nuclear autosostenida creada por humanos . Estaba presente cuando el X-10 Graphite Reactor en Oak Ridge, Tennessee , fue crítico en 1943, y cuando el B Reactor en el sitio de Hanford lo hizo el año siguiente. En los alamos, Se dirigió F División, parte de la cual trabajó en la caja de Edward 's termonuclear ' super bomba'. Estuvo presente en la prueba Trinity el 16 de julio de 1945, donde utilizó su método Fermi para estimar el rendimiento de la bomba.
Después de la guerra, Fermi sirvió bajo J. Robert Oppenheimer en el Comité Asesor General, que asesoró a la Comisión de Energía Atómica en asuntos nucleares. Después de la detonación de la primera bomba de fisión soviética en agosto de 1949, se opuso firmemente al desarrollo de una bomba de hidrógeno por razones tanto morales como técnicas. Fue uno de los científicos que testificaron en nombre de Oppenheimer en la audiencia de 1954 que resultó en la denegación de la autorización de seguridad de Oppenheimer. Fermi hizo un trabajo importante en física de partículas, especialmente relacionado con piones y muones , y especuló que los rayos cósmicosSurgió cuando el material fue acelerado por campos magnéticos en el espacio interestelar. Muchos premios, conceptos e instituciones llevan el nombre de Fermi , incluido el Premio Enrico Fermi , el Instituto Enrico Fermi , el Laboratorio Acelerador Nacional Fermi , el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi , la Estación de Generación Nuclear Enrico Fermi y el elemento sintético fermio . convirtiéndolo en uno de los 16 científicos que tienen elementos que llevan su nombre .
Vida temprana [ editar ]
Enrico Fermi nació en Roma, Italia, el 29 de septiembre de 1901. Fue el tercer hijo de Alberto Fermi, jefe de división en el Ministerio de Ferrocarriles, e Ida de Gattis, maestra de escuela primaria. [3] [4] Su hermana, María, era dos años mayor que él, y su hermano Giulio, un año mayor. Después de que los dos niños fueron enviados a una comunidad rural para ser amamantados , Enrico se reunió con su familia en Roma cuando tenía dos años y medio. [5] Aunque fue bautizado como católico romano de acuerdo con los deseos de sus abuelos, su familia no era particularmente religiosa; Enrico fue un agnóstico a lo largo de su vida adulta. Cuando era niño compartía los mismos intereses que su hermano Giulio, construyendo motores eléctricos.Y jugando con juguetes eléctricos y mecánicos. [6] Giulio murió durante una operación en un absceso de garganta en 1915 [7] y María murió en un accidente de avión cerca de Milán en 1959. [8]
En un mercado local, Fermi encontró un libro de física, el Elementorum physicae Mathematicae de 900 páginas . Escrito en latín por el padre jesuita Andrea Caraffa , profesor del Colegio Romano , presentó matemáticas , mecánica clásica , astronomía , óptica y acústica tal como se entendieron en el momento de su publicación de 1840. [9] [10] Con un amigo con inclinaciones científicas, Enrico Persico , [11] Fermi realizó proyectos como construir giroscopiosy midiendo la aceleración de la gravedad terrestre . [12] Un colega del padre de Fermi le dio libros sobre física y matemáticas que asimiló rápidamente. [13]
Scuola Normale Superiore en Pisa [ editar ]
Fermi se graduó de la escuela secundaria en julio de 1918 y, a instancias de Amidei, se aplicó a la Scuola Normale Superiore en Pisa . Habiendo perdido a un hijo, sus padres solo le permitieron a regañadientes vivir en el alojamiento de la escuela durante cuatro años. [14] [15] Fermi obtuvo el primer lugar en el difícil examen de ingreso, que incluyó un ensayo sobre el tema "Características específicas de los sonidos"; Fermi, de 17 años, optó por usar el análisis de Fourier para derivar y resolver la ecuación diferencial parcial de una varilla vibradora, y luego de entrevistar a Fermi, el examinador declaró que se convertiría en un destacado físico. [14] [16]
