Enrico Fermi: da via Panisperna a Chicago, via Stoccolma

Ecco gli avvenimenti che in meno di un decennio portarono Enrico Fermi a vincere il Nobel per la fisica e, poi, a fuggire negli Usa per costruire il primo reattore nucleare della storia e poi contribuire alla realizzazione della bomba atomica

1930

In questo periodo soggiorna a Roma il fisico tedesco Hans Bethe, che rimane molto colpito dalla semplicità del metodo di lavoro di Fermi: “Egli era in grado di arrivare al nocciolo di qualsiasi problema, per quanto complicato fosse, spogliandolo dalle difficoltà matematiche e dall’inutile formalismo. Con l’aiuto di questo tipo di approccio era in grado, spesso in non più di mezz’ora, di risolvere il problema di fisica più complesso. Certamente, in questo modo non otteneva una soluzione matematica completa, ma dopo aver discusso con lui di quell’argomento, chiunque aveva chiaro qual era la via per la soluzione matematica”. Più avanti Bethe precisa: “Fermi era un buon matematico. Egli era in grado, se necessario, di fare i calcoli matematici più complessi, ma prima di ogni cosa egli doveva convincersi che ne valesse la pena”.

Intorno a Enrico Fermi e Franco Rasetti, abilissimo fisico sperimentale, che Fermi conosceva bene e con cui aveva lavorato fin dai tempi dell’università, si raccoglie ormai il gruppetto di giovanissimi fisici Emilio Segrè, Edoardo Amaldi e Ettore Majorana. Secondo la testimonianza di Franco Rasetti, Fermi è ben deciso a imparare le tecniche della fisica nucleare, molti anni prima che il suo nome diventi famoso in questo campo. Questa decisione viene messa in atto a partire dal 1930, quando i membri del gruppo di Roma iniziano a fare lunghi soggiorni presso i maggiori centri di ricerca all’estero per acquisire conoscenze relative a tecniche sperimentali allora sconosciute in Italia. Rasetti va da Robert Millikan a Pasadena e successivamente passa un anno a Berlino-Dahlem da Lise Meitner, Segrè va da Otto Stern ad Amburgo e da Pieter Zeeman ad Amsterdam, e Amaldi fa un soggiorno da Peter Debye a Lipsia.

1931

Secondo quanto ricorda Rasetti “l’attività sperimentale negli anni 1927-31 si svolse quasi interamente nel campo della spettroscopia atomica e molecolare […] anche perché ne conoscevamo bene la tecnica e avevamo strumenti adeguati”. Ma a partire dal 1929 Fermi e Rasetti avevano cominciato appunto a rendersi conto che il futuro stava ormai nel campo della fisica nucleare.

A quell’epoca si conosceva l’esistenza di processi di decadimento che avvengono con l’emissione di una particella alpha o di una particella beta, accompagnati da emissione di raggi gamma. Nel 1928 il fisico russo George Gamow, all’epoca a Göttingen, e, indipendentemente Ronald W. Gurney e Edward R. Condon a Princeton, avevano pubblicato una teoria secondo la quale il processo di decadimento a è una conseguenza dell’effetto “tunnel”, un processo quantomeccanico secondo il quale le particelle a , riescono a penetrare attraverso la barriera di potenziale coulombiana del nucleo e a penetrare in una regione che sarebbe loro proibita da un punto di vista classico. Il nucleo deve essere dunque una struttura composta, tenuto insieme da forze ancora sconosciute. Fino alla scoperta del neutrone, all’inizio del 1932, si continuerà a ritenere che i nuclei di tutti gli elementi siano composti di protoni e elettroni, sebbene ipotesi sull’esistenza di una particella neutra pesante fossero state avanzate da Rutherford già nel 1920. Il confinamento degli elettroni in un volume delle dimensioni del nucleo e lo spettro continuo delle velocità con cui i raggi beta (elettroni) vengono emessi dal nucleo, portano a una serie di risultati paradossali, tra cui quello dell’apparente non conservazione dell’energia, ipotesi presa seriamente in considerazione da Bohr.

