Enrico Fermi

Enrico Fermi (italienisch: [enˈriːko ˈfermi]; 29. ​​September 1901 – 28. November 1954) war ein angesehener italienisch-amerikanischer Physiker, der weithin für seine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des weltweit ersten künstlichen Kernreaktors, dem Chicago Pile-1, und für seine Beteiligung am Manhattan-Projekt bekannt war. 1938 erhielt er den Nobelpreis für Physik für „seine Demonstrationen der Existenz neuer radioaktiver Elemente, die durch Neutronenbestrahlung erzeugt werden, und für seine damit verbundene Entdeckung von Kernreaktionen, die durch langsame Neutronen hervorgerufen werden“. Fermi wurde posthum sowohl als „Architekt des Atomzeitalters“ als auch als „Architekt der Atombombe“ bezeichnet. Insbesondere gehörte er zu den wenigen Physikern, die außergewöhnliche Kenntnisse sowohl in der theoretischen als auch in der experimentellen Physik erlangten. In Zusammenarbeit mit seinen Kollegen reichte Fermi mehrere Patente für Kernenergieanwendungen ein, die anschließend alle von der US-Regierung erworben wurden. Seine bedeutenden Beiträge umfassten die Entwicklung der statistischen Mechanik, der Quantentheorie und der Bereiche Kern- und Teilchenphysik.

Enrico Fermi (Italienisch: [enˈriːkoˈfermi]; 29. September 1901 – 28. November 1954) war ein italienisch-amerikanischer Physiker, bekannt als Schöpfer des weltweit ersten künstlichen Kernreaktors, des Chicago Pile-1, und Mitglied des Manhattan-Projekts. Er erhielt 1938 den Nobelpreis für Physik „für seinen Nachweis der Existenz neuer radioaktiver Elemente, die durch Neutronenbestrahlung erzeugt werden, und für seine damit verbundene Entdeckung von Kernreaktionen, die durch langsame Neutronen hervorgerufen werden“. Er wurde als „Architekt des Atomzeitalters“ und „Architekt der Atombombe“ bezeichnet. Er war einer der wenigen Physiker, die sowohl in der theoretischen als auch in der experimentellen Physik hervorragende Leistungen erbrachten. Zusammen mit seinen Kollegen meldete Fermi mehrere Patente im Zusammenhang mit der Nutzung der Kernenergie an, die alle von der US-Regierung übernommen wurden. Er leistete bedeutende Beiträge zur Entwicklung der statistischen Mechanik, der Quantentheorie sowie der Kern- und Teilchenphysik.

Fermis erster bedeutender Beitrag lag im Bereich der statistischen Mechanik. Im Anschluss an Wolfgang Paulis Formulierung des Ausschlussprinzips im Jahr 1925 veröffentlichte Fermi einen Artikel, in dem er dieses Prinzip auf ein ideales Gas anwendete und dabei einen statistischen Rahmen verwendete, der heute als Fermi-Dirac-Statistik bezeichnet wird. Derzeit werden Teilchen, die dem Ausschlussprinzip folgen, als „Fermionen“ bezeichnet. Pauli stellte daraufhin die Hypothese auf, dass es ein ungeladenes, unsichtbares Teilchen gibt, das gleichzeitig mit einem Elektron während des Betazerfalls emittiert wird, ein Postulat, das das Gesetz der Energieerhaltung aufrechterhalten sollte. Fermi übernahm dieses Konzept und entwickelte ein Modell, das das vorgeschlagene Teilchen integrierte, das er „Neutrino“ taufte. Sein theoretischer Rahmen, der ursprünglich als Fermi-Wechselwirkung bekannt war und heute als schwache Wechselwirkung bezeichnet wird, erläuterte eine der vier Grundkräfte der Natur. Durch Experimente zur Induktion von Radioaktivität mithilfe des kürzlich identifizierten Neutrons stellte Fermi fest, dass langsame Neutronen leichter von Atomkernen eingefangen werden als schnelle, und entwickelte anschließend die Fermi-Altersgleichung, um dieses Phänomen zu charakterisieren. Durch den Beschuss von Thorium und Uran mit langsamen Neutronen schloss er auf die Entstehung neuartiger Elemente. Obwohl er für diese angebliche Entdeckung den Nobelpreis erhielt, wurden diese „neuen Elemente“ später als Produkte der Kernspaltung identifiziert.

1938 verließ Fermi Italien, um den neu erlassenen italienischen Rassengesetzen zu entgehen, die sich direkt auf seine jüdische Frau Laura Capon auswirkten. Anschließend wanderte er in die Vereinigten Staaten aus, wo er während des Zweiten Weltkriegs zum Manhattan-Projekt beitrug. An der University of Chicago leitete Fermi das Team, das für den Entwurf und den Bau von Chicago Pile-1 verantwortlich war, der am 2. Dezember 1942 den kritischen Zustand erreichte und damit die erste vom Menschen initiierte, sich selbst tragende nukleare Kettenreaktion demonstrierte. Er war bei der Kritikalität des X-10-Graphitreaktors in Oak Ridge, Tennessee, im Jahr 1943 und beim B-Reaktor am Standort Hanford im folgenden Jahr anwesend. In Los Alamos leitete Fermi die F-Abteilung, deren Teil der Entwicklung von Edward Tellers thermonuklearer „Super“-Bombe gewidmet war. Am 16. Juli 1945 nahm er am Trinity-Test teil, der ersten Detonation einer vollständigen Atombombe, bei der er seine einzigartige Fermi-Methode zur Schätzung der Waffenausbeute einsetzte.

Nach dem Krieg spielte Fermi eine entscheidende Rolle bei der Gründung des Institute for Nuclear Studies in Chicago und war Mitglied des General Advisory Committee unter dem Vorsitz von J. Robert Oppenheimer, der die Atomic Energy Commission in Nuklearfragen beriet. Nach der Detonation der ersten sowjetischen Spaltbombe im August 1949 äußerte er entschiedenen Widerstand gegen die Entwicklung einer Wasserstoffbombe und führte sowohl moralische als auch technische Einwände an. Er gehörte zu den Wissenschaftlern, die während der Anhörung im Jahr 1954 zur Unterstützung von Oppenheimer aussagten, was letztendlich zum Widerruf von Oppenheimers Sicherheitsfreigabe führte.

Fermi führte bedeutende Forschungen in der Teilchenphysik durch, insbesondere zu Pionen und Myonen, und stellte die Theorie auf, dass kosmische Strahlung aus Material stammt, das durch Magnetfelder im interstellaren Raum beschleunigt wird. Zahlreiche Auszeichnungen, theoretische Konzepte und wissenschaftliche Institutionen tragen Fermis Namen, darunter Fermi 1 (Brüterreaktor), das Kernkraftwerk Enrico Fermi, der Enrico Fermi Award, das Enrico Fermi Institute, das Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), das Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop, das Fermi-Paradoxon und das synthetische Element Fermium. Mit dieser Auszeichnung gehört er zu den nur 16 Wissenschaftlern, die mit einem nach ihnen benannten Element geehrt wurden.

Frühes Leben

Enrico Fermi wurde am 29. September 1901 in Rom, Italien, als drittes Kind von Alberto Fermi, einem Abteilungsleiter im Eisenbahnministerium, und Ida de Gattis, einer Grundschullehrerin, geboren. Er hatte eine ältere Schwester, Maria, und einen älteren Bruder, Giulio. Nach einer Zeit als Krankenpflegerin in einer ländlichen Gemeinde kehrte Enrico im Alter von zweieinhalb Jahren zu seiner Familie nach Rom zurück. Obwohl er katholisch getauft wurde, um den Wünschen seiner Großeltern nachzukommen, mangelte es seiner Familie an strengen religiösen Grundsätzen; Fermi behielt während seines gesamten Erwachsenenlebens eine agnostische Haltung bei. In seiner Jugend teilte er seine Interessen mit Giulio, beschäftigte sich mit dem Bau von Elektromotoren und spielte mit verschiedenen elektrischen und mechanischen Geräten. Tragischerweise starb Giulio 1915 während einer Operation wegen eines Halsabszesses und Maria starb 1959 bei einem Flugzeugabsturz in der Nähe von Mailand.

Während eines lokalen Marktes in Campo de' Fiori entdeckte Fermi eine 900-seitige Abhandlung über Physik, Elementorum physicae mathematicae. Dieser vom Jesuitenpater Andrea Caraffa, einem Professor am Collegio Romano, in lateinischer Sprache verfasste Band behandelt umfassend Mathematik, klassische Mechanik, Astronomie, Optik und Akustik und spiegelt das wissenschaftliche Verständnis wider, das bei seiner Veröffentlichung im Jahr 1840 vorherrschte. Zusammen mit seinem naturwissenschaftlich interessierten Freund Enrico Persico unternahm Fermi verschiedene Projekte, darunter den Bau von Gyroskopen und Experimente zur Messung der Erdbeschleunigung.

