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ENRICO FERMI E LA SCUOLA DI ROMA Luisa Bonolis

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Presentazione sul tema: "ENRICO FERMI E LA SCUOLA DI ROMA Luisa Bonolis"— Transcript della presentazione:

1 ENRICO FERMI E LA SCUOLA DI ROMA Luisa Bonolis

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

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5 Dallautunno del 1924 fino ai primi mesi del 1926 Fermi insegna meccanica teorica e fisica matematica allUniversità di Firenze dove ritrova lamico Rasetti, che allepoca è assistente universitario Nel gennaio 1925 Pauli pubblica il suo famoso articolo sul principio di esclusione. Nellestate dello stesso anno Heisenberg, Born e Jordan gettano le basi della nuova meccanica quantistica Esce larticolo 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 allinterno di una nana bianca deve essere un "gas di Fermi" degenere.

6 Una cattedra per Fermi «La Commissione, esaminata la vasta e complessa opera scientifica del prof. Fermi, si è trovata unanime nel riconoscerne le qualità eccezionali e nel constatare che egli, pure in così giovane età e con pochi anni di lavoro scientifico, già onora altamente la fisica italiana. […] egli è oggi il più preparato e il più degno per rappresentare il nostro Paese in questo campo di così alta e febbrile attività scientifica mondiale. La commissione pertanto è unanime nel dichiarare che il prof. Fermi è altamente meritevole di coprire la cattedra di fisica teorica messa a concorso e ritiene di poter fondare su lui le migliori speranze per l'affermazione e lo sviluppo futuro della fisica teorica in Italia».

7 Fermi e Rasetti a via Panisperna

8 I colori dellarcobaleno «Non riesco a ricordare lorigine 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 […] Lidea di una carriera come fisico sembrava ben lontana dallessere 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 allepoca esistevano ben poche prospettive in Italia – in totale circa venti cattedre di fisica, tutte occupate. Al massimo si liberava un posto lanno 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 professori di Emilio Segrè Guido Castelnuovo Francesco Severi «Nel mio primo anno di università studiai algebra con il professor Francesco Severi, geometria con il professor Guido Castelnuovo e chimica con il professor Nicola Parravano. Seguii anche un corso di disegno. Severi faceva delle lezioni eccellenti […] Castelnuovo era un esempio di chiarezza e nonostante la sua voce monotona, che induceva al sonno, si imparavano cose nuove e interessanti. Molto presto, tuttavia, mi venne il sospetto che il chimico Parravano non sapesse sempre di cosa stava parlando. A casa avevo trovato un trattato di fisica-chimica di Walther Nernst e confrontando ciò che avevo imparato da quello con ciò che insegnava Parravano, conclusi che aveva travisato parecchie cose, o che almeno le capiva in modo diverso da me…» (Emilio Segrè)

11 « Al secondo anno Severi ci insegnava lanalisi, il Senatore Orso Mario Corbino, capo del dipartimento, ci insegnava la fisica (praticamente soltanto lelettricità), 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 Le lezioni di fisica e di matematica Tullio Levi-Civita Orso Mario Corbino

12 «Corbino faceva lezione nellaula principale, dove le file arcuate dei banchi digradavano ripide verso la cattedra. Corbino, di statura bassissima, grassottello e vivacissimo, entrava nellaula 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. Laula gremita si faceva dun tratto silenziosa. Lelettricità 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 laveva 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 La Scuola di Ingegneria «Le lezioni erano alluna, non esattamente unora piacevole per Roma, ma linsegnante presentava gli argomenti in un modo affascinante. Lesposizione 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

15 Vacanze in montagna con i logaritmi

16 Ostia, estate 1927 «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

17 Il Convegno di Como 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 lunico 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 allinterno 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 «Nessuno lo notò, ma ero diventato, almeno ufficialmente, il primo allievo di Fermi ed era nata la scuola di fisica di Roma»Emilio Segrè «…Credo che se ci sono persone in grado di fare uno sforzo adeguato, questo è il momento giusto per cambiare da ingegneria a fisica…e se cambiate ci saranno un bel po di opportunità per fare un lavoro molto interessante … Per due anni ero stato molto interessato, ma in un certo senso non avevo avuto il coraggio di farlo. Questa era loccasione per decidere di cambiare. Così mi iscrissi a fisica». (Edoardo Amaldi)