Pauli pensa che “Bohr è su una strada completamente sbagliata” e propone che insieme all’elettrone vengano emesse una o più particelle neutre, che saranno dette (su proposta di Fermi) “neutrini”. In ogni disintegrazione beta l’energia liberata nel processo si ripartisce tra elettrone e neutrino in modo che l’energia dell’elettrone possa assumere tutti i valori da zero fino a un certo massimo. Questa ipotesi viene formulata informalmente da Pauli in una lettera scritta il 4 dicembre 1930. Proprio per fare il punto sulle questioni ancora irrisolte in fisica nucleare Fermi ha l’idea di organizzare un Congresso internazionale di fisica nucleare, che si tiene a Roma dall’11 al 17 ottobre del 1931. La presenza degli scienziati più eminenti nel campo della fisica nucleare conferisce all’evento una enorme importanza scientifica. In questa occasione Wolfgang Pauli avanza di nuovo, nel corso di conversazioni private, l’ipotesi dell’esistenza di una nuova particella “neutra, leggera e molto penetrante per salvare il principio della conservazione dell’energia nel decadimento b”, come lui stesso racconta molti anni dopo a Franco Rasetti.

1932

Una serie di scoperte e di eventi significativi contribuisce a focalizzare fortemente l’attenzione di una parte importante della comunità dei fisici sui fenomeni nucleari e sulle nuove possibilità di ricerca in questo campo. Possibilità che si amplificano enormemente grazie allo sviluppo, alla disponibilità e all’uso produttivo di nuovi acceleratori di particelle. Tutto comincia a gennaio: l’americano Harold Urey annuncia la scoperta di un isotopo pesante dell’idrogeno, da lui battezzato “deuterio”. In febbraio James Chadwick dimostra l’esistenza di una nuova particella nucleare, il neutrone. In aprile John Cockcroft e Ernest Thomas Walton riescono ad ottenere la prima disintegrazione nucleare bombardando nuclei leggeri con protoni artificialmente accelerati. In agosto Carl Anderson individua nelle immagini di tracce lasciate da raggi cosmici l’esistenza di una nuova particella, l’elettrone carico positivamente, subito denominata “positrone”. E’ la conferma sperimentale dell’esistenza dell’antiparticella dell’elettrone prevista dalla teoria relativistica dell’elettrone di P. A. M. Dirac. Immediatamente Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini cercano e trovano non soltanto le tracce dei positroni nelle emulsioni già esposte, ma individuano anche eventi in cui è più evidente la creazione della coppia elettrone-positrone sotto l’effetto di radiazione g ad altissima frequenza. Quella stessa estate Ernest Lawrence, Stanley Livingston e Milton White utilizzano per disintegrare nuclei il ciclotrone ideato da Lawrence, uno strumento che nel giro di pochi mesi sarà in grado di generare circa 5 MeV. Al ritorno di Rasetti da Berlino-Dahlem nell’autunno del 1932, si decide di dare inizio a un programma di ricerche in fisica nucleare. Gli strumenti vengono progettati e fatti poi costruire da ditte esterne. Il punto debole del dipartimento di fisica di Roma è proprio la mancanza di strumentazione e la mancanza di efficienza dell’officina per costruire gli apparati. E’ possibile soltanto costruire strumenti molto semplici, e anche questi con un notevole dispendio di tempo e di fatica. Queste circostanze avevano indotto Fermi ad adottare metodi del tipo “fai da te” che sono caratteristici del suo modo di lavorare, sia a livello teorico che sperimentale. Viene realizzata una camera a nebbia, simile a quelle usate a Berlino dalla Meitner, che funziona subito alla perfezione e vengono realizzati vari tipi di contatori di Geiger-Müller. Rasetti, che ha appreso a Dahlem le tecniche per la preparazione di sorgenti radioattive, mette a punto una sorgente di neutroni al polonio-berillio. Questi sviluppi vengono resi possibili da una consistente dotazione di fondi messi a disposizione dal Consiglio Nazionale delle Ricerche. Per la fine del 1933 la strumentazione nucleare sarà adeguata per fare ricerche secondo linee diverse.

1933

Nell’ottobre di quest’anno Enrico Fermi partecipa al settimo Congresso Solvay: la fisica nucleare ha fatto passi da gigante a livello sperimentale e il modello del nucleo composto di protoni e neutroni è abbastanza ben stabilito attraverso il lavoro di Werner Heisenberg, Dmitri Iwanenko e Ettore Majorana. Sono presenti tutti i più importanti fisici nucleari del mondo, come James Chadwick, Patrick Blackett, Ernest Rutherford, Lise Meitner, Frédéric Joliot e Irène Curie, Ernest Lawrence (unico americano invitato) insieme ad alcuni fisici teorici, come Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Adrien Maurice Dirac e George Gamow. In quest’occasione Pauli presenta di nuovo la sua idea del neutrino, che per la prima volta compare negli atti del congresso. Tuttavia è ancora una ipotesi abbastanza vaga e in ogni caso non esiste ancora una teoria formale del processo di decadimento b.