Enrico traf seinen Vater Alberto häufig nach der Arbeit vor seinem Büro und 1914 wurde er Albertos Kollegen Adolfo Amidei vorgestellt, der seinen Vater regelmäßig auf dem Heimweg begleitete.

Enrico war sich Adolfos Interesse an Mathematik und Physik bewusst und nutzte die Gelegenheit, um eine Frage zur Geometrie zu stellen. Adolfo erkannte, dass der junge Fermi sich nach projektiver Geometrie erkundigte und schenkte ihm daraufhin ein Buch zu diesem Thema von Theodor Reye. Innerhalb von zwei Monaten gab Fermi das Buch zurück, nachdem er alle gestellten Probleme erfolgreich gelöst hatte, von denen Adolfo einige als herausfordernd ansah. Nachdem er Fermis Leistung bestätigt hatte, bezeichnete Adolfo ihn als „ein Wunderkind, zumindest in Bezug auf die Geometrie“ und betreute ihn weiterhin als Mentor, indem er zusätzliche Texte über Physik und Mathematik lieferte. Adolfo bemerkte Fermis außergewöhnliches Gedächtnis, das es ihm ermöglichte, sich den Inhalt von Büchern genau zu merken und sie nach dem Lesen sofort wieder zurückzugeben.

Scuola Normale Superiore in Pisa

Fermi schloss die High School im Juli 1918 ab, nachdem er sein drittes Jahr verpasst hatte. Auf Amideis Empfehlung hin erwarb Fermi Deutschkenntnisse, um Zugang zu zeitgenössischer wissenschaftlicher Literatur zu erhalten, und bewarb sich anschließend an der renommierten Scuola Normale Superiore in Pisa. Amidei glaubte, dass die Scuola Fermi bessere Entwicklungsmöglichkeiten bot als die Sapienza-Universität in Rom zu dieser Zeit. Aufgrund des kürzlichen Verlusts ihres Sohnes stimmten Fermis Eltern widerstrebend seinem vierjährigen Aufenthalt in den Unterkünften der Schule außerhalb Roms zu. Fermi erreichte den ersten Platz in der anspruchsvollen Aufnahmeprüfung, bei der es um einen Aufsatz zum Thema „Spezifische Eigenschaften von Klängen“ ging. Der 17-jährige Fermi nutzte insbesondere die Fourier-Analyse, um die partielle Differentialgleichung für einen vibrierenden Stab abzuleiten und zu lösen, was den Prüfer nach dem Interview dazu veranlasste, zu erklären, dass er dazu bestimmt sei, ein herausragender Physiker zu werden.

Während seines Studiums an der Scuola Normale Superiore spielte Fermi Streiche mit seinem Kommilitonen Franco Rasetti, was zu einer engen Freundschaft und beruflichen Zusammenarbeit führte. Anleitung erhielt er von Luigi Puccianti, dem Leiter des Physiklabors, der anerkannte, dass er Fermi wenig mitzuteilen hatte, und ihn stattdessen häufig um Unterricht bat. Fermis tiefes Verständnis der Quantenphysik veranlasste Puccianti, ihm die Aufgabe zu übertragen, Seminare zu diesem Thema zu organisieren. In dieser Zeit erwarb Fermi Kenntnisse in der Tensorrechnung, einer grundlegenden Technik der Allgemeinen Relativitätstheorie. Obwohl er zunächst Mathematik als Hauptfach wählte, wechselte er bald zur Physik. Er verfolgte weitgehend selbstgesteuertes Lernen und konzentrierte sich dabei auf allgemeine Relativitätstheorie, Quantenmechanik und Atomphysik.

Nach seiner Aufnahme in die Fakultät für Physik im September 1920 schloss sich Fermi einer kleinen Kohorte an. Angesichts der begrenzten Teilnehmerzahl der Abteilung, die nur Fermi, Rasetti und Nello Carrara umfasste, gewährte Puccianti ihnen für ihre Forschungsbemühungen uneingeschränkten Zugang zum Labor. Fermi schlug vor, die Röntgenkristallographie zu untersuchen, was das Trio dazu veranlasste, ein Laue-Foto zu erstellen, bei dem es sich um ein Röntgenbild eines Kristalls handelt. Im Jahr 1921, während seines dritten Studienjahres, erschienen Fermis erste wissenschaftliche Beiträge in der italienischen Zeitschrift Nuovo Cimento. Der Eröffnungsvortrag trug den Titel „Über die Dynamik eines starren Systems elektrischer Ladungen in translatorischer Bewegung“ (Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio). Bemerkenswert ist, dass diese Arbeit zukünftige Entwicklungen vorwegnahm, indem sie die Masse als Tensor ausdrückte, ein mathematisches Konstrukt, das häufig zur Charakterisierung von Objekten in Bewegung und Transformation in einem dreidimensionalen räumlichen Kontext verwendet wird. Während die klassische Mechanik die Masse als eine skalare Größe definiert, geht die relativistische Theorie davon aus, dass sie mit der Geschwindigkeit variiert. Seine zweite Veröffentlichung „Über die Elektrostatik eines gleichmäßigen Gravitationsfeldes elektromagnetischer Ladungen und das Gewicht elektromagnetischer Ladungen“ (Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche) untersuchte verwandte Konzepte. Unter Anwendung der Prinzipien der allgemeinen Relativitätstheorie zeigte Fermi, dass eine Ladung eine Masse besitzt, die U/c§1415§ entspricht, wobei U die elektrostatische Energie des Systems darstellt und c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet.

Die erste Arbeit schien eine Diskrepanz zwischen elektrodynamischen und relativistischen Theorien hinsichtlich der Berechnung elektromagnetischer Massen hervorzuheben, wobei erstere einen Wert von 4/3 U/c² vorhersagte. Fermi löste dieses Problem im folgenden Jahr in einem Artikel mit dem Titel „Über einen Widerspruch zwischen der Elektrodynamik und der relativistischen Theorie der elektromagnetischen Masse“, in dem er darlegte, dass die wahrgenommene Inkonsistenz auf relativistischen Prinzipien beruhte. Dieses besondere Papier erlangte große Anerkennung, was zu seiner Übersetzung ins Deutsche und der anschließenden Veröffentlichung in der deutschen Fachzeitschrift Physikalische Zeitschrift im Jahr 1922 führte. Ebenfalls im Jahr 1922 reichte Fermi seinen Artikel „Über die Phänomene, die in der Nähe einer Weltlinie auftreten“ ein (Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria) an die italienische Zeitschrift I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei. In dieser Veröffentlichung analysierte er das Äquivalenzprinzip und führte das Konzept der „Fermi-Koordinaten“ ein. Seine Arbeit zeigte, dass der Raum entlang einer Weltlinie in der Nähe der Zeitlinie Eigenschaften aufweist, die dem euklidischen Raum ähneln.

Im Juli 1922 präsentierte Fermi der Scuola Normale Superiore seine Dissertation „Ein Theorem über die Wahrscheinlichkeit und einige seiner Anwendungen“ (Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni) und erhielt seinen Laurea bereits im bemerkenswert jungen Alter von 20. Seine Dissertation befasste sich mit Röntgenbeugungsbildern. Zu dieser Zeit war die theoretische Physik in Italien nicht offiziell als akademische Disziplin anerkannt, was bedeutete, dass normalerweise nur Dissertationen über experimentelle Physik akzeptiert wurden. Infolgedessen zögerten italienische Physiker, neuartige Konzepte wie die Relativitätstheorie zu übernehmen, die ihren Ursprung in Deutschland hatte. Fermis Kenntnisse in der experimentellen Laborarbeit milderten jedoch alle erheblichen Herausforderungen, die dieses akademische Klima möglicherweise mit sich gebracht hätte.

Als Fermi 1923 am Anhang für die italienische Übersetzung von August Kopffs Buch Grundlagen der Einstein-Relativität mitwirkte, identifizierte er als erster die immense potenzielle Kernenergie, die Einsteins Gleichung innewohnt (E = mc§78§), was auf das Potenzial für eine Ausbeutung schließen lässt. Er postulierte: „Es scheint zumindest in naher Zukunft nicht möglich zu sein, einen Weg zu finden, diese schrecklichen Energiemengen freizusetzen – was gut ist, denn die erste Auswirkung einer Explosion solch schrecklicher Energiemengen würde darin bestehen, den Physiker in Stücke zu reißen, der das Pech hatte, einen Weg zu finden, dies zu tun.“

In den Jahren 1923–1924 absolvierte Fermi ein Studiensemester bei Max Born an der Universität Göttingen, wo er Werner Heisenberg und Pascual Jordan kennenlernte. Anschließend studierte Fermi von September bis Dezember 1924 in Leiden bei Paul Ehrenfest, unterstützt durch ein Stipendium der Rockefeller Foundation, das durch die Intervention des Mathematikers Vito Volterra gesichert wurde. In Leiden lernte er Hendrik Lorentz und Albert Einstein kennen und schloss Freundschaften mit Samuel Goudsmit und Jan Tinbergen. Von Januar 1925 bis Ende 1926 hatte Fermi einen Lehrauftrag für mathematische Physik und theoretische Mechanik an der Universität Florenz inne und arbeitete mit Rasetti an Experimenten zur Untersuchung des Einflusses von Magnetfeldern auf Quecksilberdampf. Gleichzeitig beteiligte er sich an Seminaren an der Universität La Sapienza in Rom und hielt Vorlesungen über Quantenmechanik und Festkörperphysik. Bei seinen Vorträgen über das junge Gebiet der Quantenmechanik, insbesondere bei der Erörterung der außergewöhnlichen Vorhersagegenauigkeit der Schrödinger-Gleichung, bemerkte Fermi häufig: „Es hat nichts damit zu tun, so gut zu passen!“