En la Scuola Normale Superiore Fermi jugó bromas con su compañero Franco Rasetti ; Los dos se hicieron amigos íntimos y colaboradores. Fermi fue asesorado por Luigi Puccianti , director del laboratorio de física, quien dijo que no había mucho que pudiera enseñarle a Fermi y que a menudo le pedía que le enseñara algo a él. El conocimiento de Fermi sobre la física cuántica fue tal que Puccianti le pidió que organizara seminarios sobre el tema. [17] Durante este tiempo, Fermi aprendió el cálculo del tensor , una técnica clave para la relatividad general . [18] Fermi inicialmente eligió las matemáticas como su especialidad, pero pronto cambió a la física. Permaneció en gran medida autodidacta, estudiando la relatividad general,Mecánica cuántica , y física atómica . [19]
En septiembre de 1920, Fermi fue admitido en el departamento de Física. Como solo había tres estudiantes en el departamento: Fermi, Rasetti y Nello Carrara, los puccianti les permitieron usar libremente el laboratorio para cualquier propósito que eligieran. Fermi decidió que debían investigar la cristalografía de rayos X , y los tres trabajaron para producir una fotografía de Laue, una fotografía de rayos X de un cristal. [20] Durante 1921, su tercer año en la universidad, Fermi publicó sus primeros trabajos científicos en la revista italiana Nuovo Cimento . El primero se tituló "Sobre la dinámica de un sistema rígido de cargas eléctricas en movimiento de traslación" ( Diálogo de un sistema rígido de vehículos eléctricos en una moto de traducción).). Una señal de lo que vendría era que la masa se expresaba como un tensor, una construcción matemática comúnmente utilizada para describir algo que se mueve y cambia en el espacio tridimensional. En la mecánica clásica, la masa es una cantidad escalar , pero en la relatividad cambia con la velocidad. El segundo artículo fue "Sobre la electrostática de un campo gravitacional uniforme de cargas electromagnéticas y sobre el peso de las cargas electromagnéticas" ( Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme and sul peso delle masse elettromagnetiche ). Usando la relatividad general, Fermi mostró que una carga tiene un peso igual a U / c 2 , donde U era la energía electrostática del sistema, y c es la velocidad de la luz .[19]
El primer artículo pareció señalar una contradicción entre la teoría electrodinámica y la relativista sobre el cálculo de las masas electromagnéticas, ya que la primera predijo un valor de 4/3 U / c 2 . Fermi abordó esto el año siguiente en un artículo titulado "En relación con la contradicción entre la electrodinámica y la teoría relativista de la masa electromagnética", en la que mostró que la aparente contradicción era una consecuencia de la relatividad. Este documento fue lo suficientemente bien considerado como para ser traducido al alemán y publicado en la revista científica alemana Physikalische Zeitschrift en 1922. [21] Ese año, Fermi presentó su artículo "Sobre los fenómenos que ocurren cerca de una línea mundial " (Sopra i fenomeni che avvengono en vicinanza di una linea oraria ) a la revista italiana I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei . En este artículo examinó el principio de equivalencia e introdujo las llamadas " coordenadas de Fermi ". Demostró que en una línea del mundo cercana a la línea de tiempo, el espacio se comporta como si fuera un espacio euclidiano . [22] [23]
Fermi presentó su tesis, "Un teorema sobre probabilidad y algunas de sus aplicaciones" ( Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni ), a Scuola Normale Superiore en julio de 1922, y recibió su laurea a la inusualmente joven edad de 20 años. La tesis fue sobre imágenes de difracción de rayos X. La física teórica aún no se consideraba una disciplina en Italia, y la única tesis que habría sido aceptada fue una sobre física experimental . Por esta razón, los físicos italianos fueron lentos en abrazar las nuevas ideas como la relatividad proveniente de Alemania. Como Fermi se encontraba bastante a gusto en el laboratorio haciendo trabajo experimental, esto no le planteaba problemas insuperables.[23]
