Nuclei, Neutrini, Nobel La vita scientifica di Enrico Fermi

Nuclei, Neutrini, Nobel
La vita scientifica di Enrico Fermi
Dott. Alex Casanova1
1 Gruppo
Divulgazione Scientifica Dolomiti “E. Fermi”
Belluno, 29/01/2011
A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”)
E. Fermi: 1901-1954
Belluno, 29/01/2011
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Introduzione
A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”)
E. Fermi: 1901-1954
Belluno, 29/01/2011
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Introduzione
Perchè parlare di Fermi?
per parlare del suo lavoro, dei risultati che ha ottenuto e delle scoperte
che ha effettuato durante la sua vita;
per parlare di un’eccellenza tutta italiana;
perchè la vita scientifica di Enrico Fermi permette di ripercorrere la fisica
dei primi anni del novecento (un viaggio immaginario dall’atomo fino
alle particelle elementari).
A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”)
E. Fermi: 1901-1954
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Introduzione
Perchè parlare di Fermi?
per parlare del suo lavoro, dei risultati che ha ottenuto e delle scoperte
che ha effettuato durante la sua vita;
per parlare di un’eccellenza tutta italiana;
perchè la vita scientifica di Enrico Fermi permette di ripercorrere la fisica
dei primi anni del novecento (un viaggio immaginario dall’atomo fino
alle particelle elementari).
A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”)
E. Fermi: 1901-1954
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Introduzione
Perchè parlare di Fermi?
per parlare del suo lavoro, dei risultati che ha ottenuto e delle scoperte
che ha effettuato durante la sua vita;
per parlare di un’eccellenza tutta italiana;
perchè la vita scientifica di Enrico Fermi permette di ripercorrere la fisica
dei primi anni del novecento (un viaggio immaginario dall’atomo fino
alle particelle elementari).
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Introduzione
Perchè parlare di Fermi?
per parlare del suo lavoro, dei risultati che ha ottenuto e delle scoperte
che ha effettuato durante la sua vita;
per parlare di un’eccellenza tutta italiana;
perchè la vita scientifica di Enrico Fermi permette di ripercorrere la fisica
dei primi anni del novecento (un viaggio immaginario dall’atomo fino
alle particelle elementari).
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Argomenti
Dividerò la vita scientifica di Fermi in tre fasi principali:
1
1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac
2
1929-1934: la Teoria del Decadimento Beta
3
1934-1938: dai neutroni lenti al Premio Nobel
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1901-1922: la formazione
1901: Fermi nasce a Roma il 29 settembre;
luglio 1918: saltando il terzo anno, consegue la licenza liceale;
autunno 1918: Fermi viene ammesso alla Normale di Pisa.
“In matematica e fisica dimostrava di conoscere molti
argomenti non compresi nei nostri studi. Conosceva questi
argomenti non in modo scolastico, ma in maniera tale da potersene
servire con la massima abilità e consapevolezza. Già allora per lui
conoscere un teorema e una legge scientifica significava soprattutto
conoscere il modo di servirsene.”
Enrico Persico, “Commemorazione di Enrico Fermi”, Pisa, 1955
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1901-1922: la formazione
Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio.
Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta:
“Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford
“Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld
“Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl
In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora
poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e
la Relatività Generale).
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1901-1922: la formazione
Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio.
Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta:
“Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford
“Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld
“Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl
In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora
poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e
la Relatività Generale).
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Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio.
Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta:
“Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford
“Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld
“Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl
In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora
poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e
la Relatività Generale).
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1901-1922: la formazione
Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio.
Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta:
“Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford
“Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld
“Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl
In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora
poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e
la Relatività Generale).
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1901-1922: la formazione
Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio.
Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta:
“Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford
“Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld
“Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl
In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora
poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e
la Relatività Generale).
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1901-1922: la formazione
Nel luglio del 1922 Fermi si laurea cum laude e ottiene il diploma della Scuola
Normale con una tesi sperimentale sulle immagini di diffrazione dei raggi X.
Franco Rasetti ricorda anni dopo:
“A quell’epoca in Italia la fisica teorica non era considerata
una disciplina da insegnare nelle università e una tesi in quel
campo avrebbe rappresentato uno scandalo almeno per i membri
più anziani della facoltà. I fisici erano essenzialmente fisici
sperimentali e soltanto una tesi sperimentale sarebbe stata
accettata da loro come una vera tesi di fisica.[. . . ]Questo spiega
perché argomenti come la teoria dei quanti non avevano preso
piede in Italia: rappresentavano una terra di nessuno fra fisica e
matematica. Fermi fu il primo a colmare questa lacuna”
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1926: la cattedra in Fisica Teorica
1926: O.M. Corbino istituisce la prima
cattedra di Fisica Teorica in Italia.
1926: Fermi vince il concorso e a soli 25
anni diventa professore presso l’Università di
Roma.