Due mesi dopo Fermi completa il suo celebre lavoro Tentativo di una teoria dei raggi b, in cui applica la teoria quantistica dei campi alla radioattività b: l’emissione di un elettrone è simile all’emissione di luce da parte di un atomo eccitato – né la particella b né il quanto di luce sono contenuti dentro l’atomo prima dell’emissione – ma l’emissione della particella b non è dovuta all’interazione elettromagnetica, bensì a una nuova classe di forze, che molto più tardi sarà conosciuta come interazione debole. Secondo la teoria elettroni e neutrini possono essere creati e distrutti, ogni transizione da neutrone a protone deve essere accompagnata dalla creazione di un elettrone e di un neutrino all’atto del processo di disintegrazione. In questo modo Fermi bandisce formalmente gli elettroni dal novero dei costituenti del nucleo e apre un nuovo campo della fisica delle particelle elementari, la fisica delle interazioni deboli. Inoltre chiarisce definitivamente che il neutrone non è un sistema legato protone-elettrone, come molti avevano pensato in un primo momento e spazza via ogni dubbio relativo alle congetture di Bohr sulla non conservazione dell’energia nei processi di decadimento.

L’articolo compare su La ricerca scientifica, ma in realtà Fermi aveva deciso di annunciare i risultati della sua teoria in una lettera a Nature. Il manoscritto era stato respinto e gli era stato risposto che conteneva troppe speculazioni astratte ed era “troppo lontano dalla realtà fisica”. Segrè ricorda che “Fermi era pienamente consapevole dell’importanza del suo lavoro e disse che pensava che quello sarebbe stato il suo capolavoro, ricordato dalla posterità”. I risultati di Fermi aprono nuove prospettive alle ricerche già in atto sulle forze nucleari. In quegli stessi anni un gruppo di giovani ricercatori si sta aggregando a Firenze sotto la protezione di Antonio Garbasso, direttore dell’Istituto di Fisica, anche lui, come Corbino, personaggio molto influente a livello istituzionale. Nel 1928 Gilberto Bernardini era divenuto assistente di Enrico Persico, che due anni prima aveva vinto insieme a Fermi la cattedra di fisica teorica e che in quegli anni insegnava la nuova meccanica quantistica. Nel 1928 si era trasferito a Firenze, dopo essersi laureato a Bologna, il ventitreenne Bruno Rossi. Nel 1929, grazie alla sua intuizione viene individuato un promettente programma di ricerca a lungo termine: la fisica della radiazione cosmica.

1934

Nel mese di gennaio del 1934 Irène Curie e Frédéric Joliot annunciano la scoperta di nuovi radioisotopi ottenuti artificialmente bombardando i nuclei di elementi leggeri con particelle a. Fermi intuisce immediatamente che i neutroni possono essere validamente utilizzati come proiettili per indurre la radioattività artificiale: essendo privi di carica non sono soggetti alla repulsione coulombiana esercitata dai nuclei bersaglio. E’ l’occasione per iniziare esperimenti su larga scala. Verso la fine di marzo vengono irradiati diversi elementi la cui attività viene misurata per mezzo di un contatore Geiger-Müller. Dopo una serie di tentativi infruttuosi fatti con la sorgente di polonio-berillio, Rasetti parte per il Marocco e Fermi inizia a bombardare in modo sistematico gli elementi del sistema periodico di numero atomico crescente utilizzando una sorgente neutronica più intensa costituita da radon e berillio. Sorgenti di questo tipo erano già state fornite da Giulio Cesare Trabacchi, dell’Istituto di Sanità (proprio per questo soprannominato dai membri del gruppo “La divina Provvidenza”) e utilizzate con lo spettrometro a raggi gamma. Finalmente il contatore di Geiger-Müller registra alcuni conteggi irradiando il fluoro e l’alluminio.

Secondo l’interpretazione data subito da Enrico Fermi, il nucleo dell’alluminio assorbe un neutrone emettendo una particella a (nucleo di elio) trasformandosi in sodio che a sua volta decade trasformandosi in calcio con emissione di una particella b (elettrone). Il 25 marzo 1934 esce sulla rivista del CNR, La Ricerca Scientifica, l’articolo Radioattività provocata da bombardamento di neutroni-I il primo di una lunga serie di lavori che vedranno Fermi protagonista, insieme al suo gruppo, di un filone di ricerca i cui esiti sono per ora assolutamente insospettati.