Mientras escribía el apéndice para la edición italiana del libro Fundamentos de la Relatividad de Einstein de August Kopff en 1923, Fermi fue el primero en señalar que, oculto dentro de la famosa ecuación de Einstein ( E = mc 2 ), se encontraba una enorme cantidad de energía potencial nuclear para ser explotado "No parece posible, al menos en el futuro cercano", escribió, "encontrar una manera de liberar estas terribles cantidades de energía, lo cual es muy bueno porque el primer efecto de una explosión de una cantidad tan terrible de "La energía sería aplastar en contra de un físico que tuvo la desgracia de encontrar la manera de hacerlo". [23]
Fermi pasó un semestre estudiando con Max Born en la Universidad de Göttingen , donde conoció a Werner Heisenberg y Pascual Jordan . Fermi luego estudió en Leiden con Paul Ehrenfest de septiembre a diciembre de 1924 en una beca de la Fundación Rockefeller obtenida a través de la intercesión del matemático Vito Volterra . Aquí, Fermi conoció a Hendrik Lorentz y Albert Einstein , y se hizo buen amigo de Samuel Goudsmit y Jan Tinbergen . Desde enero de 1925 hasta finales de 1926, Fermi enseñó física matemática.y mecánica teórica en la Universidad de Florencia , donde se unió a Rasetti para realizar una serie de experimentos sobre los efectos de los campos magnéticos sobre el vapor de mercurio. También participó en seminarios en la Universidad Sapienza de Roma, dando conferencias sobre mecánica cuántica y física del estado sólido . [25] Al dar conferencias sobre la nueva mecánica cuántica basada en la notable precisión de las predicciones de la ecuación de Schrödinger, el físico italiano a menudo decía: "¡No tiene nada que encajar tan bien!" [26]
Después de que Wolfgang Pauli anunció su principio de exclusión en 1925, Fermi respondió con un documento "Sobre la cuantificación del gas monoatómico perfecto" ( Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico ), en el que aplicó el principio de exclusión a un gas ideal. El documento fue especialmente notable por la formulación estadística de Fermi, que describe la distribución de partículas en sistemas de muchas partículas idénticas que obedecen al principio de exclusión. Esto fue desarrollado de forma independiente poco después por el físico británico Paul Dirac , quien también mostró cómo estaba relacionado con las estadísticas de Bose-Einstein . En consecuencia, ahora se conoce comoEstadísticas de Fermi – Dirac . [27] Después de Dirac, las partículas que obedecen al principio de exclusión se denominan hoy " fermiones ", mientras que las que no lo hacen se llaman " bosones ". [28]
Profesor en Roma [ editar ]
Las cátedras en Italia se otorgaron por concurso ( concorso ) para un presidente vacante, los aspirantes fueron calificados en sus publicaciones por un comité de profesores. Fermi solicitó una cátedra de física matemática en la Universidad de Cagliari en Cerdeña , pero fue pasado por alto a favor de Giovanni Giorgi . [29] En 1926, a la edad de 24 años, solicitó una cátedra en la Universidad Sapienza de Roma . Esta fue una nueva silla, una de las primeras tres en física teórica en Italia, que había sido creada por el Ministro de Educación a instancias del profesor Orso Mario Corbino, que fue profesor de física experimental en la Universidad, director del Instituto de Física y miembro del gabinete de Benito Mussolini . Corbino, quien también presidió el comité de selección, esperaba que el nuevo presidente elevaría el nivel y la reputación de la física en Italia. [30] El comité eligió a Fermi por delante de Enrico Persico y Aldo Pontremoli , [31] y Corbino ayudó a Fermi a reclutar a su equipo, al que pronto se unieron estudiantes notables como Edoardo Amaldi , Bruno Pontecorvo , Ettore Majorana y Emilio Segrè , y por Franco Rasetti, a quien Fermi había designado como su asistente. [32]Pronto fueron apodados los " chicos de la Vía Panisperna " por la calle donde se encontraba el Instituto de Física. [33]
