Enrico Fermi

Enrico Fermi (29 Eylül 1901, Roma - 28 Kasım 1954, Chicago), İtalyan fizikçi. En çok Chicago Pile-1 (ilk nükleer reaktör) ile ilgili çalışmaları ve kuantum teorisi, nükleer ve parçacık fiziği ve istatistiksel mekanik alanlarına katkıları ile tanınır. İlk nükleer reaktörün tasarımını yapan kişidir. Parlak bir öğrenciydi, henüz 21 yaşındayken Pisa Üniversitesi'nden fizik doktoru unvanını aldı. Fermi, nükleer enerjinin kullanımı ile ilgili birkaç patent sahibi olmuştur ve indüklenmiş radyoaktivite üzerine çalışmaları sırasında kullandığı nötron bombardımanı tekniği ve uranyum ötesi elementlerin keşfi sayesinde 1938
Nobel Fizik Ödülünü kazanmıştır. Hem teorik hem deneysel alanda başarılı olan sayılı fizikçiden biridir.
Fermi, ilk olarak istatistiksel mekanik alanına katkıda bulunmuştur. Wolfgang Pauli, 1925 yılında dışlama ilkesini dünyaya duyurduktan sonra Fermi bu prensibi ideal gazlara uyarlayarak bir makale yazmıştır. Bu istatistiksel formüle bugün Fermi-Dirac istatistiği denmektedir. Dışlama ilkesine uyan parçacıklara fermiyon adı verilmiştir. Daha sonra Pauli enerjinin muhafazası ilkesi uyarınca elektron ile birlikte beta bozunması sırasında yayılan yüksüz bir parçacığın varlığını ortaya atmıştır. Fermi bu fikri benimsemiş ve varlığı ortaya atılan bu parçacığı kapsayan ve buna nötrino adını veren bir model oluşturmuştur. Daha sonra Ferminin etkileşimi ve zayıf etkileşim adları verilen bu teori doğanın dört temel güçlerinden birini tanımlamıştır. Radyoaktiviteyi yeni keşfedilen nötronlarla tetikleyen deneyler sonucunda Fermi yavaş nötronların hızlı olanlara göre daha hızlı yakalandığını bulmuştur ve bunu tanımlamak için Fermi yaş denklemini ortaya atmıştır. Toryum ve uranyumu yavaş nötronlarla bombardıman ettikten sonra Fermi yeni elementler keşfettiği kanısına varmıştır ve bu buluşu için Nobel Ödülünü kazanmıştır. Ancak daha sonradan bu yeni elementlerin fizyon ürünleri olduğu ortaya çıkarılmıştır.
Fermi Yahudi olan karısı Laurayı etkileyen yeni İtalyan Irk Yasaları nedeniyle 1938 yılında İtalyayı terk etmiştir. İkinci Dünya Savaşı sırasında Manhattan Projesi üzerinde çalışmak için Amerika Birleşik Devletlerine göç etmiştir. Fermi, 2 Aralık 1942 günü kritik hale gelerek ilk yapay ve kendi kendine devam eden nükleer zincir reaksiyonunu gösteren Chicago Pile-1 reaktörünü dizayn ve inşa eden takımın başkanlığını yapmıştır. 1943 yılında Oak Ridge, Tennesseede bulunan X-10 Grafit Reaktörü kritik hale geldiği anda orada bulunan Fermi Hanford Sitetaki B Reaktörünün kritik hale gelme anında da orada bulunmuştır. Los Alamosta Edward Tellerın termonükleer Süper bombası üzerinde çalışan F Bölüğünü yönetti. 16 Temmuz 1945teki Trinity testinde Fermi metodunu kullanarak bombanın verimini tahmin etti.
Savaştan sonra J. Robert Oppenheimer yönetiminde Genel Danışma Komitesinde çalıştı. Bu komite, Atom Enerjisi Komisyonuna nükleer ve politika konularında öneriler verdi. 1949 Ağustosunda ilk Sovyet fizyon bombasının patlatılmasından sonra Fermi hidrojen bombasının geliştirilmesine ahlaki ve teknik nedenlerden dolayı karşı çıktı. 1954teki davada Oppenheimer adına ifade vererek onun güvenlik yetkisinin iptal edilmesine yol açan bilim adamlarının arasındaydı. Fermi parçacık fiziği alanında pion ve müonlara yönelik önemli çalışmalar yaptı ve kozmik ışınların maddenin yıldızlararası uzayda manyetik alanlar tarafından hızlandırılması ile ortaya çıktığını tahmin etti. Ferminin adına birçok ödül, kavram ve enstitü kurulmuştur. Enrico Fermi Ödülü, Enrico Fermi Enstitüsü, Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, Fermi Gamma Işını Uzay Teleskopu, Enrico Fermi Nükleer Üretim İstasyonu ve yapay element fermiyum bunların arasındadır.
İlk yılları
Enrico Fermi 29 Eylül 1901 tarihinde Romada doğdu. Demiryolları bakanlığında bölükbaşı olan Alberto Fermi ve İlkokul öğretmeni olan İda de Gattis çiftinin üçüncü çocuğuydu. Kız kardeşi Maria Enrico Fermiden 2 yaş büyüktü ve erkek kardeşi Giulio 1 yaş büyüktü. İki erkek çocuk kırsal bir çevrede bir süt anneye gönderildikten sonra Enrico iki buçuk yaşında iken Romaya ailesinin yanına döndü. Ailesinin katolik olmasına ve büyük ebeveynlerinin istekleri doğrultusunda vaftiz olmasına rağmen aile dindar değildi ve Fermi yetişkin hayatı boyunca agnostikti. Çocukluğunda kardeşi Giulio ile birçok ortak ilgi alanı vardı. Birlikte elektrik motorları yaptılar ve elektriksel ve mekanik oyuncaklarla oynadılar. Giulio 1915 yılında boğazındaki bir apsenin alınması sırasında verilen narkozun etkisi nedeniyle hayatını kaybetti.
