Enrico Fermi (Roma, 29 settembre 1901 – Chicago, 29 novembre 1954) è stato un fisico italiano, tra i più noti al mondo per i suoi studi e contributi teorici e sperimentali nell'ambito della meccanica quantistica e più in generale in quella sottobranca della fisica atomica che è la fisica nucleare.

Tra i suoi maggiori contributi alla Fisica si possono citare la sua teoria del decadimento β, la statistica quantistica di Fermi-Dirac, i risultati per le interazioni nucleari.

In suo onore venne dato il nome ad un elemento della tavola periodica, il Fermio (simbolo Fm), ad un sottomultiplo del metro  usato in fisica atomica e nucleare, il fermi, che è pari a un femtometro, cioè 10⁻¹⁵m, e ha lo stesso simbolo fm, nonché a una delle due classi di particelle nella statistica quantistica, i fermioni.

Enrico Fermi progettò e guidò la costruzione del primo reattore nucleare a fissione, che produsse la prima reazione nucleare a catena controllata. Fu uno dei direttori tecnici del Progetto Manhattan, che portò alla realizzazione della bomba atomica nei laboratori di Los Alamos. È stato inoltre tra i primi ad interessarsi alle potenzialità della simulazione numerica in ambito scientifico, nonché l'iniziatore di una scuola di fisici sia in Italia, sia negli Stati Uniti d'America.

L'attività di Fermi si è manifestata in molti campi della fisica, ed egli è universalmente riconosciuto come uno dei più grandi scienziati di tutti i tempi. Nel 1938 ricevette il Premio Nobel per la fisica, per la sua identificazione di nuovi elementi della radioattività e la scoperta delle reazioni nucleari mediante neutroni lenti.

 

La firma dello scienziato

 

Infanzia e adolescenza

Fermi nacque a Roma il 29 settembre 1901 da Alberto Fermi, ispettore capo piacentino presso il ministero delle Comunicazioni, e di Ida De Gattis, un'insegnante romana di scuola elementare. Era l'ultimo di tre figli (sua sorella Maria nata il 12 aprile 1899 e morta il 26 giugno 1959 nel disastro aereo di Olgiate Olona, e suo fratello Giulio, di un anno più grande). Enrico Fermi mostrò, fin da piccolissimo, di possedere una memoria eccezionale, oltre a una grande intelligenza, che gli permisero di primeggiare negli studi.

Fin dall'infanzia fu inseparabile da suo fratello maggiore Giulio. Nel 1915 Giulio morì nel corso di un'operazione chirurgica per rimuovere un ascesso della gola. Enrico, per lenire il suo profondo dolore, si gettò nello studio della fisica e completò il ginnasio con un anno di anticipo presso il Liceo Umberto Primo di Roma (oggi Liceo Ginnasio di Stato Pilo Albertelli).

Una delle prime fonti per soddisfare la sua fame di conoscenza fu un trattato trovato al mercato di Campo de' Fiori a Roma e intitolato Elementorum physicae mathematicae. Tale trattato comprendeva argomenti come la matematica, la meccanica classica, l'astronomia, l'ottica e l'acustica. Le sue novecento pagine, in latino, scritte dal padre gesuita Andrea Caraffa, professore del Collegio Romano, furono studiate approfonditamente dal giovane Fermi

Oltre al trattato di Caraffa, Enrico Fermi ebbe la possibilità di conoscere Enrico Persico, che era un amico del fratello Giulio e quindi di un anno più grande di lui. Insieme svilupparono con continue discussioni, e in seguito all'iscrizione all'università con scambi epistolari, le loro conoscenze in fisica e matematica. I due amici vinsero nel 1926 le prime due cattedre di fisica teorica create in Italia.

Durante gli anni del Liceo, Enrico Fermi conobbe un amico di famiglia e collega di lavoro del padre, l'ingegnere Adolfo Amidei, che guidò la formazione di Fermi in algebra, trigonometria, geometria analitica, analisi matematica e meccanica. Inoltre nel 1918 Amidei suggerì anche a Fermi di non frequentare l'Università di Roma, ma di iscriversi piuttosto all'Università di Pisa e partecipare al concorso per entrare alla prestigiosa Scuola Normale Superiore di Pisa.

Scuola Normale Superiore di Pisa

 

Fermi negli anni universitari

Per accedere alla prestigiosa Università, Enrico Fermi dovette superare un concorso con il seguente tema da svolgere: Caratteri distintivi dei suoni e loro cause. Il tema fu svolto da Fermi con straordinaria sicurezza e assoluto possesso dei mezzi matematici. Basandosi su quanto appreso nel trattato di meccanica di Poisson e utilizzando concetti come equazioni differenziali e sviluppo in serie di Fourier, descrisse esaustivamente il carattere del suono analizzando alcuni casi specifici. Il livello del suo svolgimento fu talmente elevato da riuscire sbalorditivo per la commissione esaminatrice. In seguito a un colloquio orale svolto dal prof. Giulio Pittarelli, venne confermata l'eccellenza della preparazione del diciassettenne Fermi, che ottenne il primo posto in graduatoria. Durante il colloquio il prof. Pittarelli si espose, preannunciando al giovane studente romano che sarebbe diventato un importante scienziato.

Fra il 1919 ed il 1923 studiò la relatività generale, la meccanica quantistica e la fisica atomica. La sua preparazione in meccanica quantistica raggiunse livelli talmente elevati che Luigi Puccianti, direttore dell'Istituto di Fisica presso la Scuola Normale, gli chiese di organizzare alcuni seminari sul tema. Sempre in questo periodo apprese il calcolo tensoriale, strumento matematico inventato da Gregorio Ricci-Curbastro e Tullio Levi-Civita, indispensabile al fine di dimostrare i principi della relatività generale.

Nel 1921, terzo anno di Università, pubblicò i suoi primi due lavori sulla rivista scientifica Nuovo Cimento: Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in modo transitorio e Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche. Il primo di questi lavori portò a una conclusione che poneva in contraddizione il calcolo della massa effettuato nell'ambito della teoria di Lorentz con il principio di equivalenza dell'energia di Einstein. Tale apparente contraddizione venne chiarita l'anno seguente dallo stesso Fermi nell'articolo Correzione di una grave discrepanza fra la teoria elettrodinamica e quella della relativistica delle masse elettromagnetiche. Inerzia e peso dell'elettricità, che apparve prima sulla rivista I rendiconti e in seguito sulla prestigiosa rivista tedesca Physikalische Zeitschrift.

Sempre nel 1922 pubblicò il suo primo importante lavoro sulla rivista Rendiconti dell'Accademia dei Lincei, dal titolo Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria, dove introduceva per la prima volta quelle che verranno in seguito denominate le coordinate di Fermi, e dimostrava che in prossimità di una linea oraria, lo spazio si comporta come se fosse euclideo.

 

L'edificio dell'Accademia pisana

Nel 1922 comincia la sua tesi di laurea sperimentale sulle immagini di diffrazione dei raggi X prodotte da cristalli curvi. È da notare che i tubi per i raggi X furono fabbricati da Fermi insieme ad altri due studenti: Nello Carrara e Franco Rasetti, nell'ambito dei loro esperimenti «liberi» all'interno del laboratorio di fisica presso l'Istituto di fisica della Normale. I tre ragazzi avevano libero accesso al laboratorio e alla biblioteca su permesso del capo dell'istituto stesso. Secondo Franco Rasetti, Fermi, dimostrò di essere un fisico completo svolgendo una tesi sperimentale pur essendo già noto come fisico teorico.