Per procedere più rapidamente Fermi chiede ad Amaldi e Segrè di lavorare con lui. Rasetti è richiamato dal Marocco e il chimico Oscar D’Agostino, appena tornato per le vacanze di Pasqua dal laboratorio dei Joliot-Curie, dove aveva appreso le tecniche di radiochimica, è sollecitato a unirsi al gruppo. In poco tempo vengono irradiati con neutroni una sessantina di elementi e in almeno quaranta di questi vengono scoperti, e spesso identificati, nuovi elementi radioattivi. I risultati ottenuti dal gruppo dei “ragazzi di via Panisperna” dimostrano tutti i vantaggi del lavoro di équipe, introdotto per la prima volta proprio a Roma.

La grande importanza di questi risultati è immediatamente evidente. Il 24 aprile Ernest Rutherford, il padre della fisica nucleare, si complimenta con Enrico Fermi per il successo degli esperimenti: “Mi congratulo con lei per il successo della sua fuga dalla sfera della fisica teorica. Sembra proprio che lei abbia trovato una buona linea di ricerca per cominciare”.

Nel procedere con il bombardamento sistematico, Fermi e il suo gruppo, all’inizio dell’estate, arrivano a irradiare il torio (numero atomico 90) e l’uranio (numero atomico 92), ma la naturale attività di questi elementi ostacola l’identificazione dei nuovi radionuclidi artificiali ottenuti. Fermi e il suo gruppo dimostrano che l’attività di tali radionuclidi non è dovuta ad alcuno degli isotopi di elementi compresi fra il piombo e l’uranio, cioè con numero atomico compreso fra 86 e 92. Il gruppo è convinto di avere prodotto e identificato due elementi transuranici che vengono battezzati “esperio” e “ausonio” e accantona la possibilità che il nucleo di Uranio possa scindersi in “molti grandi pezzi” ciascuno dei quali può essere un isotopo di elementi noti ma lontani dall’uranio e dal torio nella tavola periodica. Questa ipotesi, esplicitamente avanzata dalla chimica tedesca Ida Noddack in un suo articolo del 1934 regolarmente inviato a Fermi, implica un tipo di reazione nucleare completamente nuovo e viene rapidamente accantonata. Altri quattro anni di ricerche portate avanti nei laboratori più importanti dell’epoca saranno necessari per svelare l’enigma dei “transuranici”.

Nell’autunno del 1934 Enrico Fermi assegna ad Edoardo Amaldi e Bruno Pontecorvo, appena laureato, il compito di stabilire una scala quantitativa delle attività indotte negli elementi bombardati. I due si trovano subito di fronte a una serie di problemi perché l’intensità della radioattività ottenuta sembra dipendere dal materiale su cui vengono posti la sorgente e l’elemento da irradiare, come ricorda Amaldi: “Certi tavoli con sopra uno spettroscopio avevano proprietà miracolose; l’argento irradiato su quei tavoli diventava molto più attivo rispetto a quando veniva irradiato su altri tavoli di marmo nella stessa stanza”.

Per chiarire il mistero vengono eseguite osservazioni sistematiche a partire dal 18 ottobre, in particolare Amaldi effettua una serie di misure all’esterno e all’interno di una sorta di casetta di piombo le cui pareti hanno 5 centimetri di spessore che serve da schermo per le radiazioni. I risultati mostrano chiaramente che, mentre all’esterno la capacità di attivazione decresce rapidamente con l’aumento della distanza fra sorgente ed elemento irradiato, all’interno la diminuzione è molto più lenta. A questo punto, per misurare l’assorbimento del piombo viene preparato un cuneo di questo materiale da inserire tra la sorgente di neutroni e il rivelatore con l’idea di confrontarne l’assorbimento rispetto a un mattoncino di piombo dello stesso spessore. La mattina del 22 ottobre i membri del gruppo sono impegnati con gli esami e Fermi decide di procedere da solo per risolvere l’ “enigma del piombo”. In quel momento soltanto Enrico Persico, in visita da Firenze, si trova con lui ed è lui stesso ad annotare le misure fatte da Fermi.