Ferminin fizik çalışmaları için ilk kaynağı Romadaki Campo de Fiori pazarında bulduğu bir kitaptı. Bu kitap, Collegio Romanoda profesör olan Peder Andrea Caraffanın yazdığı 1840 tarihli 900 sayfalık Latince Elementorum Physicae Mathematicae idi. Kapsadığı konular arasında o zaman bilindikleri kadarıyla matematik, klasik mekanik, astronomi, optik ve akustik yer alıyordu. Fermi bilime ilgisi olan diğer bir öğrenci olan Enrico Persico ile arkadaş oldu ve bu ikili Dünya'nın manyetik alanını ölçme ve jiroskop inşa etme gibi bilimsel projelerde çalıştılar. Ferminin fiziğe olan ilgisi kendisine hızlı bir şekilde okuduğu fizik ve matematikle ilgili çeşitli kitaplar veren babasının meslektaşı Adolfo Amidei tarafından teşvik edildi.
Scuola Normale Superiore yılları
Fermi liseyi Temmuz 1918de bitirdi ve Amideinin desteği ile Pisadaki Scuola Normale Superioreye başvurdu. Diğer oğullarını kaybettikleri için ailesi evden taşınmasına önce izin vermedi, ancak sonradan bu isteğini kabul ettiler. Pisadaki okul öğrencilere ücretsiz barınma sunuyordu, ancak bir kompozisyon yazmayı gerektiren giriş sınavı bir hayli zordu. Verilen tema Seslerin spesifik karakteristikleri idi. 17 yaşındaki Fermi kısmi diferansiyel denklemi türetip çözerek titreşen bir çubuğa uyguladı ve bunu yaparken Fourier analizini kullandı. Sınav gözetmeni Sapienza Üniversitesinden Profesör Giuseppe Pittarelli Fermi ile bir mülakat yaptı ve verdiği sınavın doktora seviyesinde olduğunu söyledi ve Fermi okula birincilikle girdi.
Scuola Normale Superioredeki yıllarında diğer bir öğrenci olan Franco Rasetti ile arkadaş oldu ve birlikte şakalaşıcak kadar samimiydiler ve daha sonra birlikte çalışmaya başladılar. Pisada Fermi fizik laboratuvarının müdürü Luigi Puccianti Fermiye öğretecek pek bir şeyinin olmadığını ve Ferminin ona bir şeyler öğretmesi gerektiğini söyledi. Ferminin kuantum fiziği bilgisi öyle bir seviyeye ulaştı ki Puccianti ondan bu konuda seminerler organize etmesini istedi. Fermi bu sürede Gregorio Ricci ve Tulli Levi-Civita tarafından geliştirilen ve genel görelilik teorisinin prensiplerini göstermek için gerekli olan tensör hesabını öğrendi. Fermi önce matematik branşını seçti, ancak daha sonra fiziğe geçti. Kendi kendine genel görelilik, kuantum mekaniği ve atom fiziği öğrendi.
Eylül 1920de Fermi fizik bölümüne kabul edildi. Bölümde sadece üç öğrenci olduğu için (Fermi, Rasetti ve Nello Carrara) Puccianti onlara laboratuvarı istedikleri gibi kullanmaları için izin verdi. Fermi x-ışını kristalografisini araştırmalarına karar verdi ve üçü birlikte bir kristalin x-ışını resmi olan Laue fotoğrafını üretmeye çalıştılar. Ferminin üniversitedeki üçüncü yılı olan 1921de Fermi İtalyan dergisi Nuovo Cimentoda yazılarını bastırdı. İlk makalesinin adı Katı ve ötelenme hareketi içerisinde olan bir elektrik yükü sisteminin dinamikleri idi. Ağırlık, hareket eden ve üç boyutlu uzayda yer değiştiren bir şey, yani tensör olarak ifade edilmişti. Klasik mekanikte ağırlık skalar bir değerdi, ancak görelilikte hız ile değişir. İkinci makale Elektromanyetik yüklerin ağırlıkları ve elektromanyetik akımlardan oluşan yeknesak bir yerçekimi alanının elektrostatiği üzerine idi. Genel göreliliği kullanarak Fermi bir yükün ağırlığının U/c2 olduğunu buldu (U sistemin elektrostatik enerjisi iken c ışığın hızıdır).
İlk makale elektrodinamik teorisi ile görelilik teorisi arasındaki çelişmeyi elektromanyetik ağırlığın hesaplanması yönünden ifade etti (elektrodinamik teorisinde 4/3 U/c2). Fermi bir sonraki sene bu sorunu Elektrodinamik ve görelilik teorilerin elektromanyetik ağırlığı açıklaması arasındaki bir çelişme konulu bir makalede gündeme getirdi ve bu çelişmenin göreliliğin bir sonucu olduğunu belirtti. Bu makalenin itibari yüksekti ve Almancaya çevrilerek 1922'de Alman Physikalische Zeitschrift dergisinde basıldı. Aynı yıl, Fermi Zaman çizgileri yakınında gerçekleşen olaylar adlı makalesini İtalyan I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei dergisine verdi. Bu makalede Eşitlik ilkesini ele aldı ve Fermi koordinatlarını sundu. Zaman çizgilerine yakın yerlerde uzayın Öklid uzayı gibi davrandığını kanıtladı.
Fermi Temmuz 1922'de Scuola Normale Superiore'ye Olasılık ve uygulamaları üzerine bir teorem başlıklı tezini sundu ve 21 yaşında diplomasını aldı. Tezi, x ışını difraksiyon resimleri üzerineydi. Teorik fizik henüz İtalya'da bir disiplin olarak tanınmıyordu ve bu alanda yalnızca deneysel fizik üzerine tezler kabul ediliyordu. Bu nedenle İtalyan fizikçiler Almanya'dan gelen görelilik gibi fikirleri daha geç kabul ettiler. Fermi laboratuvar deneylerinde oldukça iyi olduğu için bu onun için bir problem değildi.