Ad ogni modo, sembra che Fermi preferisse gli aspetti teorici rispetto a quelli sperimentali. In una lettera all'amico Persico, datata marzo 1922, Fermi fa capire che non vedeva l'ora di terminare la tesi per potersi dedicare alla meccanica quantistica.

Il 4 luglio dello stesso anno Fermi si laureò all'Università e il successivo 7 luglio si diplomò alla Normale; in entrambi i casi ottenne la magna cum laude.

Nel 1923, in seguito alla scrittura dell'appendice del libro Fondamenti della relatività einsteiniana di August Kopff, Enrico Fermi, specializzatosi ulteriormente nello studio della relatività generale grazie a Giuseppe Armellini e Tullio Levi-Civita, pone per la prima volta l'accento sull'enorme quantità di energia insita nella famosa equazione (E=mc²). Asserzione che può essere vista come il primo vero passo nella direzione della generazione di energia atomica.

Periodo a Gottinga

Subito dopo la laurea si presentò a Orso Mario Corbino, professore di Fisica sperimentale, e nel 1923, grazie ad una borsa di studio, si recò per sei mesi a Gottinga presso la scuola di Max Born. Il periodo a Gottinga non si rivelò molto fruttuoso e le ragioni sembrano essere di vario tipo: c'è chi sostiene che non si trovò a suo agio con lo stile eccessivamente teorico e formale della principale scuola di fisica quantistica dell'epoca, chi, come Emilio Segrè, sostiene che Fermi era da un lato timido e da un lato troppo orgoglioso, e chi anche che i suoi colleghi (Born, Werner Karl Heisenberg, Pauli e Jordan) erano forse troppo impegnati con le loro ricerche.

Durante questi sei mesi, piuttosto che occuparsi di risolvere le contraddizioni della cosiddetta old quantum physics, introdotta da Bohr e Sommerfeld, e su cui si stavano cimentando i suoi colleghi a Gottinga, preferì studiare i limiti di applicazione ai sistemi atomici del cosiddetto principio delle adiabatiche, enunciato da Paul Ehrenfest, che formulava una delle idee guida per ricavare le condizioni di quantizzazione della old quantum physics.

Nonostante il non perfetto ambientamento, la produzione scientifica di Fermi a Gottinga fu intensa. Dopo un mese dall'arrivo pubblicò un articolo dal titolo Il principio delle adiabatiche ed i sistemi che non ammettono coordinate angolari, articolo in cui si proponeva di determinare i limiti di validità del principio di Ehrenfest, mostrando che per particolari trasformazioni adiabatiche veniva a perdere la sua base.

Due mesi dopo pubblicò un secondo articolo sulla rivista Physikalische Zeitschrift, dal titolo Dimostrazione che in generale un sistema meccanico normale è quasi ergodico, articolo che attrasse l'attenzione di Ehrenfest.

In questo articolo, dal titolo Alcuni teoremi di meccanica analitica importanti per la teoria dei quanti, Enrico Fermi dimostra la validità del principio di Ehrenfest per determinare le orbite quantiche di un sistema atomico a tre corpi. Dimostrando inoltre che i sistemi con più di una costante di moto il principio di Ehrenfest non è valido.

Ritorno da Gottinga e periodo a Leida

Tornato da Gottinga, scrisse il suo primo importante contributo alla meccanica quantistica intitolato Sulla probabilità degli stati quantici, lavoro presentato da Corbino all'Accademia dei Lincei il 16 dicembre 1923. In questo lavoro mostra il paradosso della statistica classica in relazione al calcolo della probabilità dei diversi stati quantici di un gas di atomi a temperatura elevata. Secondo la statistica classica, i diversi stati quantici di un atomo hanno la medesima probabilità, ipotesi che porta la somma delle probabilità di tutti i possibili stati quantici ad infinito. Infatti la probabilità massima di qualunque sistema è per definizione uguale a 1. La soluzione formale a questa contraddizione era quella di un'ipotesi ad hoc al fine di definire come non possibili tutte le orbite di stati quantici per cui il raggio dell'atomo è maggiore della distanza media tra atomo ed atomo. Fermi risolse elegantemente tale paradosso calcolando mediante la termodinamica una legge contenente un fattore che rende trascurabili i contributi della serie con numeri quantici elevati. Tale approccio è noto in letteratura come Fermi-Urey.

 

Il gruppo di studiosi di Leida. Ehrenfest è in centro, con gli occhiali, Fermi è l'ultimo da destra.

Nel gennaio del 1924, Fermi pubblica un lavoro dal titolo Sopra la riflessione e la diffusione della risonanza, in cui sviluppa la teoria del fenomeno della risonanza ottica. Nello stesso mese scrisse anche Considerazioni sulla quantizzazione di sistemi che contengono elementi identici, che rappresenta il primo vero passo verso quella che sarà una delle sue principali scoperte da qui a due anni: la nuova statistica quantistica che porta il nome di statistica di Fermi-Dirac.

Grazie all'interessamento del famoso matematico Vito Volterra, Fermi vinse una borsa di studio della fondazione Rockefeller per un periodo di studio nell'autunno del 1924 a Leida presso l'istituto diretto da Paul Ehrenfest. Tale scelta deriva in parte dalla scarsa presenza all'epoca in Italia di personalità impegnate nelle ricerche sulla meccanica quantistica.

Nell'estate del 1924, pubblicò un articolo dal titolo Sulla teoria dell'urto fra atomi e corpuscoli elettrici, pubblicato prima in italiano sul Nuovo Cimento ed in seguito in tedesco su Zeitschrift für Physik. Tale studio rappresenta il primo importante contributo di Fermi alla cosiddetta old quantum physics. Nell'articolo menzionato, Fermi elaborò un metodo, conosciuto in seguito come metodo dei quanti virtuali o metodo dei fotoni equivalenti, basato sulla analogia fra la ionizzazione di un atomo prodotta da una luce ad una opportuna frequenza e quella prodotta da elettroni con sufficiente velocità. Con le sue stesse parole:

Il lavoro, benché fosse stato sperimentalmente provato, trovò forti critiche da parte di Bohr. Fermi fu negativamente colpito da questo episodio, e secondo Emilio Segrè questo potrebbe essere il motivo per cui Enrico Fermi ha mostrato successivamente un atteggiamento negativo verso le teorie elaborate dai fisici di Gottinga e Copenaghen. Lo stesso Emilio Segrè fa notare che una volta stabilite in maniera precisa le leggi della meccanica quantistica, il lavoro sopra citato trovò piena giustificazione mediante la teoria delle perturbazioni dipendenti del tempo sviluppata da Dirac.

A Leida, oltre ad approfittare della guida scientifica di Ehrenfest, Fermi ebbe anche modo di conoscere autorità mondiali della fisica come Einstein e Lorentz, e strinse amicizia con Samuel Goudsmit e Niko Tinberg.

Le prime impressioni del periodo a Leiden sono riportate in una lettera del 23 ottobre del 1924 al suo amico Enrico Persico:

Il periodo a Leida fu particolarmente fruttuoso. Nella corrispondenza fra Fermi e Persico si parla delle numerose scoperte fatte da Fermi a Leida. Una su tutte fu descritta in un lavoro pubblicato con il titolo Sopra l'intensità delle righe multiple, dove Fermi ricava le espressioni dell'intensità delle varie componenti delle righe multiple degli spettri atomici di diversi elementi. L'accordo trovato con i dati sperimentali fu migliore di quello di Heisenberg e Sommerfeld nella trattazione teorica del problema.

