ENRICO FERMI
E LA SCUOLA DI
ROMA
Luisa Bonolis
[email protected]
“Il moderno stabilimento
scientifico” costruito sul
Viminale tra il 1877 e il
1880 su progetto di Pietro
Blaserna, il suo primo
direttore
Orso Mario Corbino nel 1908
Dall’autunno del 1924 fino ai primi mesi del 1926
Fermi insegna meccanica teorica e fisica matematica
all’Università di Firenze dove ritrova l’amico
Rasetti, che all’epoca è assistente universitario
Nel gennaio 1925 Pauli pubblica il suo famoso
articolo sul principio di esclusione. Nell’estate dello
stesso anno Heisenberg, Born e Jordan gettano le
basi della nuova meccanica quantistica.
1926 - Esce l’articolo Sulla quantizzazione del gas perfetto
monoatomico, il celebre lavoro nel quale Fermi formula la teoria di un
gas ideale di particelle che obbediscono al principio di esclusione di
Pauli. P.A.M. Dirac sviluppa questo tipo di statistica indipendentemente
da Fermi.
La prima applicazione della statistica di Fermi-Dirac viene fatta in
ambito astrofisico. Il 10 dicembre dello stesso anno R. H. Fowler
presenta alla Royal Society un lavoro intitolato Dense Matter [Materia
densa] in cui mostra che un gas di elettroni all’interno di una nana bianca
deve essere un "gas di Fermi" degenere.
Una cattedra per Fermi
«La Commissione, esaminata la vasta e
complessa opera scientifica del prof. Fermi, si
è trovata unanime nel riconoscerne le qualità
eccezionali e nel constatare che egli, pure in
così giovane età e con pochi anni di lavoro
scientifico, già onora altamente la fisica
italiana. […] egli è oggi il più preparato e il
più degno per rappresentare il nostro Paese in
questo campo di così alta e febbrile attività
scientifica mondiale. La commissione pertanto
è unanime nel dichiarare che il prof. Fermi è
altamente meritevole di coprire la cattedra di
fisica teorica messa a concorso e ritiene di
poter fondare su lui le migliori speranze per
l'affermazione e lo sviluppo futuro della fisica
teorica in Italia».
Fermi e Rasetti a
via Panisperna
I colori dell’arcobaleno
«Non riesco a ricordare l’origine remota del
mio interesse per la fisica…
Appena cominciai a leggere mi appassionai di
libri che parlavano di scienza, come Le
ricreazioni scientifiche…
Possiedo ancora un quadernino datato 27
marzo 1912…»
Emilio Segrè
La scelta della
facoltà
«Terminai la scuola superiore nel luglio del 1922, mi immatricolai
in ingegneria in base a un processo di eliminazione. I primi due
anni introduttivi erano comuni a ingegneria, fisica e matematica
[…] L’idea di una carriera come fisico sembrava ben lontana
dall’essere attraente perché offriva scarse speranze di trovare un
impiego qualsiasi. I miei genitori, e io stesso, vedevano
certamente con favore una carriera universitaria, ma questo
tentativo appariva piuttosto rischioso perché all’epoca esistevano
ben poche prospettive in Italia – in totale circa venti cattedre di
fisica, tutte occupate. Al massimo si liberava un posto l’anno a
causa di pensionamenti o morti. Per di più mi chiedevo con un
certo timore se in Italia la fisica fosse aggiornata…In ogni caso il
biennio preparatorio avrebbe procrastinato una decisione
definitiva, così decisi di iscrivermi.»