Nachdem Wolfgang Pauli 1925 sein Ausschlussprinzip bekannt gegeben hatte, veröffentlichte Fermi einen Aufsatz mit dem Titel „Über die Quantisierung des perfekten monoatomaren Gases“ (Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico), in dem er das Prinzip auf ein ideales Gas anwendete. Diese Veröffentlichung war besonders bedeutsam für Fermis statistische Formulierung, die die Verteilung von Teilchen in Systemen aufklärt, die aus zahlreichen identischen Teilchen bestehen, die dem Ausschlussprinzip folgen. Kurz darauf entwickelte der britische Physiker Paul Dirac dieses Konzept unabhängig und zeigte auch seine Beziehung zur Bose-Einstein-Statistik auf. Aus diesem Grund wird dieser statistische Rahmen nun als Fermi-Dirac-Statistik bezeichnet. In Anerkennung von Diracs Arbeit werden Teilchen, die dem Ausschlussprinzip entsprechen, derzeit als „Fermionen“ bezeichnet, während diejenigen, bei denen dies nicht der Fall ist, als „Bosonen“ bezeichnet werden.

Professur in Rom

In Italien wurden Professuren im Rahmen eines Wettbewerbsverfahrens (Concorso) für freie akademische Lehrstühle vergeben, wobei die Bewerber anhand ihrer Veröffentlichungen von einem Professorenausschuss bewertet wurden. Fermi suchte zunächst einen Lehrstuhl für mathematische Physik an der Universität Cagliari auf Sardinien, wurde jedoch von Giovanni Giorgi knapp übersehen. 1926, im Alter von 24 Jahren, bewarb er sich um eine Professur an der Universität La Sapienza in Rom. Diese besondere Position repräsentierte einen neu eingerichteten Lehrstuhl, einen der ersten drei für theoretische Physik in ganz Italien, der vom Bildungsminister auf Geheiß von Professor Orso Mario Corbino geschaffen wurde. Corbino hatte mehrere Rollen inne: Professor für Experimentalphysik an der Universität, Direktor des Instituts für Physik und Mitglied des Kabinetts von Benito Mussolini. Als Vorsitzender des Auswahlausschusses hatte Corbino die Vorstellung, dass diese neue Professur die Standards und das Ansehen der Physik in Italien steigern würde. Das Komitee entschied sich schließlich für Fermi gegenüber Enrico Persico und Aldo Pontremoli. Anschließend unterstützte Corbino Fermi beim Aufbau seiner Forschungsgruppe, der bald herausragende Studenten wie Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana und Emilio Segrè sowie Franco Rasetti angehörten, den Fermi zu seinem Assistenten ernannte. Diese Gruppe wurde schnell als „Via Panisperna Boys“ bekannt, ein Spitzname, der von der Straße abgeleitet ist, in der sich das Institut für Physik befindet.

Fermi heiratete am 19. Juli 1928 Laura Capon, eine Studentin der Naturwissenschaften an der Universität. Das Paar hatte zwei Kinder: Nella, geboren im Januar 1931, und Giulio, geboren im Februar 1936. Am 18. März 1929 ernannte Mussolini Fermi zu seinem Mitglied Er war Mitglied der Königlichen Akademie Italiens und wurde am 27. April Mitglied der Faschistischen Partei. Allerdings lehnte Fermi später den Faschismus ab, nachdem Mussolini 1938 die Rassengesetze erlassen hatte, die darauf abzielten, den italienischen Faschismus ideologisch enger mit dem deutschen Nationalsozialismus in Einklang zu bringen. Diese diskriminierenden Gesetze stellten eine Bedrohung für Laura, die Jüdin war, dar und führten zur Entlassung vieler von Fermis Forschungsassistenten.

Während seines Aufenthalts in Rom leisteten Fermi und seine Forschungsgruppe bedeutende Beiträge in verschiedenen praktischen und theoretischen Bereichen der Physik. Im Jahr 1928 veröffentlichte Fermi sein bahnbrechendes Werk Einführung in die Atomphysik (Introduzione alla fisica atomica), das als zeitgenössisches und leicht zugängliches Lehrbuch für italienische Universitätsstudenten diente. Um Wissen über das aufstrebende Gebiet der Physik zu verbreiten, hielt Fermi auch öffentliche Vorträge und verfasste populäre Artikel, die sich an Wissenschaftler und Pädagogen richteten. Zu seinem pädagogischen Ansatz gehörten tägliche Zusammenkünfte mit Kollegen und Doktoranden zur gemeinsamen Analyse von Problemen, die häufig aus seiner laufenden Forschung stammten. Ein Beweis für seinen Einfluss war der zunehmende Zustrom ausländischer Studenten nach Italien. Unter diesen internationalen Wissenschaftlern war der deutsche Physiker Hans Bethe der prominenteste, der als Stipendiat der Rockefeller Foundation nach Rom kam und 1932 zusammen mit Fermi einen Artikel mit dem Titel „On the Interaction between Two Electrons“ (deutsch: „Über die Wechselwirkung von zwei Elektronen“) verfasste.

Während dieser Zeit stießen Physiker auf ein verwirrendes Phänomen, das als Beta-Zerfall bekannt ist und durch die Emission eines Elektrons aus dem Atomkern gekennzeichnet ist. Um das Prinzip der Energieerhaltung aufrechtzuerhalten, stellte Pauli die Hypothese auf, dass gleichzeitig ein unsichtbares, ladungsloses Teilchen mit vernachlässigbarer oder keiner Masse emittiert wird. Anschließend übernahm Fermi dieses Konzept und entwickelte es zunächst in einer vorläufigen Arbeit im Jahr 1933 weiter. Im darauffolgenden Jahr folgte eine umfassendere Veröffentlichung, in der das postulierte Teilchen, das Fermi als „Neutrino“ bezeichnete, offiziell vorgestellt wurde. Sein theoretischer Rahmen, der zunächst als Fermi-Wechselwirkung bezeichnet und später als Theorie der schwachen Wechselwirkung anerkannt wurde, erläuterte eine der vier Grundkräfte der Natur. Die Existenz des Neutrinos wurde posthum experimentell bestätigt und Fermis Wechselwirkungstheorie lieferte die Erklärung für seine schwer fassbare Nachweisbarkeit. Als er sein Manuskript bei der britischen Zeitschrift Nature einreichte, lehnte der Herausgeber es mit der Begründung ab, sein spekulativer Inhalt sei „zu weit von der physischen Realität entfernt, um für die Leser von Interesse zu sein“. Laut David N. Schwartz, dem Biographen von Fermi, ist es eigenartig, dass Fermi sich ernsthaft um eine Veröffentlichung in Nature bemühte, da die Zeitschrift zu dieser Zeit ausschließlich kurze Mitteilungen veröffentlichte und daher nicht geeignet war, auch nur eine neuartige physikalische Theorie zu verbreiten. Ein geeigneterer Veranstaltungsort wären, wenn überhaupt, die Proceedings of the Royal Society of London gewesen. Schwartz stimmt der Hypothese einiger Wissenschaftler zu und legt nahe, dass die Ablehnung der britischen Zeitschrift Fermis jüngere Kollegen (von denen einige jüdisch und linksgerichtet waren) dazu veranlasste, ihren Boykott deutscher wissenschaftlicher Veröffentlichungen nach Hitlers Machtübernahme im Januar 1933 aufzugeben. Folglich wurde Fermis Theorie vor ihrer englischen Übersetzung in italienischen und deutschen Ausgaben veröffentlicht.

In den einleitenden Bemerkungen zur englischen Übersetzung von 1968 heißt es: Der Physiker Fred L. Wilson bemerkte:

Fermis Theorie untermauert nicht nur Paulis Vorschlag des Neutrinos, sondern hat auch eine besondere Bedeutung in der Geschichte der modernen Physik. Man muss bedenken, dass zum Zeitpunkt der Theorieaufstellung nur die natürlich vorkommenden β-Strahler bekannt waren. Als später der Positronenzerfall entdeckt wurde, konnte der Prozess problemlos in Fermis ursprüngliches System integriert werden. Auf der Grundlage seiner Theorie wurde der Einfang eines Orbitalelektrons durch einen Kern vorhergesagt und schließlich beobachtet. Mit der Zeit sammelten sich experimentelle Daten erheblich an. Obwohl beim β-Zerfall schon oft Besonderheiten beobachtet wurden, war Fermis Theorie dieser Herausforderung immer gewachsen.
Die Konsequenzen der Fermi-Theorie sind enorm. Beispielsweise hat sich die β-Spektroskopie als leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung der Kernstruktur etabliert. Aber der vielleicht einflussreichste Aspekt dieser Arbeit von Fermi ist, dass seine besondere Form der β-Wechselwirkung ein Muster etablierte, das für die Untersuchung anderer Arten von Wechselwirkungen geeignet war. Es war die erste erfolgreiche Theorie der Entstehung und Vernichtung materieller Teilchen. Bisher war bekannt, dass nur Photonen erzeugt und zerstört werden.