Ritorno da Leida ed inizio della carriera universitaria

Fra il 1924 e 1925 Fermi fu chiamato, su invito del podestà di Firenze e direttore dell'istituto di fisica Antonio Garbasso, ad occupare la cattedra di fisica matematica presso l'università della città. Durante questo periodo iniziò alcune ricerche di fisica atomica con il ritrovato amico Franco Rasetti. I due amici portarono avanti importanti ricerche sperimentali sugli spettri atomici per mezzo di campi a radiofrequenza, e con le stesse parole di Rasetti:

 

La vecchia sede dell'Università fiorentina

Le ricerche furono anche in qualche modo avventurose, sempre con le parole di Rasetti:

Fra il 1924 e 1925 Fermi cerca di fare carriera universitaria, ben conscio delle sue capacità. Prima partecipa ad un concorso a Firenze a cattedra senza aver successo. In seguito, insieme a Volterra, Civita e Corbino, cerca di istituire la prima cattedra di fisica teorica in Italia a Roma. Ma dovrà aspettare un altro anno e mezzo per riuscire in questa impresa.

Nel frattempo tenta di vincere il concorso a Cagliari per la fisica matematica, ma gli viene preferito Giovanni Giorgi, un fisico matematico di vecchia guardia, noto soprattutto per aver proposto il sistema internazionale di unità di misura. Fra i commissari vi erano Volterra e Levi-Civita che votarono per Fermi. La rabbia per la mancata nomina non durò a lungo. Nell'autunno del 1926 Fermi vinse il concorso per occupare il posto della prima cattedra di fisica teorica in Italia, su nomina di Corbino e Garbasso. Nel giudizio finale della commissione giudicante si legge:

La scoperta della statistica delle particelle

 

Rappresentazione dell'occupazione da parte di fermioni (ad esempio elettroni) dei livelli energetici di un materiale secondo la statistica di Fermi-Dirac per diverse temperature

Nel periodo precedente ed antecedente a questa nomina, Fermi continuò ad interessarsi alla meccanica quantistica, ma come riporta lui stesso in una lettera all'amico Persico del 1925, non era convinto della nuova meccanica quantistica o cosiddetta meccanica delle matrici, sviluppata da Bohr, Heisenberg e Jordan.

Fermi piuttosto, come riporta Emilio Segrè, si lasciò colpire dal lavoro di Schrödinger sulla meccanica ondulatoria. In questo periodo partendo da un lavoro di Born, in cui il formalismo di Schrödinger veniva usato per comprendere urti e diffusione fra le particelle insieme ad una prima interpretazione probabilistica della funzione d'onda, Fermi pubblicò un lavoro dal titolo Sulla meccanica ondulatoria dei processi d'urto. Finalmente nel dicembre 1925, Fermi scrisse il suo celebre lavoro Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico, che venne presentato da Corbino alla Accademia dei Lincei e pubblicato in versione ampliata e completa su Zeitschrift für Physik.

In questo lavoro Fermi formula per la prima volta la sua celebre equazione della statistica di Fermi-Dirac a cui obbediscono le particelle elementari a spin semintero (chiamate in suo onore fermioni), che è oggi nota come statistica antisimmetrica Fermi-Dirac, dal nome dello scienziato inglese Paul Dirac, che seppur in ritardo di circa sei mesi rispetto a Fermi, giunse alle stesse conclusioni. In una lettera inviata da Fermi a Dirac, si legge:

Genesi della statistica delle particelle

Fermi cominciò ad occuparsi per la prima volta nel 1923 a Leida quando affrontò la determinazione della costante assoluta dell'entropia per un gas perfetto monoatomico. Tale problema aveva già visto coinvolto prima Otto Sackun e H. Tetrode, ed in seguito Otto Stern. Fermi pubblicò nel 1923 su Rendiconti dell'Accademia dei Lincei un articolo dal titolo Sopra la teoria di Stern della costante assoluta dell'entropia rifiutando la struttura di base della sua teoria, e con le sue parole:

L'anno successivo pubblicò su Nuovo Cimento l'articolo dal titolo Considerazione sulla quantizzazione dei sistemi che contengono elementi identici. In questo articolo Fermi mostra come le regole di quantizzazione di Sommerfeld predicono sì perfettamente le frequenze dello spettro dell'atomo di idrogeno, ma non danno sicurezza alcuna per gli spettri di atomi più complessi. Egli afferma:

Fermi concluse che le regole di quantizzazione di Sommerfeld non bastassero più per ricavare la formula Sackur-Tetrode per l'entropia:

Nel 1925 Wolfgang Pauli enunciò quello che va sotto il nome di Principio di esclusione di Pauli. Fermi come ricorda Rasetti

L'obiettivo di Fermi era chiaro: egli voleva

Al fine di poter applicare il principio di esclusione di Pauli per gli elettroni orbitali dell'atomo alle molecole di un gas perfetto, Fermi dovette affrontare il problema della quantizzazione del loro moto. A questo proposito Fermi impose che le molecole del gas fossero soggette a un campo di forze elastiche attrattive tridimensionali sul modello dell'oscillatore armonico. Ricorda Rasetti

Come conseguenza dell'uso del potenziale armonico, Fermi, sfruttando il principio delle adiabatiche di Ehrenfest, riuscì a stabilire che esiste una temperatura critica al di sotto della quale la statistica di un gas di particelle devia fortemente dalla statistica classica di Boltzmann. In seguito ottenne le espressioni per un gas fortemente degenere (al di sotto della temperatura critica) della pressione e dell'energia di punto zero, ed una formula per il calore specifico a volume costante che tende a zero linearmente con la temperatura. Riottenne anche l'equazione classica di un gas perfetto ed un valore dell'entropia coincidente con quello di Sackur-Tetrode.

La statistica scoperta da Fermi è del tutto generale, nel senso che vale per un gran numero di particelle. Le particelle scoperte finora possono essere raggruppate in due gruppi: neutrone, protone ed elettrone) o mesone (oggi denominate fermioni) che obbediscono alla statistica Fermi-Dirac. Fotone o mesone (bosone) che obbediscono alla statistica di Bose-Einstein.

La differenza fra bosoni/fermioni si ricollega al valore del corrispondente spin. Tale spin assume un numero semi intero per i fermioni e uno intero per i bosoni e determina una funzione d'onda totalmente asimmetrica per i fermioni ed una totalmente simmetrica per i bosoni. Le relazioni fra le due statistiche quantistiche sono state messe in luce da Dirac. A Fermi invece bisogna dare atto di aver reso il principio di Pauli un principio di fisica generale.

Applicazione della statistica e riconoscimento della sua importanza

Nel dicembre del 1926 il fisico britannico Ralph Howard Fowler applicò la statistica di Fermi-Dirac per un problema di astrofisica riguardante le cosiddette nane bianche. Lo stesso Pauli applicò la statistica per uno studio riguardante sostanze paramagnetiche. Nel 1927, in occasione del centenario della morte di Alessandro Volta, fu organizzato a Como un importante congresso internazionale a cui presero parte tutti i principali scienziati del mondo. Durante tale congresso, Sommerfeld mostrò come una serie di fenomeni termici ed elettrici non interpretabili con le teorie classiche, trovassero immediata spiegazione grazie alla nuova statistica di Fermi-Dirac. Rasetti ricorda:

Nel 1927 lo stesso Fermi applicò la sua stessa statistica al cosiddetto modello atomico Thomas-Fermi. In tale modello gli elettroni sono ipotizzati essere come un gas degenere di Fermi, mantenuti intorno al nucleo dalla forza coulombiana. Fermi ed i suoi allievi usarono tale modello per studiare le proprietà degli atomi che variano regolarmente al variare del numero atomico. A proposito di questo periodo ed in generale sul metodo di lavoro di Fermi sono interessanti le parole di Amaldi:

L'Istituto di Via Panisperna e la fisica nucleare italiana

 

I ragazzi di via Panisperna. Da sinistra: Oscar D'Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti ed Enrico Fermi

Non appena Enrico Fermi occupò la cattedra di fisica teorica a Roma, congiuntamente con Corbino, cercò di trasformare l'Istituto di Via Panisperna in un centro di avanguardia a livello mondiale. In questo contesto Fermi necessitava di collaboratori adatti, al fine di formare il gruppo che più tardi divenne famoso con il nome di Ragazzi di via Panisperna, dal nome della via nella quale erano ubicati i laboratori (ora parte del complesso del Viminale e del Ministero dell'Interno della Repubblica Italiana).