Attorno a Fermi viene costruita una scuola di
fisica moderna all’avanguardia; sono i
“Ragazzi di Via Panisperna”: Franco
Rasetti, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi,
Ettore Majorana e, più tardi, Oscar
D’Agostino e Bruno Pontecorvo.
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1926: la cattedra in Fisica Teorica
1926: O.M. Corbino istituisce la prima
cattedra di Fisica Teorica in Italia.
1926: Fermi vince il concorso e a soli 25
anni diventa professore presso l’Università di
Roma.
Attorno a Fermi viene costruita una scuola di
fisica moderna all’avanguardia; sono i
“Ragazzi di Via Panisperna”: Franco
Rasetti, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi,
Ettore Majorana e, più tardi, Oscar
D’Agostino e Bruno Pontecorvo.
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1926: la cattedra in Fisica Teorica
1926: O.M. Corbino istituisce la prima
cattedra di Fisica Teorica in Italia.
1926: Fermi vince il concorso e a soli 25
anni diventa professore presso l’Università di
Roma.
Attorno a Fermi viene costruita una scuola di
fisica moderna all’avanguardia; sono i
“Ragazzi di Via Panisperna”: Franco
Rasetti, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi,
Ettore Majorana e, più tardi, Oscar
D’Agostino e Bruno Pontecorvo.
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La Scuola di Roma
“I Ragazzi di Via Panisperna” nel 1934 (O. D’Agostino, E. Segrè, E. Amaldi, F. Rasetti e E. Fermi).
A destra il Regio Istituto di Fisica nel 1881.
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1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac
1923: i primi lavori di Fermi riguardano la fisica atomica e la Meccanica
Quantistica.
1924: in “Considerazioni sulla quantizzazione dei sistemi che contengono
degli elementi identici”, Fermi conclude:
“L’insuccesso delle regole di Sommerfeld per il calcolo del
valore assoluto dell’entropia di un gas è evitato quantizzando il
moto di molecole identiche solo nel caso in cui in ogni cella sia
contenuta una sola molecola”
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1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac
Gennaio 1925: Principio di Esclusione di
Pauli
Tale principio afferma che due particelle
con spin semintero non possono essere
caratterizzate dalla stessa sequenza di
numeri quantici, ovvero una prima
particella con determinate proprietà
fisiche esclude automaticamente una
seconda particella identica.
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1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac
7 Febbraio 1926: Fermi presenta
all’Accademia dei Lincei l’articolo “Sulla
quantizzazione del gas perfetto
monoatomico”, dove formula la sua teoria sul
gas ideale di particelle che obbediscono al
Principio di Esclusione di Pauli.
26 Agosto 1926: Dirac presenta un lavoro
analogo alla Royal Society.
Nasce la Statistica di Fermi-Dirac; oggi tutte le particelle che soddisfano
questa legge vengono chiamate fermioni (elettroni, protoni, neutroni).
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1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac
Foto di gruppo durante un congresso internazionale di fisica, Como, settembre 1927
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Trent’anni di studi sperimentali:
1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio;
1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β;
1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento
beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro
continuo di energie;
1932: Chadwick scopre il neutrone.
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Trent’anni di studi sperimentali:
1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio;
1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β;
1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento
beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro
continuo di energie;
1932: Chadwick scopre il neutrone.
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Trent’anni di studi sperimentali:
1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio;
1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β;
1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento
beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro
continuo di energie;
1932: Chadwick scopre il neutrone.
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Trent’anni di studi sperimentali:
1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio;
1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β;
1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento
beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro
continuo di energie;
1932: Chadwick scopre il neutrone.
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Trent’anni di studi sperimentali:
1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio;
1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β;
1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento
beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro
continuo di energie;
1932: Chadwick scopre il neutrone.
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Processo elementare:
n → p+ + e−
Problemi:
apparente violazione del principio di conservazione dell’energia;
apparente presenza di elettroni all’interno del nucleo.
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Processo elementare:
n → p+ + e−
Problemi:
apparente violazione del principio di conservazione dell’energia;
apparente presenza di elettroni all’interno del nucleo.
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Processo elementare:
n → p+ + e−
Problemi:
apparente violazione del principio di conservazione dell’energia;
apparente presenza di elettroni all’interno del nucleo.
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Wolfgang Pauli:
“As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to
listen, will explain to you in more detail, because of the wrong
statistics of the N- and Li-6 nuclei and the continuous beta
spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the
“exchange theorem” of statistics and the law of conservation of
energy. Namely, the possibility that in the nuclei there could exist
electrically neutral particles, which I will call neutrons [. . . ]
The continuous beta spectrum would then make sense with the
assumption that in beta decay, in addition to the electron, a neutron
is emitted such that the sum of the energies of neutron and electron
is constant.”