Anni dopo Enrico Fermi racconterà a Subrahmanyan Chandrasekhar che al momento di collocare il cuneo di piombo, senza alcun particolare motivo, aveva deciso di mettere al suo posto un pezzo di paraffina. La sera stessa il gruppo scrive una lettera per La Ricerca Scientifica “Azione di sostanze idrogenate sulla radioattività provocata dai neutroni-1” in cui annuncia la sensazionale scoperta: “Uno spessore di alcuni centimetri di paraffina interposto fra la sorgente e l’argento invece di diminuire l’attivazione la aumenta”. I neutroni rallentati fino all’energia dell’agitazione termica delle molecole dalle collisioni con nuclei di idrogeno passano più tempo nelle vicinanze dei nuclei bersaglio diventando più efficaci nell’indurre la radioattività artificiale. La scoperta dell’effetto dei neutroni lenti apre una nuova fase nel programma di ricerca del gruppo che si concentra ormai sul problema degli effetti derivanti da questo fenomeno. La scoperta ha immediate applicazioni pratiche nella possibilità di produrre isotopi radioattivi artificiali da utilizzare per esempio come traccianti a scopi fisici, chimici e biologici. Orso Mario Corbino convince Enrico Fermi e i suoi collaboratori a prendere un brevetto.

1935

A partire da quest’anno il gruppo di via Panisperna comincia a disperdersi. Segrè si trasferisce a Palermo, dove ha vinto la cattedra di fisica sperimentale, Pontecorvo lavora con Gian Carlo Wick e poi si sposta a Parigi dai Joliot-Curie nella primavera del ‘36, mentre D’Agostino inizia a lavorare nell’Istituto di chimica del CNR. Durante l’estate Rasetti visita il laboratorio di Robert Millikan a Pasadena dove studia un acceleratore lineare ad alto voltaggio e il Radiation Laboratory a Berkeley dove si trova la nuova macchina acceleratrice ideata da Ernest Lawrence. Il ciclotrone produce fasci di neutroni di intensità incredibilmente più elevate rispetto a quelle ottenibili con le sorgenti naturali di cui dispongono i fisici romani. Rasetti trascorre l’anno accademico 1935-36 alla Columbia University, mentre Amaldi e Fermi restano i soli a fare ricerca sulle proprietà dei neutroni lenti, lavorando “con un’ostinazione incredibile”, come ricorda lo stesso Amaldi, forse proprio per reagire a un’atmosfera che si fa sempre più plumbea. In Germania è in pieno sviluppo la politica di persecuzione degli oppositori e delle minoranze etniche e l’espansionismo di Hitler fa pesare sull’Europa la prospettiva di un conflitto generale, mentre l’Italia, con aspirazioni colonialiste, si sta preparando alla guerra d’Etiopia e viene perciò isolata dalla Società delle Nazioni con le sanzioni: “Si iniziava alle otto del mattino e, praticamente senza intervallo, andavamo avanti fino alle sei, sette di sera e anche oltre. Le misure venivano realizzate in base a un preciso programma […]. Esse duravano tre-quattro minuti e si ripetevano per molte ore e anche per molti giorni se questo era necessario a risolvere il problema impostato. Risolto un problema, ne affrontavamo immediatamente un altro, senza interruzione, senza ombra di dubbio”.

1936

Nel giro di pochi mesi, a cavallo con l’anno precedente, Fermi e Amaldi pubblicano una serie di lavori su La Ricerca Scientifica che culminano con un ampio articolo inviato a Physical Review nel quale si illustrano una serie di risultati conclusivi dello studio sistematico sull’assorbimento e la diffusione di neutroni lenti. Il problema della diffusione viene affrontato da Fermi utilizzando alcune variabili che lo semplificano notevolmente: in particolare la “letargia” che è una misura logaritmica dell’energia del neutrone e che permette una rappresentazione grafica unidimensionale della successione di collisioni elastiche che portano il neutrone alla termalizzazione. Enrico Fermi sviluppa un’equazione di diffusione in cui si danno valutazioni importanti della distanza che un neutrone raggiunge a partire dal punto in cui è stato creato fino alla completa termalizzazione: la misura di questa distanza è affidata a un parametro che di lì in poi verrà chiamato “età di Fermi” (Fermi’s age). Da queste ricerche emerge un nuovo interessante fenomeno: il forte assorbimento, da parte di molti elementi, di neutroni la cui energia cinetica cade in alcune bande di energia caratteristiche del nucleo bersaglio.