Il primo ad essere assunto fu Franco Rasetti, al quale fu assegnato il compito di portare avanti le ricerche nel campo della fisica atomica. In seguito lo stesso Corbino, durante una lezione presso la facoltà di Ingegneria, annunciò che presso il suo istituto vi era posto per chi avesse interesse nella fisica pura. Così fra il 1927-1928 Emilio Segrè, Edoardo Amaldi ed Ettore Majorana completarono il gruppo. Fermi aveva così, grazie anche al forte interessamento di Corbino, la sua scuola formata da allievi giovanissimi, dove attraverso seminari informali e spesso improvvisati insegnava i segreti della fisica. Il gruppo dei Ragazzi di via Panisperna, all'apice del suo splendore, fu costituito da Amaldi, da Bruno Pontecorvo, da Rasetti, Segrè, Majorana e dal chimico Oscar D'Agostino. Il gruppo andò avanti coi suoi famosi esperimenti fino al 1933, quando Rasetti lasciò l'Italia per il Canada e poi per gli Stati Uniti, Pontecorvo andò in Francia e Emilio Segrè preferì andare ad insegnare a Palermo.

Segrè ricorda così la maniera di fare lezione al gruppo da parte di Fermi:

L'attività di ricerca del gruppo durante questo periodo è ricordata da Rasetti con le sue stesse parole:

Le ricerche di quel periodo si concentrarono sull'effetto Raman in molecole e cristalli, sugli spettri di assorbimento dei metalli alcalini e sulle strutture iperfini righe spettrali. Nel 1929 Fermi e Rasetti compresero che la ricerca sulla spettroscopia e la fisica atomica stava per volgere alla fine, dato che la meccanica quantistica aveva risolto la maggior parte delle questioni aperte.

Il nuovo corso del gruppo fu di investigare il nucleo dell'atomo. Corbino, in un celebre discorso intitolato I nuovi compiti della fisica sperimentale, si fece carico davanti alla Società Italiana per il Progresso delle Scienze del progetto di modernizzare la ricerca scientifica in Italia.

Rasetti, Fermi e Corbino si fecero pertanto promotori della nuova politica scientifica che doveva basarsi sulla fondazione di laboratori di ricerca ben attrezzati, sulla formazione di ricercatori sia teorici che sperimentali, e soprattutto sulla concentrazione di finanziamenti, risorse materiali ed umane, nei settori più promettenti.

Il nuovo corso veniva così delineato da Corbino:

Il 29 marzo 1929 Fermi è nominato da Mussolini membro della Reale Accademia di Italia e si iscrive al partito fascista. ^[1]. Fermi, in seguito, cercò di ottenere ulteriori finanziamenti per il suo istituto, finanziamenti che arrivarono tramite fondi del CNR e che ammontavano a circa dieci volte il valore medio dei finanziamenti degli altri istituti.

Insieme ad Antonio Garbasso evitò che i finanziamenti fossero mal distribuiti e li concentrò sulla fisica nucleare e sulla fisica dei raggi cosmici. Quando Fermi focalizzò le sue ricerche sul nucleo, si era già a conoscenza che la maggior parte dei nuclei esistenti era di natura stabile, e che altri sono radioattivi. In caso di decadimento radioattivo se ne conoscevano di tre tipi: tramite emissione di una particella o tramite l'emissione di una particella , e in genere accompagnati dall'emissione di un fotone . Compito della fisica nucleare era quello di studiare le forze che tengono insieme il nucleo. Infatti, attraverso la meccanica quantistica, si era in grado di spiegare solo, ed approssimativamente, l'emissione di particelle . Al fine di comprendere meglio il problema, Fermi organizzò fra l'11 e il 17 ottobre 1931 un congresso internazionale di fisica nucleare, insieme all'Accademia d'Italia e al CNR, di cui Fermi era segretario del comitato di fisica. Il congresso fu finanziato con duecentomila lire, una cifra enorme per l'epoca, e aperto con un intervento dello stesso Mussolini. L'organizzazione scientifica del congresso fu affidata a Fermi che personalmente invitò i più grandi scienziati mondiali, definendo direttamente il taglio degli interventi, e chiedendo espressamente di esporre non solo i problemi già risolti, ma soprattutto quelli non risolti.

Il congresso ebbe un'importanza scientifica enorme e vide la partecipazione di Marie Curie, Niels Bohr, Patrick Blochett, Robert Millikan, Arthur Compton, Werner Heisenberg e Wolfgang Pauli. Il congresso fu un catalizzatore di idee e soprattutto mise a fuoco le questioni centrali, teoriche e sperimentali, ancora aperte. Wolfgang Pauli, per esempio, avanzò per la prima volta l'esistenza di una nuova particella, il neutrino, per spiegare gli spettri continui degli atomi radioattivi durante il processo di decadimento . Ipotesi contrastata da Bohr, secondo cui in questo modo si violava la legge di conservazione dell'energia. Al contrario Fermi vedeva l'ipotesi favorevolmente. Il congresso si concluse con le seguenti parole di Corbino:

 

Gli scienziati riuniti alla 7ª Conferenza Solvay. Fermi è il quinto da sinistra della prima fila in piedi

Tale profezia si rivelò corretta. Nel febbraio del 1932 James Chadwick scoprì al Cavendish Laboratory di Cambridge il neutrone. Nel settembre del 1932 Karl Anderson al CalTech scoprì il positrone, risultato che venne poco dopo confermato da Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini a Cambridge, dove crearono coppie elettrone/positrone confermando così la teoria di Dirac.

Lo stesso anno Urey, Brickwedde e Murphy scoprirono il deuterio. Nel luglio 1932 una relazione congressuale accennò per la prima volta al neutrino di Pauli.

In seguito alle pubblicazioni di Chadwick sull'esistenza del neutrone, un allievo di Fermi, Ettore Majorana, propose un modello di atomo dove il nucleo era composto dai soli protoni e neutroni, elaborandone una teoria delle forze nucleari che li tengono insieme. Tali forze sono note oggi come forze di Majorana.

Nell'ottobre del 1933, durante il settimo congresso Solvay, Pauli si convinse finalmente a pubblicare le sue teorie sul neutrino.

