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Enrico Fermi: Un Icono de Fermilab

September 9, 2023
Elba M Sepulveda
Fermilab and Enrico Fermi in a natural and futuristic background
Fermilab and Enrico Fermi in a natural and futuristic background

Objetivos:

Terminada la lección podrás:

  • Explicar los apuntes biográficos de Enrico Fermi.

Elba M Sepulveda

Apuntes biográficos

Enrico Fermi, fue un gran  físico italiano conocido por desarrollar el primer reactor nuclear.  Además hizo grandes contribuciones al desarrollo de la teoría cuántica, la física nuclear, de partículas, y la mecánica cuántica.  Conocido por sus trabajos pioneros, especialmente sobre los neutrones, permitió un gran desarrollo de la Física del núcleo. Enrico Fermi nació en Roma  el 29 de Septiembre de 1901. Su padre, Alberto Fermi, era Inspector General del Ministerio de Comunicaciones, y su madre, Ida de Gattis, era maestra en una escuela.

Edad Escolar

Desde la edad escolar manifestó una gran aptitud para los estudios de Física y Matemáticas, lo que motivó que los colegas de su padre le animasen a seguir sus estudios en esa dirección. Se interesó por la Física a los 14 años de edad, tras la lectura de un viejo texto escrito en latín. Su historial académico fue excelente, disfrutando de una gran memoria que le permitía recitar la Divina Comedia de Dante y obras  de Aristóteles. Gozaba de una gran facilidad para resolver problemas de física teórica y una gran capacidad de síntesis.

Su Juventud

En su juventud, Enrico disfrutaba aprendiendo física y matemáticas y compartiendo sus intereses con su hermano mayor, Giulio. Posteriormente, Enrico trabó amistad con otro estudiante interesado en la ciencia llamado Enrico Pérsico, y los dos colaboraron en proyectos científicos tales como la construcción de un giroscopio, y la medición del campo magnético de la Tierra. El interés de Fermi por la Física fue en aumento cuando un amigo de su padre le regaló varios libros sobre física y matemáticas, que leyó con gran avidez.

Años universitarios

En 1918 ganó una beca para estudiar en la Escuela Normal Superior de Pisa, en la que defendió su tesis doctoral bajo la dirección del profesor Puccianti en 1922. En 1923 recibió una ayuda del gobierno italiano para una estancia de varios meses en Göttingen, con el profesor Max Born. Una nueva beca de la fundación Rockefeller en 1924, le llevó a Leyden para trabajar con Paul Ehrenfest y al final de ese mismo año, volvió a Italia para ejercer por dos años (1924-26) el puesto de profesor de Física matemática y Mecánica en la Universidad de Florencia.

Estadística Fermi-Dirac

En 1926 descubrió las leyes de la estadística conocida ahora como Estadística de Fermi-Dirac. Esta gobierna el comportamiento de las partículas sometidas al principio de exclusión de Pauli, a las que se les llama fermiones, en su honor.

Orso Mario Corbino, físico, ministro, senador y director del Instituto de Física en la Vía Panisperna, reconoció las cualidades de Enrico Fermi. En 1926 instituyó para él la primera Cátedra de Física Teórica en Italia. Le designó la tarea de devolver a Italia la posición que había tenido la Física en los tiempos de Volta. Desde 1929, Fermi y Corbino se dedicaron a la transformación del instituto en un centro de investigación moderno.

Su estancia en Roma

Durante los primeros años de su estancia en Roma, buscó jóvenes científicos capaces de revitalizar la Física en su laboratorio.  Los chicos de la Vía Panisperna (en italiano, I ragazzi di Via Panisperna) fue el  grupo de jóvenes científicos liderados por Enrico Fermi. El apodo del grupo deriva del nombre de la calle donde se encontraba el Departamento de Física de la Universidad de la Sapienza, en Roma. La calle tomaba su nombre del monasterio de San Lorenzo en Panisperna que se encuentra en la vecindad.

Segunda Guerra Mundial

Además de Fermi, otros miembros del grupo eran Edoardo Amaldi, Oscar D’Agostino, Ettore Majorana, Bruno Pontecorvo, Franco Rasseti y Emilio Segrè. Todos ellos eran físicos, a excepción de D’Agostino, que era químico. Durante la segunda guerra Mundial el grupo se disolvió, y la mayor parte de sus miembros emigraron. Sólo Edoardo Amaldi permaneció en Italia, contribuyendo a la fundación del CERN durante la reconstrucción de la física italiana en la posguerra.

Investigaciones en laboratorio

En los primeros años, la investigación en el laboratorio estuvo especialmente dedicada a la espectroscopia atómica y molecular; posteriormente, se centraron en los estudios experimentales del núcleo atómico. Entre sus líneas de investigación estuvo el bombardeo de varias sustancias con neutrones, obtenidos irradiando berilio con partículas alfa emitidas por radón, un gas fuertemente radiactivo que emite un alto número de partículas radiactivas. En la parte teórica, el trabajo de Majorana y Fermi permitió entender la estructura del núcleo atómico y las fuerzas que actúan en él, conocidas comúnmente como Majorana Forces.

Transformaciones nucleares

Continuando el descubrimiento de la radiactividad artificial de Curie y Joliot (1934), demostró que una transformación nuclear ocurre en casi todos los elementos cuando son bombardeados con neutrones. Su primer trabajo sobre este tema fue publicado por la revista Ricerca Scientifica en 1934.bajo el título “Radioattività indotta dal bombardamento di neutroni”.