In seguito alla scoperta di queste risonanze Bohr propone nell’aprile del 1936 il cosiddetto “modello del nucleo composto”, secondo il quale le reazioni nucleari possono suddividersi in due fasi: nella prima la collisione tra un neutrone e un nucleo pesante dà luogo alla formazione di un nucleo composto che sopravvive per un tempo relativamente lungo e successivamente si decompone secondo un processo che non ha alcuna relazione con il primo stadio e nel quale tuttavia si conservano l’energia totale, la parità e il momento angolare. La ragione principale della stabilità dello stato composto è che l’energia inizialmente concentrata nella particella in entrata viene suddivisa fra tutte le altre particelle del nucleo bersaglio. Soltanto quando questa energia, a causa di una fluttuazione, si concentra di nuovo su un’altra particella, quest’ultima riesce a sfuggire dando luogo a uno stato finale che non conserva alcuna “memoria” della situazione iniziale.

1937

Nel gennaio del 1937 Fermi rimane privo del sostegno politico e scientifico di Corbino, che muore all’improvviso di polmonite. La sensazione della fine di un’epoca viene profondamente avvertita da tutti i membri dell’Istituto e in effetti il cambio di direzione dell’Istituto – il successore di Corbino è Antonino Lo Surdo, e non Enrico Fermi, come ci si sarebbe aspettato – e la situazione politica, che si sta deteriorando rapidamente, fanno presagire la catastrofe imminente. Nel frattempo Fermi riesce a far approvare insieme a Domenico Marotta, direttore dell’Istituto di sanità pubblica, una proposta per realizzare un acceleratore del tipo Cockcroft-Walton da 1 MeV, in grado di accelerare particelle fino a un’energia di un milione di Volt. Nel giugno del 1937 Fermi e il suo gruppo realizzano un prototipo in scala ridotta, da 200 keV, nei locali dell’Istituto di Fisica che nel frattempo si è trasferito da via Panisperna alla nuova città universitaria.

L’acceleratore da 1 MeV verrà completato due anni dopo, quando Fermi ormai avrà lasciato l’Italia. Nel gennaio dello stesso anno Fermi presenta al CNR una dettagliata proposta per la costituzione di un Istituto nazionale di radioattività, nella quale fa notare come l’Italia, che fino a quel momento ha avuto una posizione preminente in questo campo di ricerca, stia perdendo decisamente terreno rispetto ai laboratori dotati di macchine acceleratrici che forniscono sorgenti artificiali di neutroni la cui intensità è “migliaia di volte superiore a quelle ottenibili partendo dalle sostanze naturali” e prosegue: “E’ 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”.

Nel corso di una sua visita a Ernest Lawrence nell’estate del 1937 Fermi esamina concretamente la possibilità di realizzare in Italia un ciclotrone “economico”. Ma nel luglio 1937 muore improvvisamente Guglielmo Marconi, che nella sua veste di presidente del CNR e dell’Accademia d’Italia era stato un valido sostenitore del gruppo, nonostante le sue numerose richieste per ottenere fondi per la ricerca non fossero del tutto in consonanza con l’idea che Mussolini aveva riguardo al ruolo della scienza nello Stato fascista. Ecco cosa scriveva il Duce a un suo aiutante già nel 1930: “Le rimetto questa doglianza che mi è stata consegnata da S. E. Marconi, Pres. del CNR, nonché dell’Accademia d’Italia. Credo che gli si possono dare 570.000 dal fondo delle spese impreviste e non un soldo di più. Salvo a vedere se questo Consiglio debba ancora funzionare”. Il 1937 è anche l’anno della morte di Ernest Rutherford, Fermi lo ricorda in una breve nota pubblicata su Nature.

1938

Nel maggio del 1938 il CNR respinge definitivamente la proposta di Fermi per l’Istituto nazionale di radioattività adducendo la limitata disponibilità di fondi e poco dopo gli assegna un contributo che Fermi giudica del tutto insufficiente per realizzare qualsiasi progetto, in particolare l’idea del ciclotrone. E’ evidente ormai che la più importante istituzione scientifica italiana non è in grado di mettere a disposizione di Fermi e dei suoi collaboratori i mezzi necessari per proseguire ricerche che possano competere con quelle portate ormai avanti nei laboratori più avanzati. Nel frattempo la situazione politica sta precipitando. In marzo è avvenuta l’annessione dell’Austria alla Germania nazista (Anschluss) e soprattutto nel mese di luglio inizia anche in Italia la campagna antisemita con la pubblicazione del Manifesto della Razza.