Teoria del decadimento

Due mesi dopo il convegno Solvay, Fermi pubblicò il suo celebre lavoro sulla teoria del decadimento beta dal titolo: Tentativo di una teoria dei raggi . Rasetti ne ricostruisce così la genesi:

« Nell'autunno del 1933 Fermi ci mostrò un articolo che aveva meditato e scritto nelle prime ore del mattino da parecchi giorni, già in forma completa di tutti gli sviluppi matematici, su una teoria dell'emissione dei raggi 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 che ancor oggi domina non più soltanto l'ordinario processo (che rappresenta la trasformazione di un neutrone in un protone, con creazione di elettrone e neutrino) ma anche numerose trasformazioni di particelle instabili. »

 

Il badge di Fermi a Los Alamos

Nella teoria di Fermi, egli riprendeva l'ipotesi di Pauli del neutrino, ed assunse che neutrone e protone fossero due stati differenti dello stesso oggetto, aggiungendo anche l'ipotesi che assumeva che l'elettrone espulso durante il procedimento di decadimento non preesisteva nel nucleo prima di essere espulso, ma che veniva creato, insieme al neutrino nel processo di decadimento contestualmente alla trasformazione di un neutrone in un protone, analogamente a quello che avviene nella formazione di un quanto di luce che accompagna un salto quantico di un atomo. Per costruire la teoria del processo di decadimento beta, processo in cui il numero di particelle leggere non si conserva, Fermi ricorse al formalismo elaborato da Dirac all'interno della sua teoria quantistica della radiazione relativa all'interazione dell'elettrone con il corpo elettromagnetico. All'interno della sua teoria, Dirac descrive gli operatori di costruzione e distruzione che definiscono il processo di annichilimento o creazione di una particella una volta che abbia interagito con il campo elettromagnetico.

Fermi dimostrò che così come l'interazione elettromagnetica produce la conversione di un fotone in una coppia elettrone-positrone, così l'interazione di Fermi, oggi chiamata interazione debole, produce la trasformazione di un neutrone in un protone (o viceversa), accompagnato dalla creazione di un elettrone e di un neutrino.

Al fine di calcolare la probabilità con cui il processo avviene, Fermi costruì la funzione hamiltoniana più semplice e compatibile con le leggi di conservazione e di simmetria. La costante di grandezza che compare nell'hamiltoniana fu determinata da un confronto con dati sperimentali. Tale costante per l'interazione debole ha un significato analogo a quella della gravitazione. Nel suo lavoro, rifiutato da Nature, ed accettato in seguito prima su Nuovo Cimento, e poi su Zeitschrifft für Physik, Fermi calcolò la vita media del decadimento , l'energia spettrale dell'elettrone emesso e le cosiddette regole di selezione del processo. A proposito di questo lavoro, Segrè ricorda:

La teoria di Fermi aprì un nuovo campo della fisica delle particelle elementari: la fisica delle interazioni deboli.

La scoperta dei neutroni lenti e della fissione nucleare

Il gruppo di Fermi cominciò a lavorare sulla radioattività artificiale in seguito alla scoperta della stessa da parte di Irene Curie e suo marito Frederic Joliot nel gennaio del 1934.

Nell'autunno del 1934 Fermi e Rasetti cominciarono con la costruzione degli strumenti necessari al fine di studiare la radioattività basata sull'esperienza fatta qualche mese prima da Rasetti al Kaiser Wilhelm Institut für Chemie a Berlino. Insieme costruirono una grande camera a nebbia ed uno spettrometro a cristalli per raggi e vari contatori Geiger-Müller.

Al contrario di quanto fatto da Curie e Joliot, Fermi decise di bombardare i nuclei bersagli con neutroni (cariche neutre) anziché con particelle (cariche positive). Utilizzando come sorgenti di neutroni radon e berillio, Fermi cominciò a bombardare gli elementi del sistema periodico in maniera sistematica, ma solo quando arrivò al fluoro ed all'alluminio, il suo contatore Geiger-Müller segnò finalmente i primi conteggi.

I primi risultati positivi vennero inviati alla rivista scientifica del CNR Ricerca Scientifica il 25 marzo del 1934, spiegati da Fermi come un nucleo che una volta soggetto a bersaglio assorbe un neutrone ed emette una particella , dando luogo a un nuovo elemento radioattivo con numero atomico minore di 2 unità rispetto a quello di partenza. Fermi scrisse dieci articoli su questo tema, tutti con il titolo Radioattività provocata da bombardamento di neutroni N, con N da 1 a 10.

Il gruppo di Fermi lavorò intensamente sulle nuove ricerche, e data la necessità di profonde conoscenze in chimica, decise di assumere Oscar d'Agostino, un chimico che si trovava a Parigi per approfondire le tecniche di radio chimica.

Il lavoro procedeva speditamente e i risultati venivano, come detto, pubblicati immediatamente su Ricerca Scientifica. In poco tempo vennero irradiati con neutroni circa 60 elementi ed almeno in 40 vennero identificati nuovi elementi radioattivi. Durante la fase di classificazione delle reazioni, il gruppo si accorse che i neutroni davano luogo alla formazione di nuovi nuclei radioattivi praticamente in tutti gli elementi irradiati, indipendentemente dal numero atomico. Scoprirono inoltre che nel caso di atomi leggeri, i radionuclidi prodotti avevano un numero atomico inferiore di una o due unità rispetto al nucleo iniziale mentre nel caso di elementi più pesanti i nuovi elementi erano isotopi del nucleo bombardato.

I risultati vennero interpretati in termini di reazioni nucleari (n, p) o (n,), ovvero in termini di altezza del potenziale elettrostatico che le particelle cariche (protoni o particelle ) emesse dai nuclei bersaglio devono attraversare, essendo il potenziale elettrostatico minore per atomi leggeri rispetto agli atomi pesanti.

I risultati del gruppo di Fermi fecero presto il giro del mondo, e il loro successo può essere riassunto per esempio con le parole di Lord Ernest Rutherford, eminenza dell'epoca nel campo della fisica nucleare:

 

Il FERMIAC inventato da Fermi

Fermi e il suo gruppo proseguirono nella loro attività di bombardamento di tutti gli elementi della tavola periodica. Arrivati al numero 90 (torio) e al numero 92 (uranio), osservarono numerosi radionuclidi che erroneamente interpretarono come nuovi elementi.

La loro scoperta venne confermata dai maggiori fisici dell'epoca. I due nuovi elementi vennero denominati esperio e ausonio in onore di due antiche civiltà italiche. La scoperta, che nei piani di Fermi doveva rimanere segreta, venne invece subito resa pubblica da Corbino durante un discorso, dal titolo "Risultati e prospettive della fisica moderna, tenuto di fronte all'Accademia dei Lincei alla presenza del re Vittorio Emanuele III. Fermi era contrario a dichiarazioni sensazionalistiche ed era convinto che le spiegazioni da loro date fossero errate. Infatti ciò che il gruppo aveva scoperto non erano due nuovi elementi, ma si trattava della fissione dell'uranio, come fu suggerito dalla chimica tedesca Ida Noddack. Nella seconda metà del 1934, il gruppo decise di passare da uno studio qualitativo delle attività radioattive dei materiali ad uno quantitativo. Lo studio fu assegnato da Fermi ad Amaldi e a Bruno Pontecorvo che si era da poco unito al gruppo.

Il primo obiettivo era quello di ottenere risultati ben riproducibili, ma i due si imbatterono in difficoltà enormi, dato che le proprietà dei vari metalli sembravano dipendere fortemente dai materiali su cui la sorgente di neutroni ed il campione irradiato venivano disposti.

Per la mattina del 20 ottobre 1934 tutto era pronto per un esperimento sistematico per capire l'origine di questi strani fenomeni. Amaldi costruì il castelletto con pareti di piombo e ripeté le misure, collocando la sorgente e il campione d'argento da irradiare secondo varie disposizioni geometriche. L'esperimento consisteva nel bombardare con neutroni un bersaglio costituito da un campione di argento inserendo tra la fonte ed il bersaglio un cuneo di piombo allo scopo di distinguere i neutroni "assorbiti" da quelli "diffusi".

In fisica, non sono rari i casi in cui scoperte e invenzioni sono il frutto del "caso fortuito", sotto il quale si cela l'intuizione, la creatività e l'ispirazione dell'autore.