Fermi se casó con Laura Capon , estudiante de ciencias de la Universidad, el 19 de julio de 1928. [34] Tuvieron dos hijos: Nella, nacida en enero de 1931, y Giulio, nacida en febrero de 1936. [35] El 18 de marzo de 1929, Fermi nombrado miembro de la Real Academia de Italia por Mussolini, y el 27 de abril se unió al Partido Fascista . Más tarde se opuso al fascismo cuando Mussolini promulgó las leyes raciales de 1938 para acercar ideológicamente al fascismo italiano al nacionalsocialismo alemán . Estas leyes amenazaron a Laura, que era judía, y dejaron sin trabajo a muchos de los asistentes de investigación de Fermi. [36] [37] [38] [39] [40]
Durante su estancia en Roma, Fermi y su grupo hicieron importantes contribuciones a muchos aspectos prácticos y teóricos de la física. En 1928, publicó su Introducción a la física atómica ( Introduzione alla fisica atomica ), que proporcionó a los estudiantes universitarios italianos un texto actualizado y accesible. Fermi también realizó conferencias públicas y escribió artículos populares para científicos y maestros con el fin de difundir el conocimiento de la nueva física lo más ampliamente posible. [41] Parte de su método de enseñanza era reunir a sus colegas y estudiantes graduados al final del día y tratar un problema, a menudo a partir de su propia investigación. [41] [42]Una señal de éxito fue que los estudiantes extranjeros comenzaron a venir a Italia. El más notable de ellos fue el físico alemán Hans Bethe , [43] que vino a Roma como miembro de la Fundación Rockefeller, y colaboró con Fermi en un documento de 1932 "Sobre la interacción entre dos electrones" (en alemán : Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen ). [41]
En este momento, los físicos estaban desconcertados por la descomposición beta , en la que se emitía un electrón desde el núcleo atómico . Para satisfacer la ley de conservación de la energía , Pauli postuló la existencia de una partícula invisible sin carga y poca o ninguna masa que también se emitió al mismo tiempo. Fermi retomó esta idea, que desarrolló en un documento provisional en 1933, y luego un periódico más largo al año siguiente que incorporó la partícula postulada, que Fermi llamó un " neutrino ". [44] [45] [46] Su teoría, más tarde llamada interacción de Fermi , y aún más tarde como la teoría de la interacción débil, describió una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza . El neutrino fue detectado después de su muerte, y su teoría de la interacción mostró por qué era tan difícil de detectar. Cuando presentó su artículo a la revista británica Nature , el editor de la revista lo rechazó porque contenía especulaciones que eran "demasiado alejadas de la realidad física para ser de interés para los lectores". [45] Así, Fermi vio la teoría publicada en italiano y alemán antes de que fuera publicada en inglés. [32]
En la introducción a la traducción al inglés de 1968, el físico Fred L. Wilson señaló que:
En enero de 1934, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot anunciaron que habían bombardeado elementos con partículas alfa e inducido radiactividad en ellas. [47] [48] En marzo, el asistente de Fermi, Gian-Carlo Wick,proporcionó una explicación teórica utilizando la teoría de la desintegración beta de Fermi. Fermi decidió cambiar a la física experimental, utilizando el neutrón , que James Chadwick había descubierto en 1932. [49] En marzo de 1934, Fermi quería ver si podía inducir radioactividad con la fuente de neutrones de polonio y berilio de Rasetti .. Los neutrones no tenían carga eléctrica, por lo que no serían desviados por el núcleo cargado positivamente. Esto significaba que necesitaban mucha menos energía para penetrar en el núcleo que las partículas cargadas, por lo que no requerirían un acelerador de partículas , que los chicos de la Vía Panisperna no tenían. [50] [51]