August Kopff'un Göreliliğin Matematiksel Teorisi adlı kitabına bir eklenti yazarken Einstein'ın ünlü E = mc2 denkleminin içerisinde muazzam bir miktarda nükleer enerjinin potansiyelinin yattığını fark etti. Fermi, Yakın gelecekte bu korkunç miktarda enerjinin salınması mümkün gözükmüyor, çünkü bu olay gerçekleştiğinde bu enerji patlamasının ilk işi onu yaratan fizikçiyi parçalara ayırmak olacaktır dedi.
1924 yılında Fermi İtalyan Masonlarının Adriano Lemmi locasına alındı.
Fermi yurtdışına gitmeye karar verdi ve Göttingen Üniversitesi'nde Max Born'un bir dönem öğrencisi oldu. Burada Werner Heisenberg ve Pascual Jordan ile tanıştı. Fermi daha sonra Leiden'da Paul Ehrenfest ile Eylül-Aralık 1924 arasında kendisine matematikçi Vito Volterra'nın sağladığı Rockefeller bursuyla okudu. Fermi burada Hendrik Lorentz ve Albert Einstein ile tanıştı ve Samuel Goudsmit ve Jan Tinbergen ile arkadaş oldu. Ocak 1925'ten 1926'nın sonlarına kadar Fermi Floransa Üniversitesi'nde matematiksel fizik ve teorik mekanik dersleri verdi ve burada Rasetti ile cıva buharına manyetik alanların etkisi üzerine deneyler yaptı. Roma Sapienza Üniversitesi'nde seminerlere de katıldı ve kuantum mekaniği ile katı hal fiziği dersleri cerdi. Schrödinger'in denklemini olağanüstü bir kesinlikle kullanarak yeni kuantum mekaniği dersleri verdiği sırada Fermi Denklemin bu kadar iyi uyması inanılmaz dedi.
Wolfgang Pauli 1925'te dışlama ilkesini ortaya attığında Fermi buna karşılık olarak Kusursuz tek atomlu gazın nicelendirilmesi adlı bir makale yazdı ve burada dışlama ilkesini ideal bir gaza uyarladı. Bu makale Fermi'nin istatistiksel formülleri açısından önemliydi çünkü birçok aynı parçacıktan oluşan bir sistemde parçacıkların dışlama ilkesi uyarınca dağılımını açıklıyordu. Bu bağımsız olarak Britanyalı fizikçi Paul Dirac tarafından geliştirildi ve ayrıca Bose-Einstein istatistiğine uyduğu da gösterildi. Böylece bugün buna Fermi-Dirac istatistiği denmektedir. Dirac'a göre dışlama ilkesine uyan parçacıklar fermiyonlardı ve buna uymayanlar ise bosonlar idi.
Roma'daki Profesörlüğü
İtalya'da profesörlükler konkur ile verilmekteydi ve adaylar bir profesör komitesi tarafından yayınları üzerinden değerlendirilmekteydi. Fermi Sardunya'da Cagliari Üniversitesi'nde matematiksel fizik bölümüne başvurdu ancak yerine Giovanni Giorgi alındı. Bunun üzerine Sapienza Üniversitesi'ne başvurdu. İtalya'daki 3 teorik fizik pozisyonundan biri olan bu pozisyon Eğitim Bakanı'nca Profesör Orso Mario Corbino'nun isteği üzerine kurulmuştu. Corbino üniversitenin deneysel fizik profesörüydü, ayrıca Fizik Enstitüsü Başkanı ve Mussolini'nin hükumetinin üyesiydi. Seçim komitesinin de başkanı olan Corbino bu yeni pozisyonun İtalya'da fiziğin standardını ve itibarını artıracağını umuyordu. Komite Enrico Persico ve Aldo Pontremoli yerine Fermi'yi seçti ve Corbino Fermi'ye asistanlarını seçmesinde yardım etti. Bu gruba Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana ve Emilio Segre gibi önemli isimler katıldı. Franco Rasetti de Fermi tarafından yardımcı olarak atandı. Bu grup daha sonra Fizik Enstitüsünün sokağı olan Via Panisperna gençleri adını aldı.
Fermi 19 Temmuz 1928'de üniversitede bilim okuyan Laura Capon ile evlendi. İki çocukları oldu: Ocak 1931 doğumlu Nella ve Şubat 1936 doğumlu Giulio. Fermi 18 Mart 1929'da Mussolini tarafından İtalya Kraliyet Akademisi üyesi yapıldı ve 27 Nisan'da Faşist Parti üyesi oldu. Daha sonra Mussolini tarafından İtalyan faşizmini Alman nasyonal sosyalizmine yaklaştırmak için 1938'de çıkarılan ırk yasaları nedeniyle faşizme karşı çıktı. Bu yasalar Yahudi olan Laura'yı tehlikeye soktu ve Fermi'nin birçok asistanını işsiz bıraktı.
Roma'dayken Fermi ve grubu fiziğin teorik ve pratik alanlarına birçok önemli katkıda bulundu. 1928 yılında Atomik Fiziğe Giriş adlı kitabı yayınladı ve bu sayede İtalyan üniversite öğrencilerine güncel ve okunabilir bir metin sunmuş oldu. Fermi ayrıca halka açık dersler verdi ve popüler makaleler yazarak bilim adamları ve öğretmenlere yeni fiziği yaymalarınca yardımcı oldu. Öğretme metodu, günün sonunda meslektaş ve öğrencilerini toplayarak kendi araştırmalarında karşılaştığı bir problemi çözmekten ibaretti. Bu sayede yabancı öğrenciler de İtalya'ya gelmeye başladı. Bunların en ünlüsü Alman fizikçi Hans Bethe idi. Bethe Rockefeller bursuyla Roma'ya 1932'de geldi ve Fermi ile İki elektronun etkileşimi üzerine adlı makalede çalıştı.
