ENRICO FERMI E LA SCUOLA DI ROMA

1. ENRICO FERMIE LA SCUOLA DI ROMA Luisa Bonolis luisa.bonolis@roma1.infn.it

2. “Il moderno stabilimento scientifico” costruito sul Viminale tra il 1877 e il 1880 su progetto di Pietro Blaserna, il suo primo direttore

3. Orso Mario Corbino nel 1908

5. 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.

6. «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». Una cattedra per Fermi

7. Fermi e Rasetti a via Panisperna

8. 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

9. 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

10. I professoridi 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)

11. 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

12. «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 Le lezioni di Corbino

13. 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 dimostrazione esatta.».

14. «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 La Scuola di Ingegneria

15. Vacanze in montagnacon i “logaritmi”

16. «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

17. Il Convegno di Como11-20 settembre 1927

18. 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.

19. Le vacanze di Majorana

20. Il Regio Istituto Fisico di via Panisperna

21. La scuola di Via Panisperna «…”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) «Nessuno lo notò, ma ero diventato, almeno ufficialmente, il primo allievo di Fermi ed era nata la scuola di fisica di Roma» EmilioSegrè

22. 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

23. Studenti a via Panisperna

24. Ettore Majorana con le sorelle. A destra Giovanni Gentile Jr.

26. Il primo Congresso di fisica nucleare. Roma - 1931

27. Enrico Fermi e Franco Rasetti, Convegno di Fisica nucleare, Roma 1931

28. Enrico Fermi e Bruno Rossi Convegno di fisica nucleare Roma, 1931

29. James Chadwick

30. 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 .

31. 1933: le leggi razziali in Germania

32. “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”. 22-29 ottobre 1933 VII Convegno Solvay

33. 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. Facile, vero?” La creazione e l’annichilazione di nuove particelle Agosto 1932, Iwanenko: “L’espulsione di un elettroneè 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”.

35. p n 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. 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.

36. Frédéric Joliot e Irène Curie, 1934

37. Fermi in laboratorio

38. Attrezzatura, sorgenti radioattive e quaderno di laboratorio del gruppo di Fermi a via Panisperna

40. 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

41. “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 e Rasetti’…”

42. Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Ettore Majorana, Bruno Pontecorvo

43. “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 paraffina, invece che di piombo…” Via Panisperna Autunno 1934

44. I neutroni lenti 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 Fermi e i suoi collaboratori a prendere un brevetto.

46. Corbino si prende cura del valore delle applicazioni: il brevetto dei neutroni lenti

47. 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”.

48. 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.

49. Enrico Fermi e Edoardo Amaldi, estate 1938