Nei mesi successivi vengono promulgate le leggi razziali: comincia l’espulsione degli ebrei da tutti gli impieghi statali, dalle università e dalle accademie, oltre all’esclusione degli allievi ebrei dalle scuole pubbliche. La moglie di Enrico Fermi, Laura Capon è ebrea e all’inizio di settembre i coniugi decidono di emigrare. Il 10 novembre lo scienziato riceve l’annuncio ufficiale del conferimento del premio Nobel e decide di proseguire direttamente per gli Stati Uniti dopo il soggiorno a Stoccolma per la cerimonia di conferimento del premio.

Nel corso dei suoi precedenti soggiorni negli Stati Uniti Enrico Fermi aveva maturato una profonda simpatia per quel Paese, come ricorda Emilio Segrè: “Lo attiravano i laboratori attrezzati, gli abbondanti mezzi di ricerca, l’entusiasmo che sentiva nella nuova generazione di fisici” e prosegue sottolineando come la decisione di emigrare fosse “più l’esecuzione di un piano a lungo meditato che una decisione improvvisa determinata dalle circostanze”.Il 10 dicembre Fermi riceve a Stoccolma il premio Nobel per la fisica: “Per aver dimostrato l’esistenza di nuovi elementi radioattivi prodotti dall’irradiazione mediante neutroni e per la scoperta, legata alla precedente, delle reazioni nucleari provocate da neutroni lenti”. Ma nel frattempo una incredibile catena di avvenimenti si era messa in moto: Otto Hahn, un valente radiochimico, e Fritz Strassmann, esperto di analisi chimiche, avevano individuato la presenza di bario radioattivo negli elementi prodotti dal bombardamento con neutroni e il 22 dicembre 1938 inviano un articolo alla rivista Naturwissenschaften in cui annunciano la scoperta. Nelle bozze della Nobel Lecture, “Artificial radioactivity produced by neutron bombardment” [Radioattività artificiale prodotta da bombardamento di neutroni] pubblicate nel 1939, Fermi aggiungerà una nota menzionando la scoperta: “E’ necessario riesaminare tutti i problemi relativi agli elementi transuranici, considerandeo che molti di loro potrebbero rivelarsi i prodotti della fissione dell’Uranio”.

1939

Fermi arriva a New York il 2 gennaio e molto presto viene a conoscenza della scoperta della fissione dell’Uranio. L’articolo di Hahn e Strassmann è pubblicato in gennaio ma, come ricorda Segrè, “La notizia di queste sensazionali scoperte si diffuse a voce, per lettera e per telegramma mentre il lavoro procedeva e prima che fosse stato pubblicato qualsiasi risultato”. Infatti nel frattempo Hahn era rimasto in contatto epistolare con Lise Meitner, anche lei ebrea e appena fuggita dalla Germania in circostanze avventurose. Proprio la Meitner lo aveva convinto, ai tempi della scoperta della radioattività indotta da neutroni, ad approfondire le ricerche riprendendo una collaborazione che risaliva ad anni addietro, quando avevano scoperto l’elemento 91, il protoattinio. La lettera di Hahn, con le stupefacenti notizie della presenza di bario nei prodotti del bombardamento dell’uranio con neutroni, raggiunge la Meitner in vacanza in Svezia insieme a suo nipote Otto Frisch, collaboratore di Niels Bohr. I due interpretano correttamente i risultati e fanno una stima della quantità di energia liberata nel processo di fissione.

Al suo ritorno a Copenhagen Frisch trova Bohr in partenza per gli Stati Uniti e gli comunica la notizia. Quest’ultimo arriva a New York verso la metà di gennaio e in poco tempo la notizia si diffonde fino a raggiungere Fermi. Il 26 gennaio, all’inizio della VI Conferenza di Fisica Teorica tenuta a Washington Fermi avanza l’ipotesi che in una reazione così violenta i nuclei possano emettere neutroni, che, a loro volta, sarebbero in grado di provocare una nuova fissione. Una dimostrazione del processo di fissione viene organizzata per i partecipanti al convegno. Di ritorno alla Columbia Fermi sapeva a quali domande voleva trovare una risposta. Venivano emessi neutroni nella fissione dell’uranio? Ed eventualmente in che quantità? Come si poteva fare in modo che questi neutroni producessero ulteriori fissioni? E soprattutto: Era possibile sviluppare una reazione a catena? Fermi insiste sulla necessità di effettuare misure quantitative e un mese dopo il suo arrivo alla Columbia University, insieme a un gruppo di lavoro di cui fanno parte il giovane Herbert Anderson e J.R. Dunning (suo relatore), firma il suo primo articolo “americano”, “The Fission of Uranium” [Fissione dell’Uranio] in cui vengono riportate le sezioni d’urto per neutroni lenti e neutroni veloci. La questione della produzione di neutroni nell’uranio bombardato con neutroni è oggetto di alcune ricerche pubblicate nel 1939 sul Physical Review. In seguito sarà impossibile seguire il lavoro di Fermi attraverso la letteratura periodica pubblica. Le relazioni vengono dichiarate “top secret”.