Fizikçiler bu dönemde atom çekirdeğinden elektronun salınması olan beta çürümesini anlamakta zorluk çekiyordu. Enerjinin korunması yasasını tamamlamak için Pauli yüksüz ve ağırlıksız görünmez bir parçacığın aynı zamanda salındığını ortaya attı. Fermi bu fikri geliştirerek 1933'te ve 1934'te birer makale yazdı ve bu parçacığa nötrino adını verdi. Daha sonra Fermi'nin etkileşimi ve zayıf etkileşim denen bu teori, doğanın dört temel kuvvetinden birini tanımladı. Nötrino onun ölümünden sonra bulundu ve teorisi neden bulunmasının zor olduğunu kanıtladı. Britanya'da Nature dergisine makalesini sunduğu zaman editör bunu reddetti ve gerçeklikten çok uzak olduğunu söyledi. Bu nedenle makale İngilizceden önce Almanca ve İtalyanca basıldı.
1968 İngilizce versiyonunun girişinde fizikçi Fred L. Wilson şöyle yazdı:
Fermi'nin teorisi Pauli'nin nötrino önergesini geliştirmenin ötesinde modern fiziğin tarihinde önemli bir yere sahiptir. O zamanda sadece doğal beta yayıcılar bilinmekteydi. Daha sonra pozitron çürümesi bulununca Fermi'nin teorisi çerçevesinde kolayca tanımlandı. Onun teorisine göre bir çekirdeğin yörüngesel bir elektronu yakalaması beklenen ve gözlemlenebilen bir şeydi. Zamanla çok fazla deneysel bilgi toplandı. Beta çürümesinde birçok gariplik gözlemlenmiş olsa da Fermi'nin teorisi her zaman bunları açıklayabildi. Fermi'nin teorisi inanılmaz etkiler yaratmıştır. Örneğin, nükleer yapının incelenmesin için beta spektroskopisi geliştirildi. Ancak Fermi'nin en önemli katkısı onun etkileşim modeliyle başka birçok etkileşimin açıklanabilmesidir. Materyal parçacıkların oluşumu ve yok edilişi üzerine ilk başarılı teoriydi. Önceden sadece fotonların böyle davrandığı bilinmekteydi.
Ocak 1934'te Irene Joliot-Curie ve Frederic Joliot elementleri alfa parçacıklarıyla bombardıman ederken onları radyoaktif hale getirdiklerini duyurdular. Martta Fermi'nin asistanı Gian-Carlo Wick Fermi'nin beta çürümesi teorisini kullanarak teorik bir açıklama getirdi. Fermi deneysel fiziğe geçmeye karar verdi ve James Chadwick'in 1932'de keşfettiği nötronu kullanmaya başladı. Mart 1934'te Fermi Rasetti'nin polonyum-berilyum nötron kaynağı ile radioaktiviteyi oluşturmayı denedi. Nötronların elektrik yükü yoktu, bu nedenle pozitif bir çekirdek onların yönünü değiştiremezdi. Bu da çekirdeği delmek için yüklü parçacıklardan daha az enerji gerektiği anlamına geliyordu ve Via Panisperna gençlerinin sahip olmadığı parçacık hızlandırıcıya gerek kalmıyordu.
Fermi polonyum-berilyum nötron kaynağını radon-berilyum kaynağı ile değiştirdi. Bunu cam bir ampulü berilyum tozuyla doldurduktan sonra havayı boşaltıp 50 mCi radon gazı ekleyerek yaptı. Bu daha güçlü bir nötron kaynağı yarattı, ancak etkisi radon'un 3.8 günlük yarı ömrü ile sınırlıydı. Fermi bu kaynağın gamma ışınları da yayacağını biliyordu, ancak teorisine göre bu deneyin sonuçlarını etkilemezdi. Hazır bulunan yüksek atom numaralı bir element olan Platini bombardıman ederek başladı ancak sonuç alamadı. Daha sonra aluminyumu denedi; bunun sonucunda bir alfa parçacığı oluştu ve önce sodyum, daha sonra magnezyuma dönüştü. Sonuçsuz deneylerinde kurşunu ve kalsiyum florür şeklinde alfa parçacığı yayarak nitrojen ve oksijene çürüyen floridi denedi. 22 değişik elementi radyoaktif hale getirmeyi başardı. Fermi nötron sebepli radyoaktiviteyi İtalyan La Ricerca Scientifica dergisinde 25 Mart 1934'te yayınladı.
Toryum ve uranyumu doğal radyoaktivitesi bu elementlerin nötronlarla bombardıman edildiğinde ne olduğunu görmeyi zorlaştırıyordu ancak uranyumdan hafif ve kurşundan ağır elementleri yok ederek Fermi yeni elementler bulduğunu belirtti ve bunlara hesperyum ve ausonyum adını verdi. Kimyager Ida Noddack bunu eleştirdi ve bazı deneylerin kurşundan hafif elementler oluşturduğunu söyledi. Noddack'in eleştirisi ciddiye alınmadı çünkü onun takımı uranyumla deney yapmamıştı ve masuryum 'u (teknetyum) buluşuna kesin gözüyle bakılmıyordu. O zamanda fizyonun teorik olarak olasılıksız ve imkansız olduğu düşünülüyordu. Fizikçiler yüksek atom numaralı elementlerin nötron bombardımanından hafif elementlerden oluşacağını beklerken kimse nötronların ağır bir atomu Noddack'in dediği gibi iki hafif parçaya bölebileceğini beklemiyordu.