Lettera del 4 Dicembre 1930
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Enrico Fermi:
“Teoria dell’emissione dei raggi beta della sostanze radioattive,
fondata sull’ipotesi che gli elettroni emessi dai nuclei non esistano
prima della disintegrazione ma vengano formati, insieme ad un
neutrino, in modo analogo alla formazione di un quanto di luce che
accompagna un salto quantico da un atomo. Confronto della teoria
con l’esperienza”
Tentativo di una Teoria dell’Emissione dei Raggi β, 1933
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Nuovo processo elementare:
n → p+ + e− + neutrino
Da sottolineare:
non esistono elettroni nel nucleo; questi vengono creati insieme ai
neutrini;
analogia con il caso elettromagnetico dei fotoni.
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Nuovo processo elementare:
n → p+ + e− + neutrino
Da sottolineare:
non esistono elettroni nel nucleo; questi vengono creati insieme ai
neutrini;
analogia con il caso elettromagnetico dei fotoni.
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1929-1934: la Teoria del Decadimento β
Nuovo processo elementare:
n → p+ + e− + neutrino
Da sottolineare:
non esistono elettroni nel nucleo; questi vengono creati insieme ai
neutrini;
analogia con il caso elettromagnetico dei fotoni.
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1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel
Gennaio 1934: i coniugi Joliot-Curie
annunciano la scoperta della
radioattività artificiale. (“Artificial
production of a new type of
radioelements”, Nature).
30
α + 27
13 Al → 15 P + n
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1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel
Marzo 1934: pubblicato
“Radioattività indotta da
bombardamento di neutroni”.
In particolare:
vengono utilizzati come proiettili
i neutroni;
vengono effettuati studi
sistematici “lungo” la tavola
periodica.
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1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel
Ottobre 1934: pubblicato “Azione di
sostanze idrogenate sulla radioattività
provocata da neutroni”.
In particolare:
le sostanze contenenti idrogeno
(acqua, paraffina) rallentano i
neutroni;
i neutroni “lenti” sono più
efficaci.
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1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel
1935-1936: Pontecorvo, Rasetti e Segrè si trasferiscono all’estero (Segrè
vincerà il Nobel nel 1959)
Gennaio 1937: muore Orso Mario Corbino
Luglio 1937: muore Guglielmo Marconi
Luglio 1938: pubblicato in Italia il Manifesto della Razza
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1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel
Il 10 dicembre 1938 Fermi
riceve il premio Nobel
“for his demonstrations of the
existence of new radioactive
elements produced by neutron
irradiation, and for his related
discovery of nuclear reactions
brought about by slow
neutrons”
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Conclusioni
Riassumendo, Fermi:
fu un grande fisico teorico e sperimentale;
fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia;
fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con
grande disinvoltura e capacità di comprensione;
fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri
(interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare)
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Conclusioni
Riassumendo, Fermi:
fu un grande fisico teorico e sperimentale;
fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia;
fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con
grande disinvoltura e capacità di comprensione;
fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri
(interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare)
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Conclusioni
Riassumendo, Fermi:
fu un grande fisico teorico e sperimentale;
fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia;
fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con
grande disinvoltura e capacità di comprensione;
fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri
(interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare)
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Conclusioni
Riassumendo, Fermi:
fu un grande fisico teorico e sperimentale;
fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia;
fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con
grande disinvoltura e capacità di comprensione;
fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri
(interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare)
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Conclusioni
Riassumendo, Fermi:
fu un grande fisico teorico e sperimentale;
fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia;
fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con
grande disinvoltura e capacità di comprensione;
fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri
(interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare)
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Conclusioni
“Se le ricerche di Fermi fossero state pubblicate sotto il nome di
diversi autori, quanti premi Nobel sarebbero stati assegnati? Credo
non meno di sei”
Bruno Pontecorvo
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Fermi e le Dolomiti
Estate 1938: Fermi mentre arrampica a S. Martino di Castrozza.
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Bibliografia
L. Bonolis.
“Cronologia dell’opera scientifica di Enrico Fermi”.
in “Conoscere Fermi”, a cura di C.Bernardini e L.Bonolis,
Editrice Compositori, Bologna, 2001, pp. 319-377.
L. Bonolis.
“Pauli, Fermi e i misteri del decadimento beta”.
La Fisica nella Scuola, XXXVIII:100-119, 2005.
E. Fermi.
“Artificial radioactivity produced by neutron bombardment”.
Nobel Lecture, Dicembre 1938.
Sito dedicato a Fermi e alla sua scuola:
http://www.accademiaxl.it/Biblioteca/Virtuale/Ipertesti/ScuolaFermi/home.html.
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Contatti
Sito internet: www.gdsdolomiti.org
Indirizzo e-mail: [email protected]
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