Emilio Segrè
I professori
di
Emilio
Segrè
Guido Castelnuovo
Francesco Severi
«Nel mio primo anno di università studiai algebra con il professor
Francesco Severi, geometria con il professor Guido Castelnuovo
e chimica con il professor Nicola Parravano. Seguii anche un
corso di disegno. Severi faceva delle lezioni eccellenti […]
Castelnuovo era un esempio di chiarezza e nonostante la sua
voce monotona, che induceva al sonno, si imparavano cose
nuove e interessanti. Molto presto, tuttavia, mi venne il sospetto
che il chimico Parravano non sapesse sempre di cosa stava
parlando. A casa avevo trovato un trattato di fisica-chimica di
Walther Nernst e confrontando ciò che avevo imparato da quello
con ciò che insegnava Parravano, conclusi che aveva travisato
parecchie cose, o che almeno le capiva in modo diverso da
me…» (Emilio Segrè)
Le lezioni di fisica e di
matematica
Orso Mario Corbino
«Al secondo anno Severi ci insegnava l’analisi, il
Senatore Orso Mario Corbino, capo del dipartimento,
ci insegnava la fisica (praticamente soltanto
l’elettricità), Pittarelli la geometria descrittiva e
Tullio Levi Civita la meccanica razionale. Nei primi
due anni di università nessuno ci insegnò termologia
o ottica, e tanto meno argomenti di fisica moderna».
Emilio Segrè
Tullio Levi-Civita
Le
lezioni
di
Corbino
«Corbino faceva lezione
nell’aula principale, dove le
file arcuate dei banchi
digradavano ripide verso la
cattedra. Corbino, di statura
bassissima, grassottello e
vivacissimo, entrava nell’aula
a passetti affrettati, si
arrampicava su per i tre o
quattro gradini che portavano
alla cattedra, quasi spariva
dietro a questa. Girava sulla
scolaresca le pupille
puntiformi e mobilissime, e
cominciava a parlare. L’aula
gremita si faceva d’un tratto
silenziosa. L’elettricità
sembrava quasi divertente.»
Laura Fermi
Un genio per
compagno:
Ettore Majorana
«Una volta, non avendo preparato a sufficienza la lezione, Severi
iniziò la dimostrazione di un teorema prendendo una strada
sbagliata. Majorana sussurrò immediatamente che ben presto si
sarebbe trovato nei guai, così che tutti eravamo preparati a quello
che sarebbe accaduto. Dopo un minuto o due la faccia di Severi
diventò rossa e fu evidente che non sapeva come continuare.
Alcune voci mormorarono: “Majorana l’aveva previsto”. Severi non
sapeva chi fosse Majorana, ma disse con aria sprezzante: “Allora
che venga avanti, questo signor Majorana ”. Ettore fu spinto alla
lavagna, dove cancellò quello che aveva scritto Severi e fornì la
La Scuola di
Ingegneria
«Le lezioni erano all’una, non esattamente un’ora
piacevole per Roma, ma l’insegnante presentava gli
argomenti in un modo affascinante. L’esposizione
sembrava una sorta di soap opera, e alla fine di ogni
lezione mi chiedevo che cosa ci avrebbe riservato
quella successiva: Nuove singolarità? Nuovi sviluppi
in serie di potenze?»
Emilio Segrè
Vacanze in
montagna
con i
“logaritmi”
«Mi sfidò a calcolare le vibrazioni di una
corda pesante che dondolava, cosa che feci
con sua soddisfazione. Così cominciò la
nostra amicizia».
Emilio Segrè
Ostia, estate 1927
Il Convegno di
Como
11-20 settembre 1927
Il convegno di Como
Dall’ 11 al 20 settembre 1927 si svolgeva a Como un Convegno
internazionale di fisica per commemorare il centenario della
morte di Alessandro Volta. Alla conferenza di Sommerfeld ci fu
un pienone, tutti volevano ascoltare il grande Sommerfeld che
parlava di Fermi, praticamente l’unico fisico italiano menzionato
durante il convegno. La statistica di Fermi si era infatti rivelata
uno strumento fondamentale nella teoria elettronica dei metalli,
infatti il suo campo di applicazione più immediato scaturisce dal
considerare gli elettroni nei conduttori come un “gas di Fermi”.
Nel lavoro Sulla degenerazione del gas e il paramagnetismo, in
cui «La statistica quantica del gas perfetto monoatomico che è
dovuta a Fermi […] viene estesa al caso in cui gli atomi del gas
possiedano spin», Pauli considera appunto gli elettroni di
conduzione all’interno di un metallo come un gas perfetto
degenere per spiegare il debole paramagnetismo dei metalli.