Tra i tanti episodi di cui è costellata la storia della scienza uno dei meno noti, ma anche dei più eclatanti, avvenne proprio quella mattina del 20 ottobre 1934 e coinvolse Enrico Fermi durante le sue ricerche sulla radioattività artificiale indotta da neutroni. Fermi si trovava da solo nel laboratorio mentre i suoi collaboratori ed allievi erano impegnati in lezioni e sessioni d'esame. Impaziente ed irrequieto com'era, decise di avviare subito le procedure previste ma un istante prima di iniziare ebbe un'intuizione e sostituì il cuneo di piombo con un pezzo di paraffina.

I risultati, e cioè l'induzione di radioattività artificiale, furono straordinari, ben oltre ogni più rosea previsione, del tutto inaspettati e, al momento, incomprensibili. Fu chiaro in seguito che il successo dell'esperimento si doveva proprio alla paraffina, sostanza ricca di idrogeno, cioè di protoni, che "rallentavano" i neutroni incidenti amplificando la loro efficacia nel determinare la radioattività artificiale. L'esperimento fu ripetuto, per conferma, sostituendo la paraffina con acqua, anch'essa ricca di protoni, ottenendo gli stessi risultati clamorosi.

Emilio Segrè ricorda

Fermi giustificò immediatamente il tutto nel seguente modo: alla base di tutto stava la definizione di neutroni lenti. Infatti i neutroni venivano rallentati in una serie di urti elastici con i protoni della paraffina aumentando così la loro efficacia nel provocare la radioattività artificiale. Fermi dimostrò come la probabilità di cattura dei neutroni e di produzione delle reazioni nucleari aumentasse con la diminuzione della velocità dei neutroni, cosa inaspettata per l'epoca, visto che si credeva il contrario.

Enrico Fermi vinse in seguito a questa scoperta il premio Nobel per la fisica nel 1938. Ma perché allora utilizzò proprio paraffina e perché ebbe questa intuizione apparentemente bizzarra, non è ancora oggi chiaro. Neppure il grande scienziato seppe trovare una risposta e certamente la persona più sorpresa di quella modifica fu proprio lui. Così Subrahmanyan Chandrasekhar, il famoso fisico teorico di origine indiana, ricorda la conversazione che ebbe con Fermi a questo proposito:

La sera stessa Fermi ed i suoi colleghi scrissero un breve articolo circa la scoperta per la rivista Ricerca Scientifica. L'articolo venne intitolato Azione di sostanze idrogenate sulla radioattività provocata da neutroni I, in cui gli autori avanzarono come possibile spiegazione:

In seguito a tale scoperta, il gruppo riorganizzò le sue attività di ricerca decidendo di concentrarsi maggiormente sull'effetto dei neutroni lenti piuttosto che sullo studio dei radionuclidi prodotti. La prima ricerca fu di determinare quantitativamente il cosiddetto coefficiente di acquacità che determina di quanto, l'immersione in acqua di una sorgente e dei campioni sotto esame, aumentasse la radioattività artificiale.

Gli esperimenti mostrarono che alcuni elementi avevano una cattura neutronica maggiore di un ordine di grandezza fra 3 e 4 volte maggiore della cosiddetta sezione d'urto geometrica dei nuclei irradiati.

Utilizzando la meccanica quantistica, Fermi riuscì a spiegare questo fenomeno, trovando una spiegazione per queste sezioni d'urto anomale e ricavando la legge generale della dipendenza dalla sezione d'urto di cattura dalla velocità dei neutroni incidenti, scoprendo così che, per velocità molto basse, la probabilità di cattura è inversamente proporzionale alla velocità.

Corbino convinse Fermi e i suoi ragazzi a brevettare il processo di produzione di sostanze radioattive artificiali mediante bombardamento di neutroni e l'aumento dell'efficienza del processo stesso dovuto all'uso dei neutroni lenti. Tale brevetto porta la data del 26.10.1935 e fu determinante per il successivo sviluppo dell'energia atomica. L'attività del gruppo proseguì con la ricerca della comprensione del gran numero di attività indotte nel torio e nell'uranio.

L'ipotesi su cui si basava la ricerca era che oltre al decadimento ci fosse un secondo decadimento denominato , con un'emissione di nuclei di elio. Amaldi venne incaricato da Fermi di procedere con gli esperimenti alla ricerca degli emettitori , ricerca che fallì, a parte per il caso dell'uranio.

Nell'estate del 1935, il gruppo cominciò a disperdersi. Rasetti si recò alla Columbia University. Segrè fu anch'esso negli USA e, quando tornò in Italia, vinse la cattedra di fisica sperimentale a Palermo. D'Agostino lasciò il gruppo per andare al neo-costituito Istituto di Chimica del CNR. Pontecorvo partì per Parigi per lavorare con i Joliot-Curie. Majorana infine sparì. Con le parole di Amaldi

Come reazione al pesante clima politico, i ritmi di lavoro divennero forsennati. Amaldi ricorda:

Verso la fine del 1936 la situazione politica in Italia deteriorò ulteriormente in seguito all'Asse Roma-Berlino fra l'Italia fascista di Mussolini e la Germania nazista di Hitler. Il colpo del KO al gruppo arrivò il 23 gennaio del 1937, quando Corbino morì improvvisamente di polmonite. Fermi ne era il naturale successore alla guida dell'istituto di via Panisperna ma, attraverso manovre politiche, il professor Antonino Lo Surdo riuscì a prendere il posto del defunto Corbino.

Il blocco di paraffina utilizzato da Fermi per il suo esperimento del 20 ottobre 1934, recante la sigla "Regio Istituto di Fisica" (RIF), è ancora oggi conservato nel museo del Dipartimento di Fisica dell'Università La Sapienza di Roma.

La fine del gruppo e la fuga verso gli Stati Uniti

La scoperta dei neutroni lenti consolidò definitivamente la fama del gruppo di Fermi a livello mondiale.

 

Un ciclotrone di fine anni trenta. Il fascio azzurro è costituito da aria ionizzata da particelle accelerate

Già nel 1935, il gruppo si era reso conto che le sorgenti al radon-berillio erano molto deboli e che solo un acceleratore di particelle le avrebbe rese più intense. Fermi, intuendone l'importanza, voleva dotare il gruppo di una macchina di questo tipo. Nell'estate del 1935, Rasetti fu inviato a visitare il laboratorio di Robert Millikan a Pasadena e il Radiation Laboratory a Berkeley al fine di studiare le prestazioni degli impianti realizzati presso quei laboratori nel caso si fosse deciso di costruirne uno in Italia. A Pasadena, Rasetti studiò un acceleratore ad alto voltaggio messo a punto da uno studente di Millikan, mentre a Berkeley studiò il ciclotrone inventato da Ernest Lawrence.