Im Januar 1934 berichteten Irène Joliot-Curie und Frédéric Joliot über die erfolgreiche Induktion von Radioaktivität in Elementen durch Alphateilchenbeschuss. Im März desselben Jahres bot Gian-Carlo Wick, Fermis Assistent, einen theoretischen Rahmen für dieses Phänomen an und stützte sich dabei auf Fermis etablierte Theorie des Beta-Zerfalls. Infolgedessen verlagerte Fermi seinen Schwerpunkt auf die experimentelle Physik und nutzte insbesondere das Neutron, ein von James Chadwick 1932 entdecktes Teilchen. Im März 1934 wollte Fermi die Möglichkeit der Induktion von Radioaktivität mithilfe einer von Rasetti entwickelten Polonium-Beryllium-Neutronenquelle untersuchen. Neutronen, denen eine elektrische Ladung fehlt, würden durch den positiv geladenen Atomkern nicht abgelenkt. Diese Eigenschaft implizierte, dass Neutronen im Vergleich zu geladenen Teilchen deutlich weniger Energie zum Eindringen in den Kern benötigten, wodurch ein Teilchenbeschleuniger überflüssig wurde, ein Gerät, das der Via Panisperna-Gruppe nicht zur Verfügung stand.

Fermi hatte die Idee, die Polonium-Beryllium-Neutronenquelle durch eine Radon-Beryllium-Variante zu ersetzen. Er konstruierte dies, indem er einen Glaskolben mit Berylliumpulver füllte, die Luft evakuierte und anschließend 50 mCi Radongas einführte, bereitgestellt von Giulio Cesare Trabacchi. Diese neue Konfiguration ergab eine deutlich leistungsstärkere Neutronenquelle, deren Wirksamkeit jedoch entsprechend der Halbwertszeit von Radon von 3,8 Tagen abnahm. Obwohl Fermi erkannte, dass diese Quelle auch Gammastrahlen emittieren würde, vermutete er, dass diese Emissionen die experimentellen Ergebnisse nicht beeinträchtigen würden. Seine ersten Experimente umfassten den Beschuss von Platin, einem leicht verfügbaren Element mit einer hohen Ordnungszahl, doch diese Versuche erwiesen sich als erfolglos. Anschließend experimentierte er mit Aluminium und beobachtete, dass es ein Alphateilchen aussendete, Natrium produzierte und dann durch Betateilchenemission in Magnesium zerfiel. Mit Blei hatte er keinen Erfolg, stattdessen nutzte er Fluor in Form von Kalziumfluorid, das ein Alphateilchen emittierte, Stickstoff erzeugte und anschließend durch die Emission von Betateilchen in Sauerstoff zerfiel. Insgesamt induzierte Fermi erfolgreich Radioaktivität in 22 verschiedenen Elementen. Fermi veröffentlichte seine Entdeckung der neutroneninduzierten Radioaktivität umgehend am 25. März 1934 in der italienischen Zeitschrift La Ricerca Scientifica.

Die inhärente Radioaktivität von Thorium und Uran erschwerte die Analyse von Neutronenbeschussexperimenten mit diesen Elementen. Nachdem Fermi jedoch das Vorhandensein von Elementen, die leichter als Uran, aber schwerer als Blei waren, akribisch ausschloss, folgerte er, dass neuartige Elemente, die er Ausenium und Hesperium nannte, synthetisiert worden seien. Die Chemikerin Ida Noddack schlug eine alternative Interpretation vor und schlug vor, dass einige experimentelle Ergebnisse zu Elementen geführt haben könnten, die leichter als Blei sind, und nicht zur Bildung neuer, schwererer Elemente. Ihre Hypothese wurde damals weitgehend verworfen, vor allem weil ihre Forschungsgruppe weder Experimente mit Uran durchgeführt noch eine theoretische Grundlage für eine solche Möglichkeit geschaffen hatte. Zu dieser Zeit galt die Kernspaltung als theoretisch unwahrscheinlich, wenn nicht sogar völlig unmöglich. Obwohl Physiker die Bildung von Elementen mit höheren Ordnungszahlen durch Neutronenbeschuss leichterer Elemente erwarteten, wurde die Vorstellung, dass Neutronen über genügend Energie verfügen, um ein schwereres Atom in zwei leichtere Fragmente zu spalten, wie Noddack vorschlug, nicht allgemein akzeptiert.

Die Via Panisperna-Gruppe beobachtete während ihrer Experimente auch mehrere anomale Effekte. Bemerkenswerterweise schien der Versuchsaufbau auf einem Holztisch bessere Ergebnisse zu liefern als auf einer Marmoroberfläche. Fermi erinnerte sich an Beobachtungen von Joliot-Curie und Chadwick zur Wirksamkeit von Paraffinwachs bei der Moderierung von Neutronen und beschloss, diese in seine Experimente einzubeziehen. Als Neutronen Paraffin durchdrangen, führten sie im Vergleich zu Bombardierungen ohne Paraffin zu einem hundertfachen Anstieg der Radioaktivität im Silber. Fermi vermutete, dass dieses Phänomen auf die im Paraffin vorhandenen Wasserstoffatome zurückzuführen sei. Analog dazu war der Wasserstoffgehalt im Holz für die beobachtete Ungleichheit zwischen Holz- und Marmortischplatten verantwortlich. Diese Hypothese wurde durch die Nachbildung des Effekts mit Wasser weiter untermauert. Er kam zu dem Schluss, dass Kollisionen mit Wasserstoffatomen die Neutronen effektiv verlangsamten. Ein Neutron verliert pro Kollision mehr Energie, wenn es mit Kernen niedrigerer Ordnungszahlen wechselwirkt, sodass weniger Kollisionen erforderlich sind, um einen bestimmten Grad an Abbremsung zu erreichen. Fermi erkannte, dass diese Abbremsung zu einer erhöhten Radioaktivität führte, da langsame Neutronen im Vergleich zu schnellen Neutronen eine höhere Einfangwahrscheinlichkeit aufwiesen. Um diesen Prozess mathematisch zu beschreiben, formulierte er eine Diffusionsgleichung, die später als Fermi-Altersgleichung bezeichnet wurde.

Im Jahr 1938 erhielt Fermi im Alter von 37 Jahren den Nobelpreis für Physik für seinen „Nachweis der Existenz neuer radioaktiver Elemente, die durch Neutronenbestrahlung erzeugt werden, und für seine damit verbundene Entdeckung von Kernreaktionen, die durch langsame Neutronen hervorgerufen werden“. Anstatt nach Erhalt des Preises in Stockholm nach Italien zurückzukehren, reisten Fermi und seine Familie im Dezember 1938 nach New York City, wo sie eine dauerhafte Aufenthaltserlaubnis beantragten. Ihre Entscheidung, nach Amerika zu ziehen und US-Bürger zu werden, war in erster Linie auf die in Italien geltenden Rassengesetze zurückzuführen.

Manhattan-Projekt

Bei seiner Ankunft in New York City am 2. Januar 1939 erhielt Fermi sofort Angebote von fünf Universitäten und nahm schließlich eine Stelle an der Columbia University an, wo er zuvor 1936 Sommervorlesungen gehalten hatte. Er wurde darüber informiert, dass die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann im Dezember 1938 Barium nach dem Neutronenbeschuss von Uran identifiziert hatten, ein Phänomen, das später von Lise Meitner und ihrem Neffen Otto Frisch als Kernspaltung interpretiert wurde. Frisch bestätigte diesen Befund am 13. Januar 1939 experimentell. Die Nachricht von Meitners und Frischs Interpretation der Entdeckung von Hahn und Strassmann wurde über den Atlantik von Niels Bohr übermittelt, der an der Princeton University Vorlesungen halten sollte. Isidor Isaac Rabi und Willis Lamb, zwei in Princeton arbeitende Physiker der Columbia University, erfuhren von der Entdeckung und gaben sie an Columbia weiter. Während Rabi behauptete, Fermi informiert zu haben, schrieb Fermi die Offenlegung später Lamb zu:

Ich erinnere mich noch genau an den ersten Monat, Januar 1939, als ich in den Pupin Laboratories zu arbeiten begann, weil die Dinge sehr schnell gingen. Zu dieser Zeit hielt Niels Bohr einen Vortrag an der Princeton University und ich erinnere mich, dass Willis Lamb eines Nachmittags sehr aufgeregt zurückkam und sagte, dass Bohr großartige Neuigkeiten durchsickern ließ. Die große Neuigkeit, die durchgesickert war, war die Entdeckung der Kernspaltung und zumindest der Grundriss ihrer Interpretation. Dann, etwas später im selben Monat, gab es ein Treffen in Washington, bei dem die mögliche Bedeutung des neu entdeckten Phänomens der Kernspaltung zunächst halb scherzhaft und ernsthaft als mögliche Quelle der Kernenergie diskutiert wurde.