Via Panisperna gençleri açıklanamayan bazı etkiler de gördüler. Deney mermer yerine tahta bir masada daha iyi yapılıyordu. Fermi Joliot-Curie ve Chadwick'in parafin mumunun nötronları yavaşlattığını söylediğini hatırladı ve bunu denemeye karar verdi. Nötronlar parafin mumundan geçerken gümüşte parafinsiz deneye nazaran yüzlerce kat daha fazla radyoaktivite oluşturdular. Fermi bunun parafindeki hidrojen atomları yüzünden olduğunu düşündü. Tahtadaki atomlar da mermer ile aradaki farkı açıklıyordu. Bir nötronun çarpıştığı elementin çekirdeğinin atom numarası ne kadar düşükse, kaybettiği enerji de o kadar yüksekti ve bu nedenle nötronu yavaşlatmak için az çarpışma gerekiyordu. Fermi bunun daha fazla radyoaktivite oluşturduğunu fark etti çünkü yavaş nötronlar hızlı olanlardan daha kolay yakalanıyordu. Bunu açıklamak için bir difüzyon denklemi geliştirdi ve bu denklem daha sonra Fermi yaş denklemi adını aldı.
1938 yılında Fermi 37 yaşındayken nötronla ışınama sonucu ortaya çıkan yeni elementlerin varlığını gösterme ve buna bağlı olan yavaş nötronlarla nükleer reaksiyonları keşfetme üzerine çalışmaları için Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Fermi Stockholm'da ödülü aldıktan sonra İtalya'ya dönmedi ve ailesiyle Aralık 1938'de New York City'ye taşındı ve vatandaşlığa başvurdu. Ailenin Amerika'ya taşınma kararı öncelikle İtalya'daki ırk yasalarının bir sonucuydu.
Manhattan Projesi
Fermi 2 Ocak 1939'da New York City'ye geldi. Hemen beş değişik üniversiteden teklif aldı ve 1936 yazında ders vermiş olduğu Columbia Üniversitesi'ninkini kabul etti. Aralık 1938'de Alman kimyagerler Otto Hahn ve Fritz Strassmann'ın baryumu uranyumu nötron bombardımanına tutarak bulduğunu öğrendi ve Lise Meitner ve yeğeni Otto Frisch bunu nükleer fizyonun ürünü olarak tanımladı. Frisch bunu deneysel olarak 13 Ocak 1939'da kanıtladı. Frisch ve Meitner'ın Hahn ve Strassmann'ın keşfinin incelemesi Atlantik Okyanusu'nu Niels bohr ile geçti. Princeton'da ders veren Bohr bunu İsidor İsaac Rabi ve Willis Lamb'e söyledi ve onlar da bunu Columbia'ya taşıdı. Rabi bunu Fermi'ye söylediğini iddia etti ancak Fermi daha sonra Lamb'in söylediğini belirtti:
Ocak 1939 ayını çok iyi hatırlıyorum. Pupin Laboratuvarı'nda çalışmaya başlamıştım çünkü her şey çok hızlı gelişiyordu. O dönemde Niels Bohr Princeton'da ders vermekteydi ve bir öğleden sonra Willis Lamb heyecanla bana gelip Bohr'un iyi haberler verdiğini söyledi. Bu haber, fizyonun buluşu ve tanımının genel bir fikrini içeriyordu. Aynı ay, Washington'da bir toplantı oldu ve burada yeni bulunan fizyonun önemi ve nükleer enerji kaynağı olabilmesi konuşuldu.
Noddack sonunda haklı çıkmıştı. Fermi hesaplamalarına göre fizyonun olasılığını yok saymıştı, ancak tek nötron sayılı bir nüklidin fazladan bir nötron almasında ortaya çıkan bağlayıcı enerjiyi göz ardı etmişti. Fermi için bu haber utanç vericiydi çünkü bulduğunu düşündüğü ve Nobel aldığı transuranik elementler element değil, fizyon ürünleriydi. Nobel kabul konuşmasına bunu ekledi.
Columbia'daki bilim adamları uranyumun nötron bombardımanında verdiği enerjiyi ölçmeye karar verdi. 25 Ocak 1939'da Columbia'daki Pupin Hall'ın bodrum katında, Fermi ve deney takımı ABD'nin ilk nükleer fizyon deneyini yaptılar. Takımın diğer üyeler Herbert L. Anderson, Eugene T. Booth, John R. Dunning, G. Norris Glasoe ve Francis G. Slack idi. Ertesi gün, Beşinci Washington Teorik Fizik konferansı Washington DC'de başladı. George Washington Üniversitesi ve Carnegie Enstitüsü'nün bu ortak konferansında fizyonun haberi iyice yayıldı ve başka deneylere yol açtı.
Fransız bilim adamları Hans von Halban, Lew Kowarski ve Frederic Joliot-curie uranyumun nötron bombardımanında aldığından fazla nötron verdiğini bulmuştu. Fermi ve Anderson da birkaç hafta sonra bunu buldu. Leo Szilard Fermi ve Anderson'ın fizyon deneylerini yeni bir boyuta taşımak için Kanadalı radyum üreticisi Eldorado Gold Mines Limited'den 200 kilogram uranyum oksit elde etti. Fermi ve Szilard birlikte kendi kendine yeten bir nükleer reaksiyon (nükleer reaktör) geliştirdi. Hidrojenin suda emdiği nötronların sayısı ve hızı yüzünden doğal uranyumu nötron moderatörü kullanarak kendiliğinden olan bir nükleer reaksiyon yapmak zordu. Fermi su yerine uranyum oksit bloklar ve grafiti kullanayı teklif etti. Böylece nötron yakalama hızı azalacak ve kendi kendine yeten bir zincir reaksiyonu olacaktı. Szilard çalışan bir dizayn sundu: grafit tuğlaların arasında uranyum oksit blokları. Szilard, Anderson ve Fermi Uranyum'da Nötron Üretimi adlı bir makale yazdı. Ancak kişilikleri farklı olduğu için Fermi Szilard'la çalışmakta zorluk çekti.
Fermi askeri liderleri nükleer enerjinin gücü hakkında uyaran ilk kişi oldu ve bunu 18 Mart 1939'da Deniz Kuvvetleri'nde verdiği derste yaptı. Deniz kuvvetleri Columbia araştırmalarına 1500 dolar takviyede bulundular ancak verdikleri cevap gene de Fermi için yeterli değildi. Daha sonra Szilard, Eugene Wigner ve Edward Teller Einstein imzalı meşhur mektubu Başkan Roosevelt'e yollayarak Nazi Almanyası'nın atom bombası yapabileceğini yazdılar. Böylece Roosevelt S-1 Uranyum Komitesi'ni oluşturdu.