Fermi tuvo la idea de recurrir a reemplazar la fuente de neutrones de polonio-berilio por una de radón -berilio , que creó al llenar una bombilla de vidrio con polvo de berilio, evacuar el aire y luego agregar 50 m Ci de gas radón, suministrado por Giulio. Cesare Trabacchi . [52] [53] Esto creó una fuente de neutrones mucho más fuerte, cuya efectividad disminuyó con la vida media de 3.8 días del radón. Sabía que esta fuente también emitiría rayos gamma , pero, sobre la base de su teoría, creía que esto no afectaría los resultados del experimento. Comenzó bombardeando platino , un elemento con un alto número atómico.que estaba fácilmente disponible, sin éxito. Se convirtió en aluminio , que emitía una partícula alfa y producía sodio , que luego se descomponía en magnesio por emisión de partículas beta. Probó el plomo , sin éxito, y luego el flúor en forma de fluoruro de calcio , que emitía una partícula alfa y producía nitrógeno , descomponiéndose en oxígeno por la emisión de partículas beta. En total, indujo radiactividad en 22 elementos diferentes. [54] Fermi informó rápidamente el descubrimiento de la radiactividad inducida por neutrones en la revista italiana La Ricerca Scientifica el 25 de marzo de 1934. [53][55] [56]
La radioactividad natural del torio y el uranio dificultó la determinación de lo que estaba sucediendo cuando estos elementos fueron bombardeados con neutrones pero, luego de eliminar correctamente la presencia de elementos más ligeros que el uranio pero más pesados que el plomo, Fermi concluyó que habían creado nuevos elementos, que Se llama hesperium y ausonium . [57] [51] El químico Ida Noddacksugiriendo que algunos de los experimentos podrían haber producido elementos más ligeros que el plomo en lugar de nuevos elementos más pesados. Su sugerencia no se tomó en serio en ese momento porque su equipo no había realizado ningún experimento con uranio ni había construido las bases teóricas para esta posibilidad. En ese momento, se pensaba que la fisión era improbable, si no imposible, por razones teóricas. Mientras los físicos esperaban que los elementos con números atómicos más altos se formaran a partir del bombardeo de neutrones de elementos más ligeros, nadie esperaba que los neutrones tuvieran suficiente energía para dividir un átomo más pesado en dos fragmentos de elementos ligeros de la manera que sugería Noddack. [58] [57]
Los chicos de la Vía Panisperna también notaron algunos efectos inexplicables. El experimento pareció funcionar mejor en una mesa de madera que en una mesa de mármol. Fermi recordó que Joliot-Curie y Chadwick habían notado que la cera de parafina era efectiva para reducir la velocidad de los neutrones, así que decidió intentarlo. Cuando los neutrones pasaban a través de la cera de parafina, inducían cien veces más radioactividad en la plata en comparación con cuando se bombardeaba sin la parafina. Fermi supuso que esto se debía a los átomos de hidrógeno en la parafina. Los de madera explicaron de manera similar la diferencia entre las mesas de madera y de mármol. Esto se confirmó repitiendo el efecto con agua. Llegó a la conclusión de que las colisiones con átomos de hidrógeno retardaban los neutrones. [59] [51]Cuanto más bajo es el número atómico del núcleo con el que choca, más energía pierde un neutrón por colisión y, por lo tanto, menos colisiones se requieren para reducir la velocidad de un neutrón en una cantidad determinada. [60] Fermi se dio cuenta de que esto inducía más radioactividad porque los neutrones lentos eran más fáciles de capturar que los rápidos. Desarrolló una ecuación de difusión para describir esto, que se conoció como la ecuación de la edad de Fermi . [59] [51]
En 1938, Fermi recibió el Premio Nobel de Física a la edad de 37 años por sus "demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por la irradiación de neutrones, y por su descubrimiento relacionado de las reacciones nucleares provocadas por los neutrones lentos". [61] Después de que Fermi recibió el premio en Estocolmo , no regresó a Italia, sino que continuó a Nueva York con su familia en diciembre de 1938, donde solicitaron la residencia permanente. La decisión de mudarse a Estados Unidos y convertirse en ciudadanos estadounidenses se debió principalmente a las leyes raciales en Italia.
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