Noddacks frühere Hypothese wurde letztendlich bestätigt. Fermi hatte die Möglichkeit einer Spaltung aufgrund seiner Berechnungen ausgeschlossen, da er die Bindungsenergie übersehen hatte, die entsteht, wenn ein Nuklid mit einer ungeraden Anzahl von Neutronen ein zusätzliches Neutron assimiliert. Für Fermi führte diese Enthüllung zu großer beruflicher Verlegenheit, da es sich bei den transuranischen Elementen, für die er teilweise den Nobelpreis erhalten hatte, nicht um transuranische Elemente, sondern um Spaltprodukte handelte. Daher fügte er seiner Nobelpreis-Dankesrede eine Fußnote zu dieser Korrektur bei.

Wissenschaftler an der Columbia University beschlossen, die Energiefreisetzung zu untersuchen, die mit der Kernspaltung von Uran beim Beschuss durch Neutronen einhergeht. Am 25. Januar 1939 führte ein Experimentalteam, darunter Fermi, im Keller von Pupin Hall in Columbia das erste Kernspaltungsexperiment in den Vereinigten Staaten durch. Weitere Teammitglieder waren Herbert L. Anderson, Eugene T. Booth, John R. Dunning, G. Norris Glasoe und Francis G. Slack. Am folgenden Tag begann in Washington, D.C. die fünfte Washington Conference on Theoretical Physics, die gemeinsam von der George Washington University und der Carnegie Institution of Washington gesponsert wurde. Dort wurden die Erkenntnisse zur Kernspaltung weiter verbreitet und regten dadurch zahlreiche spätere experimentelle Demonstrationen an.

Die französischen Wissenschaftler Hans von Halban, Lew Kowarski und Frédéric Joliot-Curie zeigten zunächst, dass Uran beim Beschuss mit Neutronen mehr Neutronen emittierte als es absorbierte, was auf die Möglichkeit einer Kettenreaktion hinwies. Enrico Fermi und Herbert L. Anderson bestätigten diesen Befund einige Wochen später unabhängig voneinander. Um Spaltexperimente in größerem Maßstab zu ermöglichen, beschaffte Leó Szilárd 200 Kilogramm (440 lb) Uranoxid vom kanadischen Produzenten Eldorado Gold Mines Limited. Anschließend entwickelten Fermi und Szilárd gemeinsam ein Gerät, das eine selbsterhaltende Kernreaktion bewerkstelligen konnte und später als Kernreaktor bekannt wurde. Eine große Herausforderung war die hohe Neutronenabsorptionsrate von Wasserstoff in Wasser, die eine selbsterhaltende Reaktion mit natürlichem Uran und Wasser als Neutronenmoderator unwahrscheinlich machte. Fermi schlug auf der Grundlage seiner Neutronenforschung die Verwendung von Uranoxidblöcken mit Graphit als Moderator anstelle von Wasser vor, was theoretisch den Neutroneneinfang reduzieren und eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion ermöglichen würde. Szilárd entwickelte daraufhin einen praktischen Entwurf: einen „Haufen“, bestehend aus Uranoxidblöcken, durchsetzt mit Graphitsteinen. Szilárd, Anderson und Fermi haben gemeinsam einen Artikel mit dem Titel „Neutron Production in Uranium“ verfasst. Ihre unterschiedlichen Arbeitsgewohnheiten und Persönlichkeiten führten jedoch häufig zu Schwierigkeiten bei der Zusammenarbeit.

Enrico Fermi war einer der ersten Wissenschaftler, der Militärbeamte auf die möglichen Auswirkungen der Kernenergie aufmerksam machte, indem er am 18. März 1939 im Marineministerium einen Vortrag zu diesem Thema hielt. Obwohl die Reaktion der Marine seine Erwartungen nicht vollständig erfüllte, stellte sie 1.500 US-Dollar zur Unterstützung weiterer Forschung an der Columbia University bereit. Später in diesem Jahr verfassten Leó Szilárd, Eugene Wigner und Edward Teller einen Brief, der anschließend von Albert Einstein unterzeichnet und an US-Präsident Franklin D. Roosevelt geschickt wurde. In diesem Brief wurde darauf hingewiesen, dass Nazideutschland möglicherweise eine Atombombe entwickelt. Als Reaktion darauf gründete Präsident Roosevelt den Beratenden Ausschuss für Uran, um diese Bedenken zu untersuchen.

Der Beratende Ausschuss für Uran stellte Mittel bereit, die es Fermi ermöglichten, Graphit zu erwerben, das er dann zum Bau eines vorläufigen Stapels von Graphitsteinen im siebten Stock des Pupin Hall-Labors verwendete. Bis August 1941 hatte Fermi sechs Tonnen Uranoxid und dreißig Tonnen Graphit angehäuft, Materialien, die er anschließend zum Bau einer noch größeren Versuchshalde in der Schermerhorn Hall der Columbia University verwendete.

Am 18. Dezember 1941 trat die S-1-Abteilung des Büros für wissenschaftliche Forschung und Entwicklung, früher bekannt als Beratender Ausschuss für Uran, zusammen. Mit dem Eintritt der Vereinigten Staaten in den Zweiten Weltkrieg verschärfte sich die Dringlichkeit ihrer Mission. Während das Hauptaugenmerk des Komitees auf der Produktion von angereichertem Uran lag, identifizierte Komiteemitglied Arthur Compton Plutonium als praktikable Alternative und wies auf dessen Potenzial für eine Massenproduktion in Kernreaktoren bis Ende 1944 hin. Folglich beschloss Compton, die Plutoniumforschungsbemühungen an der University of Chicago zu konsolidieren. Obwohl Fermi zunächst zögerlich war, zog er um, und sein Forschungsteam wurde in das neu eingerichtete Metallurgische Labor dieser Einrichtung integriert.

Angesichts der unbekannten Auswirkungen einer sich selbst tragenden Kernreaktion galt der Bau des ersten Kernreaktors auf dem Campus der University of Chicago, der sich in einem dicht besiedelten Stadtgebiet befindet, als unklug. Arthur Compton sicherte sich zunächst einen Standort im Argonne Woods Forest Preserve, etwa 20 Meilen (32 km) von Chicago entfernt, und beauftragte Stone & Webster für seine Entwicklung. Ein Arbeitskonflikt stoppte diese Arbeiten jedoch. Anschließend überzeugte Fermi Compton davon, dass der Reaktor sicher im Squash-Court unter den Tribünen des Stagg Field der University of Chicago gebaut werden könne. Der Bau des Versuchspfahls begann am 6. November 1942 und gipfelte darin, dass Chicago Pile-1 am 2. Dezember die Kritikalität erreichte. Obwohl der Pfahl ursprünglich grob kugelförmig ausgelegt war, deuteten Fermis laufende Berechnungen darauf hin, dass die Kritikalität erreicht werden konnte, ohne die gesamte Struktur wie ursprünglich geplant fertigzustellen.

Dieses Experiment stellte eine entscheidende Errungenschaft im Streben nach Energie dar und veranschaulichte Fermis charakteristische akribische Herangehensweise, bei der jede Phase präzise geplant und alle Berechnungen streng durchgeführt wurden. Nach der erfolgreichen Einleitung der ersten selbsttragenden nuklearen Kettenreaktion teilte Compton diesen Durchbruch über einen verschlüsselten Telefonanruf James B. Conant mit, der als Vorsitzender des National Defense Research Committee fungierte.

Conant wurde telefonisch im Büro des Präsidenten der Harvard University kontaktiert. Die Kommunikation übermittelte eine verschlüsselte Nachricht: „Jim, es wird dich interessieren, dass der italienische Seefahrer gerade in der neuen Welt gelandet ist.“ Darauf folgte eine halb entschuldigende Klarstellung, da dem S-1-Komitee mitgeteilt worden war, dass die Fertigstellung des Reaktors eine zusätzliche Woche oder länger erfordern würde: „Die Erde war nicht so groß, wie er geschätzt hatte, und er kam früher auf der neuen Welt an, als er erwartet hatte.“

Conant antwortete aufgeregt und fragte: „Ist das so?“ Dann fragte er: „Waren die Eingeborenen freundlich?“

Die Antwort bestätigte: „Alle sind sicher und glücklich gelandet.“

Damit die Forschung ohne Gefahr für die öffentliche Gesundheit fortgesetzt werden konnte, wurde der Reaktor anschließend zerlegt und an den Standort Argonne Woods verlegt. An diesem neuen Standort überwachte Fermi Experimente zu Kernreaktionen und nutzte dabei die umfassende Verfügbarkeit freier Neutronen, die vom Reaktor erzeugt wurden. Der Anwendungsbereich des Labors weitete sich schnell über die Physik und Technik hinaus aus und umfasste den Reaktor für Anwendungen in der biologischen und medizinischen Forschung. Ursprünglich unter Fermis Leitung als integraler Bestandteil der University of Chicago tätig, wurde Argonne im Mai 1944 als unabhängige Einheit mit Fermi als Direktor gegründet.