S-1 Komitesi Fermi'ye grafit alması için para sağladı ve bununla Pupil Hall Laboratuvarı'nda bir grafit tuğla yığıntısı yaptı. Ağustos 1941'de altı ton uranyum oksit ve 30 ton grafiti vardı ve bununla Columbia'da daha büyük bir düzen kurdu.
S-1 Komitesi tekrar 18 Aralık 1941'de buluştu ve ABD artık 2. Dünya Savaşı'na girdiği için çalışmalar önem kazandı. Çalışmaların çoğu zenginleştirilmiş uranyum üretmeye yönelikti, ancak komite üyesi Arthur Compton daha mantıklı bir alternatifin plütonyum olduğunu ve 1944'ün sonuna kadar bunun reaktörlerde seri üretime geçebileceğini söyledi. Chicago Üniversitesi'nde plütonyum çalışmaları başlattı. Fermi istemeyerek taşındı ve takımıyla yeni Metalurji Laboratuvarı'nda görev aldı.
Kendi kendine yeten bir nükleer reaksiyonun sonuçları kesin değildi ve bu nedenle Chicago kampüsünde şehrin ortasında bunu yapmamaya karar verdiler. Compton Argonne Woods Ormanı'nda Chicago'ya 32 kilometre uzaklıkta bir yer buldu. Stone & Webster alanı geliştirmek için iş aldı ancak endüstriyel bir anlaşmazlık nedeniyle durdular. Fermi Compton'ı reaktörü Chicago'nun Stagg Field'ının altındaki squash kortunda inşa etmeye ikna etti. Bu inşaat 6 Kasım 1942'de başladı ve Chicago Pile-1 2 Aralık'ta kritik hale geldi. Yığının şekli küre biçimindeydi, ancak Fermi bütün düzeni kurmadan kritik hale gelebileceğini hesapladı.
Bu deney enerji arayışında önemli bir noktaydı ve Fermi'nin tipik yaklaşımını gösterdi. Her adım dikkatlice planlandı ve her hesaplama dikkatlice yapıldı. İlk kendi kendine yeten nükleer zincir reaksiyonu yapıldığında Compton Ulusal Savunma Araştırma Komitesi Başkanı James B. Conant'la şifreli bir telefon görüşmeyi yaptı:
Telefonu elime alıp Conant'ı aradım. Ona Harvard Üniversitesi Rektörü'nün ofisinde ulaştım. 'Jim,' dedim, 'İtalyan kaşifin yeni dünyaya ulaştığını öğrenmek hoşuna gidecektir. Sonra, önceden komiteyi daha bir haftalık işimiz olduğuna inandırdığım için özür dileyerek 'Dünya sandığımız kadar büyük değilmiş, oraya çok erken ulaştı,' diye ekledim. Conant 'Demek öyle. Yerliler arkadaş canlısı mıydı peki?' diye sordu. Ben de 'herkes sağ salim ulaştı,' dedim.
Araştırmayı topluma tehlikeli olmayan bir yerde sürdürmek için reaktör demonte edilerek Argonne Ormanı'na taşındı. Fermi burada nükleer reaksiyonlar üzerine araştırmalar yaptı ve reaktörün serbest nötron üretiminden faydalandı. Laboratuvar kısa zamanda fizik ve mühendisliği geçerek biyolojik ve tıbbi araştırmalara geçti. Önceden Argonne Fermi tarafından Chicago Üniversitesi adına yürütüldü ancak Mayıs 1944'te ayrılarak Fermi yönetiminde kaldı.
Oak Ridge'deki hava soğutmalı X-10 Grafit Reaktörü 4 Kasım 1943'te kritik hale gelince Fermi bir şeylerin yanlış gitmesi olasılığı yüzünden oradaydı. Teknisyenler onu erken uyandırarak bunu izlemesini sağladılar. X-10'u çalıştırmak plütonyum projesinde başka bir başarıydı. Reaktör dizaynı hakkında bilgiler sağladı, ayrıca DuPont çalışanlarına reaktör çalıştırma eğitimi vererek reaktörde oluşan küçük miktarda plütonyum üretti. Fermi kanunen izin verilen en kısa süre olan Temmuz 1944'te Amerikan vatandaşı oldu.
Eylül 1944 yılında Fermi ilk uranyum yakıtı külçesini Hanford tesisindeki B-reaktörünün içine yerleştirdi. Bu reaktör büyük miktarlarda plütonyum yerleştirilmek üzere geliştirilmişti. X-10 gibi bu da Ferminin takımı tarafından Metalurji laboratuvarında DuPont tarafında inşa edilmişti. Fakat bu reaktör çok daha büyük ve su soğutmalıydı. Geçen birkaç gün içerisinde 838 tüp dolduruldu ve reaktör kritik bir hale geldi. Kısa bir süre sonra 27 Eylül gece yarısında, operatörler kontrol çubuklarını harekete geçirdiler. Bir süre bu işe yaradı, fakat 03.00 sıralarında, güç seviyesi düşmeye başladı ve saat 06.30da tamamen durduruldu. Ordu ve DuPont Ferminin takımından bir cevap bekliyordu. Sonraki gün araştırmalar sonucu soğutma suyunda kaçak ya da kirlenme olduğu tespit edildi. Ertesi gün reaktörler tekrar çalışmaya başladı fakat kapanması birkaç saat sürdü. Problem xenon-135 ten kaynaklanan nötron zehirlemesinden dolayı oluyordu. Bir fizyonunun yarılanma ömrü 9.2 saat sürüyordu. Dupontun Metalurji Laboratuvarındaki reaktör dizaynında 1500 tüp bulunuyordu. Bu yüzden kenarlara 504 tane daha tüp eklemek zorunda kaldılar. Bilim insanları bunun gereğinden fazla bir mühendislik uygulaması oluğunu para ve zaman kaybından başka bir şey olmadığı düşünüyorlardı. Fakat Fermi 2.004 tüpün hepsini doldurmanın, reaktörlerin yeterince güce ulaştıracağını ve bunun plütonyum üretmek için uygun bir yol olduğunun farkına vardı.