22 Majorana visita lIstituto di fisica «Egli venne allIstituto di Fisica di Via Panisperna e fu accompagnato da Segrè nello studio di Fermi ove si trovava anche Rasetti. Fu in quelloccasione che io lo vidi per la prima volta. Da lontano appariva smilzo, con unandatura timida quasi incerta; da vicino si notavano i capelli nerissimi, la carnagione scura, le gote lievemente scavate, gli occhi vivacissimi e scintillanti: nellinsieme, laspetto di un saraceno». Edoardo Amaldi

23 Studenti a via Panisperna

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

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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 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 allidea 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 dellorigine dinamica del decadimento. I primi modelli di nucleo con neutroni: Heisenberg, Wigner, Majorana 2 giugno 1933, Pauli a Heisenberg : «Per quanto riguarda la fisica nucleare sono tuttora fortemente convinto della validità del teorema dellenergia nel decadimento, se si considera lemissione di altre particelle leggere molto penetranti. Credo anche che il carattere di simmetria dellintero sistema, così come limpulso, debbano essere sempre conservati in tutti i processi nucleari».

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32 22-29 ottobre 1933 VII Convegno Solvay Così, durante il convegno Solvey sui nuclei atomici, a Bruxelles nellottobre 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. Così, durante il convegno Solvey sui nuclei atomici, a Bruxelles nellottobre 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.

33 La creazione e lannichilazione di nuove particelle Fermi a Occhialini (in data non identificata): 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, quellelettrone se ne stesse già là dentro. 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, quellelettrone 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. 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? Facile, vero? Agosto 1932, Iwanenko: Lespulsione di un elettrone è simile alla nascita di una nuova particella. Dicembre 1933, Perrin :Il neutrino...non pre-esiste nel nucleo atomico, è creato allatto dellemissione, come il fotone.

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35 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 nellassumere una interazione puntiforme con una costante di accoppiamento g. Fermi assume quindi che linterazione sia proporzionale alla sovrapposizione della funzione donda delle particelle presenti negli stati iniziali e finali, nello stesso punto dello spazio. Fermi fu guidato in questo campo completamente nuovo dallanalogia con lelettrodinamica. n p

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

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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 tuttoggi di essere un profondo conoscitore. Entrai alla Facoltà di Ingegneria dellUniversità 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 allUniversità 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 lattività di un solo campione (un cilindro standard dargento) succedeva che risultava difficile riprodurre i risultati…Non riuscivamo a trovare una spiegazione alle irregolarità dellattività 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 dargento facendo passare i neutroni della sorgente attraverso un cuneo di paraffina, invece che di piombo…

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 largento invece di diminuire lattivazione la aumenta». I neutroni rallentati fino allenergia dellagitazione termica delle molecole dalle collisioni con nuclei di idrogeno passano più tempo nelle vicinanze dei nuclei bersaglio diventando più efficaci nellindurre la radioattività artificiale. La scoperta delleffetto 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.

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

47 Fermi e Amaldi Nel giro di pochi mesi, a cavallo con lanno 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 sullassorbimento 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 dellenergia del neutrone e che permette una rappresentazione grafica unidimensionale della successione di collisioni elastiche che portano il neutrone alla termalizzazione. Fermi sviluppa unequazione 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 nellaprile 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 lenergia totale, la parità e il momento angolare. La ragione principale della stabilità dello stato composto è che lenergia 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 unaltra particella, questultima 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

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51 «Per aver dimostrato lesistenza di nuovi elementi radioattivi prodotti dallirradiazione mediante neutroni e per la scoperta, legata alla precedente, delle reazioni nucleari provocate da neutroni lenti»

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56 – Il nuovo istituto di Fisica dellUniversità di Roma


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