Am 4. November 1943, als der luftgekühlte Graphitreaktor X-10 in Oak Ridge kritisch wurde, war Fermi anwesend, um mögliche Fehlfunktionen zu beheben. Techniker weckten ihn vorzeitig, um sicherzustellen, dass er das Geschehen beobachten konnte. Die Operationalisierung von X-10 stellte einen bedeutenden Fortschritt innerhalb des Plutoniumprojekts dar. Diese Anlage lieferte entscheidende Daten für die Reaktorkonstruktion, erleichterte die Schulung des DuPont-Personals im Reaktorbetrieb und erzeugte die ersten kleinen Mengen reaktorproduzierten Plutoniums. Fermi erlangte im Juli 1944 die amerikanische Staatsbürgerschaft, zum frühestmöglichen Zeitpunkt nach geltender Gesetzgebung.

Im September 1944 initiierte Fermi den B-Reaktor am Standort Hanford, indem er die erste Uran-Brennstoffkugel einführte; Diese Anlage wurde speziell für die großtechnische Produktion von Plutonium konzipiert. Ähnlich wie der X-10 wurde dieser Reaktor von Fermis Team am Metallurgical Laboratory konzipiert und von DuPont gebaut, obwohl er einen deutlich größeren Maßstab aufwies und eine Wasserkühlung verwendete. In den folgenden Tagen wurden 838 Rohre beladen, was zur Kritikalität des Reaktors führte. Kurz nach Mitternacht des 27. September begannen die Betreiber mit dem Abziehen der Steuerstäbe, um die Plutoniumproduktion einzuleiten. Der Betrieb verlief zunächst ohne Probleme; Ungefähr um 03:00 Uhr begann das Leistungsniveau jedoch zu sinken und gipfelte in der vollständigen Abschaltung des Reaktors um 06:30 Uhr. Sowohl die Armee als auch DuPont baten Fermis Team um Erklärungen. Es wurden Untersuchungen am Kühlwasser durchgeführt, um das Vorhandensein von Lecks oder Verunreinigungen festzustellen. Am folgenden Tag startete der Reaktor unerwartet wieder, stellte den Betrieb jedoch innerhalb weniger Stunden wieder ein. Das Problem wurde letztendlich auf eine Neutronenvergiftung durch Xenon-135 (Xe-135) zurückgeführt, ein Spaltprodukt mit einer Halbwertszeit von 9,1 bis 9,4 Stunden. Sowohl Fermi als auch John Wheeler kamen unabhängig voneinander zu dem Schluss, dass Xe-135 für die Neutronenabsorption im Reaktor verantwortlich war und somit den Spaltungsprozess behinderte. Emilio Segrè, ein Kollege, riet Fermi, Chien-Shiung Wu zu konsultieren, der gerade ein Manuskript zu diesem Thema für die Veröffentlichung im Physical Review vorbereitete. Bei der Durchsicht des Entwurfs bestätigten Fermi und seine wissenschaftlichen Kollegen ihre Hypothesen: Xe-135 absorbierte nachweislich Neutronen und wies einen außergewöhnlich großen Neutronenquerschnitt auf. DuPont war vom ursprünglichen Entwurf des Metallurgischen Labors, der 1.500 kreisförmig angeordnete Rohre vorsah, abgewichen und hatte zusätzliche 504 Rohre in die Eckabschnitte eingebaut. Ursprünglich hatten Wissenschaftler diese Designänderung als einen Fall von Over-Engineering und einer ineffizienten Ressourcenallokation angesehen; Fermi erkannte jedoch, dass die Beladung aller 2.004 Röhren es dem Reaktor ermöglichen würde, das erforderliche Leistungsniveau zu erreichen und die Plutoniumproduktion zu optimieren.

Im April 1943 legte Fermi Robert Oppenheimer einen Vorschlag zur möglichen Verwendung radioaktiver Nebenprodukte aus Anreicherungsprozessen zur Kontamination der deutschen Lebensmittelversorgung vor. Dieser Vorschlag entstand aus Bedenken hinsichtlich des vermeintlich fortgeschrittenen Stands des deutschen Atombombenprojekts, gepaart mit Fermis zeitgenössischer Skepsis gegenüber der raschen Entwicklung einer Atombombe. Anschließend beriet Oppenheimer diesen „vielversprechenden“ Vorschlag mit Edward Teller, der sich für die Anwendung von Strontium-90 einsetzte. James B. Conant und Leslie Groves wurden zu diesem Thema informiert; Oppenheimer legte jedoch fest, dass der Plan nur dann umgesetzt werden würde, wenn die Waffe eine ausreichende Menge an Nahrungsmitteln kontaminieren könnte, um den Tod von einer halben Million Menschen herbeizuführen.

Mitte 1944 rekrutierte Oppenheimer Fermi erfolgreich für das Projekt Y in Los Alamos, New Mexico. Bei seiner Ankunft im September übernahm Fermi die Rolle eines stellvertretenden Direktors, der die Kernphysik und die theoretische Physik beaufsichtigte, und wurde anschließend zum Leiter der F-Abteilung ernannt, die seinen Namen trug. Diese Abteilung umfasste vier verschiedene Zweige: F-1 Super und Allgemeine Theorie unter der Leitung von Teller, die sich auf die „Super“-Bombe (thermonukleare Bombe) konzentrierten; F-2 Water Boiler verwaltete unter L. D. P. King den wässrigen homogenen Forschungsreaktor „Water Boiler“. F-3 Super Experimentation, Regie: Egon Bretscher; und F-4 Fission Studies unter der Leitung von Anderson. Am 16. Juli 1945 war Fermi Zeuge des Trinity-Tests und entwickelte eine experimentelle Methode, um die Sprengkraft der Bombe abzuschätzen, indem er Papierstreifen in die Druckwelle schleuderte. Durch die Messung der Entfernung, über die diese Streifen durch die Explosion geschleudert wurden, berechnete er die Ausbeute auf zehn Kilotonnen TNT, während die tatsächliche Ausbeute etwa 18,6 Kilotonnen betrug.

Fermi war neben Oppenheimer, Compton und Ernest Lawrence Mitglied des wissenschaftlichen Gremiums, das für die Beratung des Interimsausschusses bei der Zielauswahl verantwortlich war. Dieses Gremium stimmte der Empfehlung des Ausschusses zu, dass Atombomben ohne vorherige Warnung gegen industrielle Ziele eingesetzt werden sollten. Ähnlich wie seine Kollegen im Los Alamos Laboratory erfuhr Fermi über die Beschallungsanlage im technischen Bereich von den Atombombenabwürfen auf Hiroshima und Nagasaki. Fermi war davon überzeugt, dass Atombomben Nationen nicht wirksam davon abhalten würden, Konflikte anzuzetteln, und er hielt die vorherrschenden Bedingungen auch nicht für geeignet, eine Weltregierung zu gründen. Aus diesem Grund entschied er sich, der Association of Los Alamos Scientists nicht beizutreten.

Nachkriegsaktivitäten

Am 1. Juli 1945 wurde Fermi zum Charles H. Swift Distinguished Professor für Physik an der University of Chicago ernannt, obwohl er und seine Familie das Los Alamos Laboratory erst am 31. Dezember 1945 verließen. 1945 wurde er in die US-amerikanische National Academy of Sciences aufgenommen. Das Metallurgical Laboratory wurde am 1. Juli 1946 in Argonne National Laboratory umbenannt und war damit das erste nationale Labor, das im Rahmen des Manhattan-Projekts eingerichtet wurde. Die geografische Nähe zwischen Chicago und Argonne erleichterte Fermis Engagement an beiden Institutionen. In Argonne widmete er sich experimenteller Physik und forschte in Zusammenarbeit mit Leona Marshall an der Neutronenstreuung. Darüber hinaus beteiligte er sich an Diskussionen über theoretische Physik mit Maria Mayer und trug zu ihrer Entwicklung von Erkenntnissen über die Spin-Bahn-Kopplung bei, die ihr später den Nobelpreis einbrachten.

Am 1. Januar 1947 löste die Atomic Energy Commission (AEC) das Manhattan-Projekt ab. Fermi hatte eine Position im AEC General Advisory Committee inne, einem prominenten wissenschaftlichen Gremium unter dem Vorsitz von Robert Oppenheimer. Darüber hinaus widmete er regelmäßig mehrere Wochen im Jahr dem Los Alamos National Laboratory und arbeitete mit Nicholas Metropolis und John von Neumann am Phänomen der Rayleigh-Taylor-Instabilität zusammen, das die Dynamik an der Grenzfläche zweier Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten beschreibt.