1944 yılının ortasında Robert Oppenheimer Fermiyi Los Alamostaki Project Yye katılması için ikna etti. Fermi Eylül ayında laboratuvar yöneticisi oldu. Nükleer ve teorik fizikten sorumlu oldu. Katılığı bölüğün ismi adından dolayı F bölüğü olarak anılmaya başladı. F bölüğü 4 parçadan oluşuyordu; F-1 süper ve genel teori adı altında Tellera aitti ve Süper termonükleer bombayı geliştiyordu; F-2 su kaynatıcısı adı altında projeyi L. D. P. King gözetmenliği altında geliştiriyor; F-3 Egon Bretscherin gözetimi altında Super Experimention; ve F-4 ise Andersonun gözetimi altında fisyon araştırmaları yapıyordu. Fermi 16 Temmuz 1945 yılında yapılan Trinity denemelerini gözlemledi. Gözlem esnasında patlamanın etkisiyle elindeki bir miktar kağıdı yere düşürdü. Patlamanın uzaklığını adımladı ve patlamanın 18.6 kiloton TNT patlaması ile aynı miktarda olduğunu hesapladı.
Oppenheimer, Compton ve Ernest Lawrence ile birlikte Fermi Ara Komiteye hedef seçiminde tavsiye veren bilimsel paneldeydi. Panel ve komite herhangi bir uyarı verilmeksizin atom bombasının endüstriyel bir hedefe atılabileceği konusunda hemfikirdi. Fermi Nagazaki ve Hiroşima'nın bombalanacağını kamusal seslendirme sisteminden öğrendi. Fermi atom bombasının ne devletleri savaş yapmaktan alıkoyacağını ne de devletleri kemale erdireceğini düşünüyordu. Bu yüzden Los Alamos Bilim İnsanları Derneğine katılmadı.
Savaş sonrası
Fermi 1 Temmuz 1945'te Chicago üniversitesinde profesör oldu ancak 31 Aralık 1945'e kadar ailesiyle Los Alamos laboratuvarını terk etmedi. Metalurji Laboratuvarı 1 Temmuz 1946'da Argonne Ulusal Laboratuvarı oldu ve Manhattan Projesi tarafından kurulan ilk ulusal laboratuvar oldu. Chicago ve Argonne arasındaki kısa mesafe sayesinde Fermi iki yerde de çalışabildi. Argonne'da deneysel fiziğe devam etti ve Leona Marshall'la nötron dağılımını inceledi. Maria Mayer ile de teorik fiziği tartışarak daha sonra ona Nobel Ödülü'nü kazandıran dönüş-yörünge ikilisini anlamasını sağladı.
Manhattan Projesi 1 Ocak 1947'de Atom Enerjisi Komisyonu olarak değiştirildi. Fermi bu komisyonun Genel Danışma Komitesi'nde görev yaptı. Bu komitenin başkanı Robert Oppenheimer idi. Her yıl birkaç hafta Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda da zaman geçirdi ve burada Nicholas Metropolis ve John von Neumann ile iki farklı yoğunlukta sıvının sınırında olanları inceleyen Rayleigh-Taylor dengesizliği üzerine çalıştı.
Ağustos 1949'da Sovyet fizyon bombasının patlatılmasından sonra Fermi İsidor Rabi ile komiteye sert bir rapor yazdı ve hidrojen bombasının geliştirilmesine ahlaki ve teknik nedenlerle karşı çıktı. Ancak Fermi Los Alamos'ta hidrojen bombası çalışmalarında danışman olarak çalışmaya devam etti. Stanislaw Ulam ile Teller'ın termonükleer bomba modeli için gereken tritium miktarının aşırı fazla olacağını ve füzyon reaksiyonunun bu kadar trityumla bile mümkün olacağının kesin olmadığını hesapladı. Fermi 1954'teki davada Oppenheimer hakkında ifade veren bilim insanlarından biriydi. Fermi suçlamayı saçma buldu. Hastalığı kötüye gittiği halde
Oppenheimer lehine ifade verdi. Oppenheimer' ın olağanüstü hizmetler verdiğini söyledi. Ancak bu dava sonunda Oppenheimer'ın güvenlik izni iptal edildi.
Sonraki yıllarda Fermi Chicago Üniversitesi'nde ders vermeye devam etti. Savaş sonrası doktora öğrencilerinin arasında Owen Chamberlain, Geoffrey Chew, Jerome Friedman, Marvin Goldberger, Tsung-Dao Lee, Arthur Rosenfeld ve Sam Treiman vardı. Jack Steinberger ise yüksek lisans öğrencisiydi. Fermi parçacık fiziği ve özellik pion ve müonlarla ilgili önemli araştırmalar yaptı. Pion-nükleon rezonansının ilk tahminlerini istatistiksel metodlara dayanarak ortaya attı. Bunun nedeni teorinin zaten yanlış olması nedeniyle kesin cevaplara gerek olmamasıydı. Chen Ning Yang ile yazdığı bir makalede pionların bileşik parçacık olabileceğini belirtti. Bu fikir Shoichi Sakata tarafından ele alındı. Pionun quarklardan oluştuğunu söyleyen quark modeli bu teoriyi etkisiz bırakmış ve Fermi'nin modelini tamamlamıştır.
Fermi Kozmik radyasyonun kökeni adlı bir makale yazdı ve kozmik ışınların maddenin yıldızlararası uzayda manyetik alanlar tarafından hızlandırılması nedeniyle oluştuğunu ortaya attı. Fermi spiral galaksilerin kolları etrafındaki manyetik alanlarla ilgili sorunları inceledi. Ayrıca Fermi paradoksunu ortaya attı: uzayda yaşamın olasılığı ve bununla iletişime hala geçilmemiş olması arasındaki çelişme.