Le vacanze di
Majorana
Il Regio Istituto Fisico di via Panisperna
La scuola di Via
Panisperna
«Nessuno lo notò, ma ero diventato, almeno
ufficialmente, il primo allievo di Fermi ed era nata la
scuola di fisica di Roma» Emilio Segrè
«…”Credo che se ci sono persone in grado
di fare uno sforzo adeguato, questo è il
momento giusto per cambiare da ingegneria
a fisica…e se cambiate ci saranno un bel
po’ di opportunità per fare un lavoro molto
interessante” … Per due anni ero stato
molto interessato, ma in un certo senso non
avevo avuto il coraggio di farlo. Questa era
l’occasione per decidere di cambiare. Così
mi iscrissi a fisica». (Edoardo Amaldi)
Majorana visita
l’Istituto di fisica
«Egli venne all’Istituto di Fisica di Via
Panisperna e fu accompagnato da
Segrè nello studio di Fermi ove si
trovava anche Rasetti. Fu in
quell’occasione che io lo vidi per la
prima volta. Da lontano appariva
smilzo, con un’andatura timida quasi
incerta; da vicino si notavano i capelli
nerissimi, la carnagione scura, le gote
lievemente scavate, gli occhi
vivacissimi e scintillanti: nell’insieme,
l’aspetto di un saraceno». Edoardo
Amaldi
Studenti a
via Panisperna
Ettore Majorana con le sorelle.
A destra Giovanni Gentile Jr.
Enrico Fermi e Franco Rasetti, Convegno di Fisica nucleare, Roma 1931
Enrico Fermi e Bruno Rossi
Convegno di fisica nucleare Roma, 1931
James Chadwick
2 giugno 1933, Pauli a Heisenberg : «Per quanto riguarda la fisica nucleare sono tuttora
fortemente convinto della validità del teorema dell’energia nel decadimento , se si
considera l’emissione di altre particelle leggere molto penetranti. Credo anche che il
carattere di simmetria dell’intero sistema, così come l’impulso, debbano essere sempre
conservati in tutti i processi nucleari».
I primi modelli di nucleo
con neutroni:
Heisenberg, Wigner,
Majorana
Gli elettroni diventano ospiti imbarazzanti nel nucleo, ma nonostante la
scoperta del neutrone non significa che subito venga messo da parte
il modello e-p. Ancora è difficile rinunciare all’idea che nei processi
beta gli elettroni vengano fuori dai nuclei se non si trovano già là.
Nonostante la natura puramente fenomenologica di questi primi modelli
di nucleo dopo la scoperta del neutrone il soggetto era ormai
abbastanza lanciato. Tuttavia rimaneva il mistero non risolto
dell’origine dinamica del decadimento .
22-29 ottobre 1933
VII Convegno
Solvay
Così, durante il convegno Solvey sui nuclei atomici, a Bruxelles nell’ottobre 1933,
ebbe luogo una chiarificazione generale…Ormai era evidente che, sulla base di
questa concezione della struttura nucleare, i neutrini, come ora venivano chiamati,
dovevano essere fermioni per conservare la statistica nel decadimento beta. Inoltre
Ellis ci mise al corrente di un nuovo esperimento effettuato dal suo studente W. J.
Henderson, che stabiliva un limite superiore netto allo spettro beta e ne
consolidava la sua interpretazione. Alla luce delle nuove circostanze, le mie
precedenti precauzioni nel differire la pubblicazione ora apparivano non
necessarie. Alla fine della relazione di Heisenberg comunicai le mie idee sul
neutrino”.
La creazione e
l’annichilazione di
nuove particelle
Agosto 1932, Iwanenko: “L’espulsione di un elettrone
è simile alla nascita di una nuova particella”.
Dicembre 1933, Perrin :“Il neutrino...non pre-esiste
nel nucleo atomico, è creato all’atto dell’emissione,
come il fotone”.