Nach der Detonation der ersten sowjetischen Spaltbombe im August 1949 verfasste Fermi zusammen mit Isidor Rabi einen überzeugenden Bericht für das Komitee, in dem er seinen Widerstand gegen die Entwicklung einer Wasserstoffbombe sowohl auf der Grundlage ethischer als auch technischer Erwägungen zum Ausdruck brachte. Trotzdem beteiligte sich Fermi weiterhin in beratender Funktion an der Wasserstoffbombenforschung in Los Alamos. In Zusammenarbeit mit Stanislaw Ulam stellte er fest, dass die erforderliche Tritiummenge für Tellers thermonukleares Waffenmodell unerschwinglich groß sein würde und dass selbst bei einer so beträchtlichen Menge die Ausbreitung einer Fusionsreaktion nicht garantiert werden konnte. Im Jahr 1954 war Fermi einer von mehreren Wissenschaftlern, die während der Oppenheimer-Sicherheitsanhörung zur Unterstützung von Oppenheimer aussagten, was letztendlich zum Widerruf von Oppenheimers Sicherheitsfreigabe führte.

Während seiner späteren Karriere behielt Fermi seine akademische Verbindung zur University of Chicago bei, wo er die Institution mitbegründete, die später als Enrico Fermi Institute bezeichnet wurde. Zu seinen Doktoranden in der Nachkriegszeit gehörten Owen Chamberlain, Geoffrey Chew, Jerome Friedman, Marvin Goldberger, Tsung-Dao Lee, Arthur Rosenfeld und Sam Treiman. Jack Steinberger war ein Doktorand und Mildred Dresselhaus wurde während ihres überlappenden Jahres als Doktorandin maßgeblich von Fermi beeinflusst. Fermi führte entscheidende Forschungen in der Teilchenphysik durch, insbesondere zu Pionen und Myonen. Er formulierte die ersten Vorhersagen der Pion-Nukleon-Resonanz unter Verwendung statistischer Methoden, da er davon ausging, dass präzise Lösungen unnötig seien, wenn die zugrunde liegende Theorie von Natur aus fehlerhaft sei. In einer gemeinsamen Veröffentlichung mit Chen Ning Yang stellte er die Theorie auf, dass Pionen zusammengesetzte Teilchen darstellen könnten, eine Idee, die später von Shoichi Sakata weiter ausgearbeitet wurde. Dieses Konzept wurde inzwischen durch das Quark-Modell ersetzt, das davon ausgeht, dass Pionen aus Quarks bestehen, und vervollständigt damit Fermis ursprüngliches Modell und bestätigt seinen methodischen Ansatz.

Fermi verfasste eine bahnbrechende Arbeit mit dem Titel „Über den Ursprung der kosmischen Strahlung“, in der er postulierte, dass kosmische Strahlung aus Material stammt, das durch interstellare Magnetfelder beschleunigt wird, eine Hypothese, die zu bemerkenswerten Meinungsverschiedenheiten mit Teller führte. Fermi untersuchte auch die Komplexität magnetischer Felder innerhalb der Spiralarme von Galaxien. Darüber hinaus beschäftigte er sich mit dem, was heute als „Fermi-Paradoxon“ bekannt ist: dem scheinbaren Widerspruch zwischen der hohen Wahrscheinlichkeit außerirdischen Lebens und dem Fehlen eines beobachteten Kontakts.

Gegen Ende seines Lebens äußerte Fermi Vorbehalte hinsichtlich der kollektiven Fähigkeit der Gesellschaft, vernünftige Entscheidungen in Bezug auf die Nukleartechnologie zu treffen, und erklärte:

Einige von Ihnen fragen sich vielleicht: Was nützt es, so hart zu arbeiten, nur um ein paar Fakten zu sammeln, die außer ein paar langhaarigen Professoren, die es lieben, solche Dinge zu sammeln, kein Vergnügen bereiten und für niemanden von Nutzen sein werden, weil sie bestenfalls nur wenige Spezialisten verstehen können? Als Antwort auf solche Fragen kann ich eine ziemlich sichere Vorhersage wagen.

Die Geschichte der Wissenschaft und Technologie hat uns immer wieder gelehrt, dass wissenschaftliche Fortschritte im grundlegenden Verständnis früher oder später zu technischen und industriellen Anwendungen geführt haben, die unsere Lebensweise revolutioniert haben. Es erscheint mir unwahrscheinlich, dass dieser Versuch, die Struktur der Materie zu ergründen, eine Ausnahme von dieser Regel sein sollte. Was weniger sicher ist und was wir alle inständig hoffen, ist, dass der Mensch bald erwachsen genug sein wird, um die Kräfte, die er über die Natur erlangt, sinnvoll zu nutzen.

Tod

Im Oktober 1954 unterzog sich Fermi einem „explorativen“ chirurgischen Eingriff im Billings Memorial Hospital und kehrte anschließend nach Hause zurück. Fünfzig Tage später erlag er im Alter von 53 Jahren in seinem Haus in Chicago einem inoperablen Magenkrebs. Fermi hatte vermutet, dass die Arbeit in der Nähe des Atomhaufens erhebliche Risiken mit sich brachte, doch er beharrte darauf und glaubte, dass die potenziellen Vorteile die Gefahren für seine persönliche Sicherheit überwiegen. Bemerkenswert ist, dass zwei seiner studentischen Hilfskräfte, die ebenfalls in der Nähe des Stapels arbeiteten, später an Krebs starben.

In der Kapelle der University of Chicago fand ein Gedenkgottesdienst statt, bei dem die Kollegen Samuel K. Allison, Emilio Segrè und Herbert L. Anderson Trauerreden über den Verlust eines der brillantesten und produktivsten Physiker der Welt hielten. Seine sterblichen Überreste wurden im Anschluss an einen privaten Grabgottesdienst für die unmittelbare Familie, der von einem lutherischen Geistlichen geleitet wurde, auf dem Oak Woods Cemetery beigesetzt.

Auswirkungen und Vermächtnis

Legacy

Enrico Fermi erhielt zahlreiche Auszeichnungen für seine wissenschaftlichen Beiträge, darunter die Matteucci-Medaille (1926), den Nobelpreis für Physik (1938), die Hughes-Medaille (1942), die Franklin-Medaille (1947) und den Rumford-Preis (1953). Seine entscheidende Rolle im Manhattan-Projekt wurde 1946 mit der Medal for Merit gewürdigt. Fermis herausragende Karriere führte auch zu seiner Wahl zum Mitglied der American Philosophical Society im Jahr 1939 und zum ausländischen Mitglied der Royal Society (FRS) im Jahr 1950. Eine Gedenktafel zu Ehren von Fermi befindet sich in der Basilika Santa Croce in Florenz, die aufgrund ihrer zahlreichen Beisetzungen namhafter italienischer Persönlichkeiten oft als Tempel des italienischen Ruhms bezeichnet wird Künstler, Wissenschaftler und historische Persönlichkeiten. Im Jahr 1999 nahm das Magazin Time Fermi in seine Zusammenstellung der 100 einflussreichsten Persönlichkeiten des 20. Jahrhunderts auf. Fermi galt weithin als einer der seltenen Physiker des 20. Jahrhunderts, der sowohl auf theoretischen als auch auf experimentellen Gebieten außergewöhnliche Fähigkeiten bewies. Emilio Segrè, ein Radiochemiker und Kernphysiker, charakterisierte Fermi als „den letzten universellen Physiker in der Tradition großer Männer des 19. Jahrhunderts“ und behauptete, er sei „der letzte Mensch gewesen, der die gesamte Physik seiner Zeit kannte“. In ähnlicher Weise bemerkte der Chemiker und Schriftsteller C. P. Snow: „Wenn Fermi ein paar Jahre früher geboren worden wäre, könnte man sich gut vorstellen, dass er Rutherfords Atomkern entdeckt und dann Bohrs Theorie des Wasserstoffatoms entwickelt hat. Wenn das wie eine Übertreibung klingt, wird alles an Fermi wahrscheinlich wie eine Übertreibung klingen.“

Fermi war als inspirierender Pädagoge bekannt, der sich durch seine akribische Liebe zum Detail, Klarheit und gründliche Vorbereitung seiner Vorlesungen auszeichnete. Diese Vorlesungsunterlagen wurden anschließend in veröffentlichten Büchern zusammengestellt. Seine umfangreiche Sammlung von Papieren und Notizbüchern wird derzeit an der University of Chicago aufbewahrt. Victor Weisskopf stellte fest, dass es Fermi „immer gelungen ist, den einfachsten und direktesten Ansatz mit einem Minimum an Komplikationen und Komplexität zu finden“. Obwohl Fermi über beträchtliche mathematische Fähigkeiten verfügte, bevorzugte er stets einfache Lösungen und vermied komplexe theoretische Rahmenwerke, wenn einfachere Alternativen verfügbar waren. Er wurde für seine Fähigkeit gefeiert, Probleme, die andere verwirrten, schnell und präzise zu lösen. Dieser besondere Ansatz zur Ableitung ungefährer und schneller Lösungen durch „Back-of-the-Envelope“-Berechnungen wurde informell als „Fermi-Methode“ anerkannt, eine Technik, die heute weithin in die Lehrpläne integriert ist.