Hayatının sonuna doğru Fermi genel toplumun nükleer teknoloji ile mantıklı kararlar vermesine inanmadığını söyledi:
Bazılarınız sorabilir, birkaç yaşlı profesöre biraz bilgi toplayarak sadece onları mutlu etmek için bu kadar çalışıp sadece uzmanların anlayabileceği gereksiz işler yapmanın anlamı nedir? Bunun cevabını az çok sağlam bir tahminle verebilirim.
Teknoloji ve bilimin tarihi bize temel bilgilerde yapılan bilimsel gelişmelerin er ya da geç teknik ve endüstriyel uygulamalara yol açtığını ve hayatımızda devrimler yaptığını gösterir. Maddenin yapısına ulaşmanın da buna dahil olduğunu düşünüyorum. Daha az kesin olan, ve hepimizin umduğu ise, insanlığın yeterince olgunlaşarak elde ettiği doğal güçleri iyilik için kullanmasıdır.
Fermi 53 yaşında Chicago'daki evinde mide kanserinden öldü ve Oak Woods Mezarlığı'na gömüldü.
Etkileri ve Mirasları
Fermi başarıları için çeşitli ödüller aldı. Bunlar; 1926'da Matteucci Madalyası, 1938'de Nobel Fizik Ödülü, 1942'de Hughes Madalyası, 1947'de Franklin Madalyası ve 1953'te Rumford Ödülü idi. 1946'da Manhattan Projesi'ne katkıları için Başarı Ödülü'nü aldı. Floransa'daki Santa Croce Bazilikası birçok sanatçı, bilim adamı ve önemli ismin yanında Fermi için de bir plak bulundurmaktadır. 1999'da Time dergisi Fermi'yi 20. yüzyılın en önemli 100 insanından biri olarak nitelendirdi. Fermi hem deneysel hem teorik alanda başarı sahibi olan nadir fizikçilerden biriydi. Fizik tarihçisi C. P. Snow Fermi eğer birkaç yıl önce doğsaydı, Rutherford'ın atom çekirdeğini, Bohr'un da hidrojen atomu teorisini keşfedebilirdi. Eğer bu abartma gibi duyuluyorsa Fermi ile ilgili her şey abartma gibi duyulur.
Fermi ilham veren bir öğretmen olarak tanınıyordu ve detaya, basitliğe ve derslerini özenle hazırlamasına verdiği dikkat takdir topluyordu. Daha sonra ders notları kitap haline getirildi. Makale ve defterleri bugün Chicago Üniversitesi'ndedir. Victor Weisskopf Fermi'nin her zaman en basit ve direkt yolu seçtiğini ve karmaşayı en aza indirgediğini yazmıştır. Fermi'nin başarı ve yeteneği, mümkün olanın takdiri ile kendi zekasından geliyordu. Karmaşık teorileri sevmezdi ve matematikte çok iyi olmasına rağmen iş daha basit yapılabilecekse bunu hiç kullanmazdı. Başkalarının kafasını karıştıracak problemlere hızlı ve doğru cevaplar bulmasıyla ünlüydü. Daha sonra bu Fermi metodu olarak öğretilmeye başladı.
Fermi Alessandro Volta'nın laboratuvarındaki çalışmaları sonucunda elektriğin nasıl kullanılabileceği hakkında hiçbir fikri olmadığını söylerdi. Fermi genellikle nükleer enerji ve nükleer silahlar üzerine çalışmaları ve ilk nükleer reaktörün oluşturulması ve ilk atom ve hidrojen bombalarının geliştirilmesi ile hatırlanmaktadır. Bilimsel çalışmaları zamana meydan okumuştur. Bu beta bozunması teorisini, çizgisel olmayan sistemleri, yavaş nötronların etkilerini, pion-nükleon çarpışmalarını ve Fermi-Dirac istatistiklerini kapsar. Bir pionun temel bir parçacık olmadığı tahmini quark ve leptonların keşfinin yolunu açmıştır.
Fermi adının verildiği şeyler
Birçok şeye Fermi'nin adı verilerek onurlandırılmıştır. Bunların arasında 1974 yılında adı değiştirilen Batavia, İllinois'teki Fermilab parçacık hızlandırıcısı ve 2008'de adı verilen Fermi gamma ışını teleskopu bulunur. Newport, Michigan'da ve Trino Vercellese, İtalya'da üç adet nükleer reaktöre, ayrıca Arjantin'deki RA-1 Enrico Fermi araştırma reaktörüne adı verilmiştir. 1952'de İvy Mike nükleer testinin kalıntılarından çıkarılan yapay bir elemente fermiyum adı verilmiştir. Bu element einsteinium'dan sonra gelir ve ikisi birlikte keşfedilmiştir. 1956'dan beri ABD Atom Enerjisi Komisyonu en yüksek ödülünü Fermi Ödülü olarak adlandırmıştır. Bu ödülü Otto Hahn, Robert Oppenheimer, Edward Teller ve Hans Bethe gibi tanınmış bilim adamları almıştır.
Yayımları
Fermi'nin teorik ve deneysel fiziği konu alan birçok yayımı vardır. Bunlardan bazıları, elektronik gazların istatistiğinin hesabı ve Pauli parçacıklarından oluşan gazları konu alan "Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico", Rend. Accad. Naz. Lincei, 1935, Atomun istatistiksel modelini (Thomas-Fermi atom modeli) ve atomik özelliklerin hesaplanmasında yeni bir yaklaşımı (semiquantitative method) inceleyen Quantentheorie und Chemie, Leipzig, 1928, Über die magnetischen Momente der Atomkerne, Z. Phys., 1930, Tentativo di una teoria dei raggi ß, Ricerca Scientifica, 1933 sayılabilir.