Este trabajo propició la producción de neutrones lentos que ese mismo año  llevaron a descubrir la fisión nuclear y la síntesis de nuevos elementos en el extremo de la Tabla Periódica. Con sus colaboradores, bombardeó con neutrones 60 elementos, logrando obtener isótopos de 40 y la transmutación de átomos del elemento 92, uranio, en átomos de un elemento 93, neptunio, no existente en la naturaleza.

Teoría de la desintegración beta

En 1934 formuló su teoría sobre la desintegración beta, apoyándose en trabajos previos sobre radiación y en la idea del neutrino de Pauli. La publicación de este trabajo llevó al físico Victor Weisskopf a afirmar: un escrito fantástico, que, en mi opinión, ha quedado como monumento a la intuición de Fermi… La descomposición beta, con la idea de Fermi, permanece aparte del resto de la física nuclear, porque es la creación de partículas.

Recibió el premio Nobel en física

En 1938 Fermi fue sin duda alguna el mayor experto en neutrones y recibió el premio Nobel de Física  que le fue concedido por sus trabajos sobre la radioactividad artificial utilizando neutrones y por los estudios de las reacciones nucleares provocadas con neutrones lentos. Después de recoger el Premio Nobel viajó a Estados Unidos huyendo de las leyes raciales del Fascismo promulgadas por Mussolini, que ponían en peligro la libertad de su mujer que era judía.  Allí continuó su trabajo en su nueva residencia de los EEUU, donde fue nombrado profesor de Física en la Universidad de Columbia (1932-1942).

Reacción en Cadena

Después del descubrimiento de la fisión por Hahn y Strassmann en los comienzos de 1939, vió la posibilidad de la emisión de neutrones secundarios y por tanto de la reacción en cadena. Trabajó intensamente en este tema y dirigió una serie de experimentos que le condujeron a la construcción de la primera pila atómica y a obtener la primera reacción nuclear de fisión controlada.

Esta reacción nuclear tuvo lugar en el 2 de diciembre de 1942 en una pista de squash situada en el estadio de Chicago. Posteriormente desempeñó un papel importante, como jefe de grupo, en el Proyecto Manhattan, que llevó a la construcción en el Laboratorio de Los Álamos de las primeras bombas atómicas.    

Problema de los Rayos Cósmicos

En 1944 Fermi se hizo ciudadano americano. Al final de la guerra (1946) aceptó una plaza de profesor en el Instituto de Estudios Nucleares de la Universidad de Chicago, que mantuvo hasta el día de su muerte en 1954.

Allí centró su atención hacia la Física de altas energías, y dirigió las investigaciones sobre las interacciones entre los nucleones a través de piones. Durante los últimos años de su vida se ocupó del problema del origen de los rayos cósmicos, desarrollando una teoría según la cual un campo magnético existente en el Universo,  actuaría como un gigante acelerador y explicaría las enormes energías presentes en los rayos cósmicos.

Propiedades Atómicas

Fermi ha sido autor de numerosos trabajos tanto en Física teórica como experimental, entre los que podemos destacar los relacionados con la estadística del gas de electrones y de las partículas que obedecen al principio de exclusión de Pauli, un modelo estadístico del átomo (modelo de Thomas-Fermi) que proporciona un método semicuantitativo para calcular propiedades atómicas, una teoría cuantitativa de la estructura hiperfina de las líneas del espectro atómico que permiten deducir los momentos magnéticos de algunos núcleos y la teoría de la emisión beta basada en la hipótesis previa de la existencia del neutrino propuesta por Pauli.

Memorias de Fermi

Además de unas doscientas memorias aparecidas en varias revistas de Italia y de otras naciones, publicó cuatro libros: Introduzione alla Fisica atomica (1928), Molecole e cristalli (1934), Thermodynamics (1937) y Elementary particles (1951).

La figura de Fermi destaca en la historia de la Física no sólo por sus dotes de investigador, sino también por sus elevadas cualidades de maestro. Fueron muy solicitadas sus cursos y conferencias, sobre todo en las Universidades de Ann Arbor, Michigan y Stanford, Fue el primero en ganar un premio de $50,000 que ahora lleva su nombre, por trabajos sobre el átomo.

Los nombres en ciencia

Los fermiones, el Fermi National Accelerator Laboratory, el elemento químico Fermio y la estadística de Fermi-Dirac reciben el nombre en su honor. El Premio Presidencial Enrico Fermi fue establecido en 1956 en recuerdo de sus logros científicos y su excelencia como científico. El departamento de la Universidad de Chicago en el que trabajó durante varios años se llama en la actualidad Instituto Enrico Fermi.

Su familia

Enrico Fermi se casó con Laura Capon en 1928 y tuvieron dos hijos, Giulio  y Nella. Sus pasatiempos fueron el paseo, el montañismo y los deportes de invierno. Murió en Chicago el 28 de noviembre de 1954.

Elba M Sepulveda

Simulación

Modelo atómico de J.J. Thompson

Modelo atómico de Rutherford

Modelo atómico de Niels Bohr

Modelo atómico de Arnold Sommerfeld

Modelo atómico de Erwin Schrödinger

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