Fermi a Occhialini (in data non identificata):
“Quando facciamo gli esami chiamiamo per nome uno studente, si apre la
porta e quello entra: e noi pensiamo che, prima della chiamata, lo studente
se ne stesse in corridoio in attesa. Così che quando ci sembra che un
elettrone se ne scappi fuori da un nucleo, crediamo che, prima di uscire,
quell’elettrone se ne stesse già là dentro.
Le cose non vanno in questo modo. E’ come se, quando la porta si apre, lo
studente di colpo venisse creato sulla soglia. Prima, insomma, non stava da
nessuna parte. Ecco che cosa fanno questi elettroni.
L’ “intuito fenomenale” di Fermi
Secondo Fermi il decadimento beta del nucleo
è dovuto a un nuovo tipo di interazione tra i
quattro fermioni implicati nel processo di
decadimento beta. Questa interazione causa la
trasformazione di un neutrone nel nucleo in un
protone con la simultanea produzione di una
coppia elettrone-neutrino.
p
e
e
n
Il modello più semplice consisteva
nell’assumere una interazione puntiforme con
una costante di accoppiamento g. Fermi
assume quindi che l’interazione sia
proporzionale alla sovrapposizione della
funzione d’onda delle particelle presenti negli
stati iniziali e finali, nello stesso punto dello
spazio.
Fermi fu guidato in questo campo
completamente nuovo dall’analogia con
l’elettrodinamica.
Frédéric Joliot e Irène Curie, 1934
Fermi in laboratorio
Attrezzatura, sorgenti radioattive e quaderno di
laboratorio del gruppo di Fermi a via Panisperna
Caro Fermi…
I suoi risultati
sono di grande
interesse…
Mi congratulo
con lei per la
sua fuga dalla
sfera della
fisica teorica,
coronata da
successo!…
Rutherford
“Sono nato a Pisa nel 1913 in
una numerosa famiglia
benestante…A scuola ero
moderatamente bravo, ma la
cosa più importante nella mia
vita era il tennis, di cui mi picco
a tutt’oggi di essere un
profondo conoscitore. Entrai
alla Facoltà di Ingegneria
dell’Università di Pisa ed ebbi
voti decenti durante il biennio. A
me però non piaceva il disegno,
cosicché, terminato il biennio,
decisi di abbandonare gli studi
di ingegneria e di iscrivermi al
terzo anno di fisica. Mio fratello
Guido affermava con autorità:
‘Fisica! Vuol dire che devi
andare a Roma. Lì ci sono Fermi
Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Ettore
Majorana, Bruno Pontecorvo
“Dopo essermi laureato all’Università di
Roma fui nominato assistente del
Dipartimento di Fisica…Fui molto
contento quando, al ritorno dalle
vacanze, mi fu chiesto di dare una
mano negli esperimenti con i
neutroni…Amaldi e io dovevamo
effettuare misure quantitative delle
attività indotte dai neutroni in varie
sostanze…Tuttavia, anche nel caso più
semplice, quando veniva misurata
perfino l’attività di un solo campione (un
cilindro standard d’argento) succedeva
che risultava difficile riprodurre i
risultati…Non riuscivamo a trovare una
spiegazione alle irregolarità dell’attività
indotta…Rasetti, essendo uno scettico,
non credeva ai nostri risultati. Fermi
disse di continuare gli esperimenti, ma
non sembrava particolarmente
interessato…Diversi giorni più tardi…la
mattina del 22 ottobre, Fermi decise di
misurare la radioattività del cilindro
d’argento facendo passare i neutroni
della sorgente attraverso un cuneo di
I neutroni lenti
La sera stessa il gruppo scrive una lettera per la "Ricerca Scientifica"
Azione di sostanze idrogenate sulla radioattività provocata dai neutroni1 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 Fermi e i suoi collaboratori a prendere un
brevetto.
Corbino si prende cura del
valore delle applicazioni: il
brevetto dei neutroni lenti
Fermi e Amaldi - 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. 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”.
Modello del nucleo composto
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.
Enrico Fermi e Edoardo Amaldi, estate 1938
«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»
–
Il nuovo istituto di Fisica
dell’Università di Roma