La produzione di neutroni del ciclotrone era dell'ordine di 10¹⁰ neutroni al secondo, equivalente ai neutroni ottenibili con un chilogrammo di radon mescolato al berillio. Dopo un anno dalla visita di Rasetti, anche Segrè si recò a Berkeley e notò che il ciclotrone era stato nel frattempo enormemente migliorato. Tornato in Italia, abbandonò insieme a Fermi l'idea di costruire un ciclotrone in Italia a causa del costo elevato. Nel novembre 1936, Fermi e Domenico Marotta, direttore dell'Istituto di Sanità pubblica, presentarono la proposta per realizzare un acceleratore di tipo Cockcraft-Walton da 1MeV, che sarebbe stato realizzato, presso l'Istituto di Sanità pubblica, solo alcuni mesi dopo la fuga di Fermi dall'Italia fascista. Al fine di mantenere la posizione internazionale raggiunta, Fermi presentò il 29 gennaio 1937 una dettagliata proposta per la costituzione di un Istituto di radioattività nazionale:

e continuava sottolineando che

Fermi non si limitava a sottolineare l'importanza della ricerca di base, ma evidenziava anche le possibili ricadute pratiche:

La richiesta finale da parte di Fermi era di 300.000 lire più 230.000 per le spese di personale e gestione. Nel 1937 lo stesso Fermi si recò a Berkeley per studiare il modo di costruire un ciclotrone economico, ma questa pianificazione non portò a nulla per il crescente isolamento politico e scientifico che Fermi cominciò a subire dopo la morte di Corbino e che si accentuò ulteriormente con l'improvvisa morte di Guglielmo Marconi, che in quanto presidente del CNR e dell'Accademia d'Italia, era un influente e ascoltato protettore del gruppo. Nel maggio 1938, la proposta di Fermi venne definitivamente affossata con la giustificazione che non vi erano soldi a sufficienza. Venne solo concesso un contributo di 150000 lire per l'anno 1938-1939. Questa decisione segnò la fine del sogno di un ciclotrone italiano e la morte della fisica nucleare italiana, proprio alcuni mesi prima dell'assegnazione del premio Nobel per la fisica.^{[senza fonte]}

In questo periodo maturò la decisione (anche in seguito ai continui viaggi effettuati verso gli USA) di lasciare l'Italia per volare oltre oceano, dato che negli USA vi erano finanziamenti adeguati per la ricerca. Come ricorda Segrè:

 

Fermi riceve il Nobel (Karl Sandels)

Ad ogni modo la situazione europea, con l'annessione dell'Austria da parte della Germania nazista, cominciava a degenerare rapidamente. Nel luglio 1938 cominciò anche la campagna antisemita in Italia con la pubblicazione del manifesto della razza e le successive leggi razziali, per cui Fermi dovette rinunciare alla collaborazione di alcuni suoi assistenti. La stessa moglie di Fermi, Laura Capon (figlia dell'ammiraglio Augusto Capon), essendo ebrea, era soggetta alle persecuzioni razziali imposte dal regime, insieme ai loro figli. La moglie di Fermi ricorda nel libro Atomi in famiglia, che la coppia decise di lasciare l'Italia in seguito all'attuazione di codesta legge. Lo stesso Fermi era soggetto a controlli di ogni tipo.

Il 10 novembre del 1938, il prof. Enrico Fermi ricevette, all'età di soli trentasette anni, l'annuncio ufficiale del conferimento del premio Nobel. L'illustre scienziato italiano decise che, dopo la consegna del premio a Stoccolma, avrebbe fatto rotta con la famiglia verso gli Stati Uniti, dove la Columbia University di New York lo aveva invitato per una serie di lezioni. Edoardo Amaldi ricostruisce così l'atmosfera che precedette la proclamazione ufficiale dell'assegnazione a Fermi del Nobel:

Un interessante racconto circa il clima intorno alla figura del famoso fisico romano ci viene da un controllo di routine fatto da un informatore del ministro dell'Interno. In seguito alla cerimonia che la Magneti Marelli, società di cui Fermi era consulente scientifico, organizzò per festeggiare il neo premio Nobel, vennero invitate tutte le maggiori autorità cittadine della regione. Dal racconto dell'informatore:

Il 6 dicembre 1938 Fermi partì con il treno per Stoccolma. Alla stazione Termini, la famiglia Fermi fu accompagnata da Rasetti e Amaldi, che riporta gli ultimi momenti con il maestro:

Il 10 dicembre 1938 l'Accademia delle scienze di Stoccolma conferisce il premio Nobel a Enrico Fermi

Il comportamento di Enrico Fermi durante la consegna del premio fece scalpore all'interno dell'informazione del regime fascista^[3]. Come ricorda Amaldi:

Nei giorni successivi Otto Hahn e Fritz Strassmann rilevarono, in seguito al bombardamento dell'uranio con neutroni, la presenza di bario radioattivo, cioè di un elemento con numero atomico intermedio (simile alla scoperta del gruppo di Fermi degli elementi con numero atomico superiore denominati esperio e ausonio). I due scienziati tedeschi ipotizzarono per la prima volta la possibile fissione dell'uranio.

Dopo aver ricevuto il premio Nobel, Fermi andò a Copenaghen da Bohr, per imbarcarsi il 24 dicembre 1938 sul transatlantico Franconia diretto a New York.

Inizio delle ricerche statunitensi

Come detto in precedenza, Fermi rimase in un primo momento presso la Columbia University. Qui verificò gli esperimenti iniziali di Hahn e Strassmann sulla fissione nucleare, con l'aiuto di Dunning e Booth e cominciò la costruzione della prima pila nucleare Chicago Pile-1 (che raggiungerà la prima criticità il 2 dicembre 1942).

In un discorso tenuto nel 1954, quando si pensionò da Presidente della Società Americana di Fisica, Fermi ricordò l'inizio del progetto:

 

Il team dell’Università di Chicago

Dopo la famosa lettera di Albert Einstein del 1939 (redatta da Leo Szilard) al Presidente Roosevelt nella quale, di fronte alla minaccia rappresentata dal regime nazista, veniva sottolineata la possibilità di realizzare una bomba atomica, la Marina stabilì un fondo di 6.000 dollari per la Columbia University, fondo che fu incrementato per il Progetto Manhattan e per il lavoro di Fermi.

 

Oppenheimer, Fermi e Lawrence

Dopo la resa della Germania, i dubbi degli scienziati impegnati nel Progetto Manhattan crebbero di intensità. A Chicago, nei giorni immediatamente successivi alla fine della guerra in Europa, Arthur Compton nominò un comitato per affrontare la questione dell'uso della bomba, formato da vari scienziati del Metallurgical Laboratory, fra i quali lo stesso Szilard, e presieduto da James Franck, un fisico tedesco di grande valore, immigrato negli Stati Uniti per sfuggire alle persecuzioni antisemite dei nazisti. All'inizio di giugno del 1945 il rapporto finale, noto come Rapporto Franck anche se stilato in massima parte da Szilard, fu recapitato urgentemente al ministro della guerra Henry Stimson perché lo inoltrasse al presidente Truman. Nel rapporto si sconsigliava l'uso delle bombe atomiche contro il Giappone e si suggeriva una dimostrazione incruenta della nuova arma.

Non essendo giunto alcun riscontro al Rapporto Franck, Szilard decise di scrivere una petizione al presidente Truman, e la fece circolare fra gli scienziati del Metallurgical Laboratory, raccogliendo 53 firme. Ne inviò poi alcune copie ai laboratori di Oak Ridge e di Los Alamos, con una lettera di accompagnamento in cui scriveva: «Per quanto limitata sia la possibilità che la nostra petizione possa influire sul corso degli eventi, io personalmente sento che sarebbe importante se un vasto numero di scienziati che hanno lavorato in questo campo si esprimesse pubblicamente con chiarezza e sicurezza sull'opposizione per motivi morali all'uso di queste bombe nell'attuale fase della guerra», ma a Los Alamos la petizione di Szilard non venne fatta circolare. Inviata da Szilard attraverso i canali istituzionali, la petizione non raggiunse mai Truman perché «la questione dell'uso della bomba era stata già pienamente affrontata e risolta dalle autorità competenti».