Nella primavera Enrico Fermi, Anderson e Leo Szilard pubblicano Neutron Production and Absorption in Uranium [Produzione e assorbimento di neutroni in Uranio]: il numero di neutroni emessi dall’Uranio sotto l’azione dei neutroni lenti è maggiore di quelli assorbiti. E’ la condizione necessaria per realizzare una reazione a catena. Questo è il primo e l’ultimo esperimento fatto da Fermi in collaborazione con Szilard, il cui stile di lavoro a livello sperimentale non è affatto congeniale a Fermi. Nei mesi successivi Fermi e altri gruppi di lavoro in diverse università americane studiano i problemi connessi con la fisica della reazione a catena. La maggior parte dei progressi fondamentali per la fisica dei reattori verranno realizzati durante il 1939 e il 1940.

Fermi è il primo a informare le autorità militari sulle possibili implicazioni belliche di una eventuale reazione a catena: nel mese di marzo tiene una conferenza al Ministero della Marina in seguito alla quale viene concesso un piccolo finanziamento per queste ricerche alla Columbia University. All’inizio dell’estate del 1939 Szilard, insieme a Paul Wigner, ungherese anche lui, convince Albert Einstein a firmare una lettera indirizzata a F. D. Roosevelt, all’epoca Presidente degli Stati Uniti, in cui vengono messe in evidenza le ricerche di Fermi e Szilard negli Stati Uniti e di Joliot in Francia sulla reazione a catena e la quasi certezza di poter “pervenire a questo risultato nell’immediato futuro”.

Nell’adombrare la possibilità di costruire “bombe di nuovo tipo”, Einstein conclude sottolineando la necessità di agire tempestivamente e di “istituire un collegamento permanente fra il governo e il gruppo di fisici che si occupano della reazione a catena in America” in considerazione del fatto che in Germania potrebbero essere in corso ricerche analoghe. Roosevelt istituisce un Advisory Committee on Uranium, per il coordinamento delle ricerche sulla fissione svolte nei diversi laboratori degli Stati Uniti. Fermi e Szilard vengono invitati regolarmente alle riunioni. Il comitato riesce a ottenere una certa quantità di fondi per proseguire le ricerche sulla reazione a catena da parte delle forze armate americane. Durante l’estate Fermi si trasferisce ad Ann Arbor, alla scuola estiva di Fisica Teorica, dove era già stato in precedenza. In questo periodo è in contatto epistolare con Szilard. Nel mese di luglio entrambi arrivano indipendentemente alla conclusione che l’acqua non è adatta come moderatore, perché assorbe i neutroni e che sia meglio tentare con la grafite.

Nel frattempo la sua attenzione è attratta dal dibattito molto vivo che riguarda la scoperta di due anni prima, nei raggi cosmici, di particelle instabili alle quali viene attribuita una massa pari a 100-200 volte quella dell’elettrone e una vita media, subito misurata da Bruno Rossi, di circa 2 microsecondi. L’ipotesi è che possa trattarsi del “quanto pesante” postulato da Yukawa come mediatore delle forze nucleari. Nel 1935, dopo aver letto il lavoro di Enrico Fermi sul decadimento b, il fisico giapponese Hideki Yukawa, facendo un’analogia tra il campo di forze coulombiano (a raggio d’azione infinito, a cui è associata una particella di massa nulla, il fotone) e campo delle forze nucleari, che decrescono molto rapidamente con la distanza, associa a quest’ultimo una “particella pesante”, di massa intermedia fra quella dell’elettrone e quella del protone. La particella individuata nei raggi cosmici da Carl Anderson e Seth Neddermeyer al California Institute of Technology viene battezzata “mesotrone”. Al suo ritorno alla Columbia Fermi scrive una breve nota sull’argomento (“The Absorption of Mesotrons in Air and in condensed Materials” [Assorbimento di mesotroni in aria e materiali condensati]).

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