Fermi betonte häufig den historischen Kontext, dass Alessandro Volta während seiner Laborarbeit die tiefgreifenden zukünftigen Auswirkungen der Elektrizitätsforschung nicht vorhersehen konnte. Fermis Vermächtnis ist vor allem mit seinen grundlegenden Beiträgen zur Kernenergie und Kernwaffen verbunden, insbesondere mit der Konzeptualisierung und dem Bau des ersten Kernreaktors sowie seiner Beteiligung an der Entwicklung der ersten Atom- und Wasserstoffbomben. Sein umfangreiches wissenschaftliches Werk hat eine bemerkenswerte Langlebigkeit und einen bemerkenswerten Einfluss bewiesen. Zu den Schlüsselelementen dieser dauerhaften Arbeit gehören seine Theorie des Beta-Zerfalls, Untersuchungen zu nichtlinearen Systemen, die Entdeckung langsamer Neutroneneffekte, Studien zu Pion-Nukleon-Kollisionen und die Formulierung der Fermi-Dirac-Statistik. Darüber hinaus brachte seine vorausschauende Hypothese über die nichtfundamentale Natur des Pions die anschließende Erforschung von Quarks und Leptonen erheblich voran.

In seinem persönlichen Auftreten verkörperte Fermi Einfachheit. Er zeigte bemerkenswerte Energie und eine ausgeprägte Begeisterung für Spiele und Sportarten, wobei sein Wettbewerbscharakter häufig zum Vorschein kam. So betrieb er beispielsweise mit großer Intensität Tennis und übernahm beim Bergsteigen eine Führungsrolle. Er könnte als wohlwollender Diktator charakterisiert werden; Eine Anekdote erzählt, wie Fermi auf einem Berggipfel erklärte: „Nun, es ist zwei Minuten vor zwei, lasst uns alle um zwei Uhr aufbrechen“, worauf alle prompt und gehorsam eingingen. Diese inhärente Führungsstärke und Selbstsicherheit brachten Fermi den Spitznamen „Der Papst“ ein, was die wahrgenommene Unfehlbarkeit seiner Aussagen in der Physik symbolisiert. Er formulierte einmal seinen pragmatischen Ansatz und erklärte: „Ich kann auf ein paar Blättern alles in der Physik innerhalb eines Faktors 2 berechnen; um den numerischen Faktor vor der Formel richtig hinzubekommen, könnte ein Physiker durchaus ein Jahr brauchen, um es zu berechnen, aber das interessiert mich nicht.“ Obwohl seine Führung überzeugend war, stellte sie gelegentlich eine Herausforderung für die Autonomie seiner Mitarbeiter dar. Bei einem denkwürdigen Vorfall in seinem Haus intervenierte Fermi, als seine Frau Brot schnitt, vertrat eine andere Philosophie bei der Aufgabe, nahm das Messer und fuhr mit dem Schneiden fort, überzeugt von der Überlegenheit seiner Methode. Dennoch wurden diese Aktionen nicht als beleidigend empfunden; Vielmehr trugen sie zu seiner charmanten Persönlichkeit bei und machten ihn bei anderen beliebt. Seine Interessen außerhalb der Physik waren deutlich begrenzt; Als er Musik auf Tellers Klavier hörte, gab er zu, dass sein musikalisches Verständnis sich nur auf einfache Melodien erstreckte.

Nomenklatur zu Ehren von Fermi

Zahlreiche Organisationen wurden zu Ehren von Fermi benannt. Dazu gehören der Teilchenbeschleuniger und das Physiklabor Fermilab in Batavia, Illinois, das 1974 zu seinen Ehren benannt wurde. Darüber hinaus würdigt das 2008 benannte Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop seine bedeutenden Beiträge zur Erforschung der kosmischen Strahlung. Darüber hinaus tragen drei Kernreaktoranlagen seinen Namen: die Kernkraftwerke Fermi 1 und Fermi 2 in Newport, Michigan; das Kernkraftwerk Enrico Fermi in Trino Vercellese, Italien; und der Forschungsreaktor RA-1 Enrico Fermi in Argentinien. Das synthetische Element Fermium, das aus den Überresten des Ivy-Mike-Atomtests von 1952 identifiziert wurde, wurde benannt, um an Fermis tiefgreifenden Einfluss auf die wissenschaftliche Gemeinschaft zu erinnern. Damit gehört er zu den 16 Wissenschaftlern, denen zu Ehren ein chemisches Element benannt wurde.

Seit 1956 verleiht ihm die Atomenergiekommission der Vereinigten Staaten und ab 1977 auch das Energieministerium der Vereinigten Staaten ihre prestigeträchtigste Auszeichnung, den Fermi Award. Zu den namhaften Empfängern dieser Auszeichnung zählen Otto Hahn, Robert Oppenheimer, Edward Teller und Hans Bethe.

Veröffentlichungen

• Einführung in die Atomphysik (italienische Ausgabe). Bologna: N. Zanichelli. 1928. OCLC 9653646.Physics for High Schools (italienische Ausgabe). Bologna: N. Zanichelli. 1929. OCLC 9653646.Molecules and Crystals (italienische Ausgabe). Bologna: N. Zanichelli. 1934. OCLC 19918218.Thermodynamik. New York: Prentice Hall. 1937. OCLC 2379038.Physics for Technical Institutes (italienische Ausgabe). Bologna: N. Zanichelli. 1938.Physics for Scientific High Schools (italienische Ausgabe). Bologna: N. Zanichelli. 1938.Elementarteilchen. New Haven: Yale University Press. 1951. OCLC 362513.Anmerkungen zur Quantenmechanik. Chicago: The University of Chicago Press. 1961. OCLC 1448078.Patente
  • US-Patent 2206634, „Verfahren zur Herstellung radioaktiver Stoffe“, erteilt im Juli 1940
  • US-Patent 2836554, „Air Cooled Neutronic Reactor“, erteilt im April 1950
  • US-Patent 2524379, „Neutron Velocity Selector“, erteilt im Oktober 1950
  • US-Patent 2852461, „Neutronic Reactor“, erteilt im September 1953
  • US-Patent 2708656, „Neutronic Reactor“, erteilt im Mai 1955
  • US-Patent 2768134, „Testing Material in a Neutronic Reactor“, erteilt im Oktober 1956
  • US-Patent 2780595, „Test Exponential Pile“, erteilt im Februar 1957
  • US-Patent 2798847, „Method of Operating a Neutronic Reactor“, erteilt im Juli 1957
  • US-Patent 2807581, „Neutronic Reactor“, erteilt im September 1957
  • US-Patent 2807727, „Neutronic Reactor Shield“, erteilt im September 1957
  • US-Patent 2813070, „Method of Sustaining a Neutronic Chain Reacting System“, erteilt im November 1957
  • US-Patent 2837477, „Chain Reacting System“, erteilt im Juni 1958
  • US-Patent 2931762, „Neutronic Reactor“, erteilt im April 1960
  • US-Patent 2969307, „Method of Testing Thermal Neutron Fissionable Material for Purity“, erteilt im Januar 1961

  Referenzen

  Quellen

  Bernstein, Barton J. „Vier Physiker und die Bombe: Die frühen Jahre, 1945-1950.“ Historische Studien in den physikalischen und biologischen Wissenschaften (1988) 18#2; Dieser Artikel untersucht die Rollen von Oppenheimer, Fermi, Lawrence und Compton.

  • Bernstein, Barton J. „Vier Physiker und die Bombe: Die frühen Jahre, 1945-1950“ Historische Studien in den physikalischen und biologischen Wissenschaften (1988) 18#2; deckt Oppenheimer, Fermi, Lawrence und Compton ab. online
  • Galison, Peter und Barton Bernstein. „In jeder Hinsicht: Wissenschaftler und die Entscheidung, die Superbombe zu bauen, 1952–1954.“ Historische Studien in den physikalischen und biologischen Wissenschaften 19.2 (1989): 267–347.

  „An Fermi – mit Liebe – Teil 1.“ Stimmen des Radiosegments Manhattan Project 1971.

  • „An Fermi – mit Liebe – Teil 1“. Stimmen des Radiosegments Manhattan Project 1971
  • „Der erste Reaktor: Gedenkausgabe zum 40-jährigen Jubiläum.“ Energieministerium der Vereinigten Staaten, Dezember 1982.
  • „Die Geschichte vom ersten Stapel.“
  • Die Geschichte des ersten Stapels
  • Enrico Fermis Fallakte am Franklin Institute mit detaillierten Angaben zu seinen Beiträgen zur theoretischen und experimentellen Physik.
  • „In Erinnerung an Enrico Fermi.“ Sitzung J1. APS April Meeting 2010, American Physical Society.
  • Rhodes, Richard. „Zeit 100: Enrico Fermi.“ *Time*, 29. März 1999.
  • Enrico Fermis Aufenthalt bei Paul Ehrenfest in Leiden.