La decisione fu presa al massimo livello politico, ma Fermi e gli altri leader scientifici del Progetto Manhattan svolsero comunque un ruolo importante nel processo decisionale: due mesi prima, nel maggio del 1945, Truman aveva infatti creato un'apposita commissione, nota come Interim Committee per affrontare la questione dell'eventuale uso della bomba atomica. L'Interim Committee fu affiancato da una commissione scientifica composta da quattro scienziati di primo piano del Progetto Manhattan: Oppenheimer, Fermi, Lawrence e Compton, che avevano la responsabilità delicatissima di dare consigli tecnici sull'uso dell'arma nucleare contro il Giappone. I quattro scienziati ricevettero da Stimson il Rapporto Franck ma non lo trovarono convincente.

 

Hiroshima dopo il bombardamento nucleare

La raccomandazione di Fermi e degli altri leader del progetto convinse i membri dell'Interim Committee che approvarono all'unanimità i seguenti provvedimenti:

1) la bomba dovrà essere usata contro il Giappone al più presto; 2) dovrà essere usata su un doppio bersaglio, cioè su installazioni militari o impianti bellici circondati o adiacenti ad abitazioni; 3) dovrà essere usata senza preavviso sulla natura dell'arma.

Nel suo saluto all'APS, Fermi disse anche:

Ritorno in Italia

Nell'estate del 1949, Fermi tornò brevemente in Italia per partecipare ad una conferenza sui raggi cosmici che si tenne a Como ove ebbe modo di rivedere alcuni colleghi tra i quali Amaldi, Bernardini, Pontecorvo, Segrè. Dopo la conferenza, organizzate dall'Accademia dei Lincei, Fermi tenne anche alcune lezioni a Roma e Milano^[4]. Le lezioni, raccolte dagli assistenti delle due università, furono pubblicate nel 1950^[5].

Fermi tornò nuovamente in Italia, per l'ultima volta, già gravemente malato, pochi mesi prima di morire, nel 1954 per tenere una lezione sui mesoni^[6] a Varenna presso Villa Monastero, sul lago di Como. La stessa Villa è ora sede della Scuola internazionale di fisica, intitolata allo scienziato italiano.

Fermi anticipatore dei suoi tempi

 

La targa della via di Roma intitolata allo scienziato

Fermi fu un uomo estremamente brillante, dalla inusuale elasticità mentale e senso comune. Fu un teorico veramente dotato di talento, come dimostra la sua teoria sul decadimento beta. Ebbe lo stesso talento anche sul lavoro in laboratorio, procedendo velocemente e con un grande intuito. Sostenne che la sua velocità in laboratorio lo aveva portato al Nobel, dicendo che le stesse scoperte a cui lui era arrivato presto sarebbero state fatte da qualcun altro, e che lui ci era semplicemente arrivato prima.

Nel 1933 propose il suo famoso studio sul decadimento beta alla prestigiosa rivista Nature, ma l'editore della rivista lo respinse perché "conteneva speculazioni che erano troppo distanti dalla realtà". Per questo, Fermi pubblicò la sua teoria in italiano e in tedesco.

Comprese immediatamente l'importanza dei calcolatori elettronici. Non dimenticò mai di essere un precursore dei suoi tempi, ed era solito dire ai suoi allievi preferiti: "Non siate mai i primi, cercate di essere secondi".

Il 29 novembre 1954 Fermi morì di tumore dello stomaco a Chicago e venne sepolto nel locale Oak Woods Cemetery. Aveva cinquantatré anni. Di lui Eugene Wigner scrisse: "Dieci giorni prima che Fermi morisse mi disse: Spero che non duri molto. Si è riconciliato perfettamente col suo destino".

Il prof. Edoardo Amaldi ebbe a dire durante la commemorazione tenuta a classi riunite il 12 marzo 1955 dall'Accademia dei Lincei:

Opere

• Introduzione alla fisica atomica, Bologna, Zanichelli, 1928.
• Fisica. Ad uso dei licei, 2 volumi, Bologna, Zanichelli, 1929; 1937.
• Sui momenti magnetici dei nuclei atomici, Roma, Tip. Del Senato, G. Bardi, 1930.
• Sul calcolo degli spettri degli ioni, Roma, Tip. Del Senato, G. Bardi, 1930.
• L'effetto Raman nelle molecole e nei cristalli, Roma, Reale Accademia D'Italia, 1932.
• Sulla Teoria delle strutture iperfini, con Emilio Segrè, Roma, Reale Accademia D'Italia, 1933.
• Molecole e cristalli, Bologna, Zanichelli, 1934.
• Conferenze di fisica atomica. Raccolte da professori ed assistenti di fisica delle università di Roma e Milano, Roma, Accademia Nazionale dei Lincei, 1950.
• Particelle elementari, Torino, Einaudi, 1952; Boringhieri, 1963.
• Termodinamica, Torino, Boringhieri, 1958.
• Note e memorie

I, Italia 1921-1938, Roma-Chicago, Accademia Nazionale dei Lincei-The University of Chicago press, 1962.

II, United States 1939-1954, Roma-Chicago, Accademia Nazionale dei Lincei-The University of Chicago press, 1965.

• Atomi nuclei particelle. Scritti divulgativi ed espositivi, 1923-1952, Torino, Bollati Boringhieri, 2009.
• Alcune teorie fisiche. Caorso - Roma, 1919, Piacenza, Tipolito Farnese, 2011. [Contiene la riproduzione del taccuino ms. conservato presso la Biblioteca dell'Università di Chicago]

Allievi famosi di Enrico Fermi

• James Rainwater
• Emilio Segrè
• Chen Ning Yang
• Owen Chamberlain
• Tsung-Dao Lee
• Jack Steinberger
• Jerome Isaac Friedman
• Bruno Pontecorvo
• Mario Ageno
• Geoffrey Chew
• Arthur Rosenfeld
• Sam Treiman
• Ettore Majorana
• Gian Carlo Wick

Intitolazioni

La centrale nucleare di Trino Vercellese

 

• Ad Enrico Fermi è stata intitolata la terza centrale nucleare italiana: l'impianto da 270 MW di Trino (VC), che dal 1964 al 1987 ha prodotto oltre 26 milioni di MWh.
• Portano il nome di Fermi i fermioni (particelle con spin semi-intero)
• L'unità di misura del fermi (equivalente a metri)
• Il laboratorio americano Fermilab;
• Il dipartimento di fisica della University of Chicago dove era solito lavorare è ora conosciuto come The Enrico Fermi Institute.
• Il riconoscimento presidenziale statunitense Enrico Fermi.
• In suo onore il satellite GLAST dedicato allo studio dei raggi gamma è stato chiamato Fermi Gamma-ray Space Telescope^[7].
• Fermi è il nome di un cratere sulla Luna, uno su Marte^[8] di ben 241 km di diametro e un asteroide l'8103 Fermi.
• Da Fermi prende nome il paradosso di Fermi, sulla possibilità dell'esistenza di civiltà aliene.
• Il premio Enrico Fermi della Società italiana di fisica.
• Ad Enrico Fermi è stato intitolato il dipartimento di fisica dell'Università di Pisa, presso il quale ha studiato.
• Ad Enrico Fermi è stato intitolato il dipartimento di Ingegneria Nucleare del Politecnico di Milano, che contiene un reattore nucleare.
• Ad Enrico Fermi è intitolato uno dei due edifici del dipartimento di fisica della Sapienza Università di Roma
• Fermi è il nome di un'architettura per GPU
• A Fermi sono intitolate numerose scuole superiori, soprattutto licei scientifici e istituti tecnici, in varie città d'Italia.
• A Fermi è stata intitolata una delle stazioni della metropolitana (Linea B) di Roma
• A Fermi è stata intitolata una delle stazioni della Metropolitana di Torino
• A Fermi è stato intitolato l'elemento nr.100 della tavola degli elementi, ovvero il Fermio.