SCIENZA A SCUOLA

Esperienze scolastiche


Fermi arriva a New York il 2 gennaio 1939 dove lavorerà presso la Columbia University. Molto presto viene a conoscenza della dell’Uranio, incontrando che arriva a New York verso la metà di gennaio. Il 26 gennaio, all’inizio della VI Conferenza di Fisica Teorica tenuta a Washington, Fermi avanza l’ipotesi che in una reazione così violenta i nuclei possano emettere neutroni, che, a loro volta, sarebbero in grado di provocare una nuova fissione.

Fermi sapeva a quali domande voleva trovare una risposta. Venivano emessi neutroni nella fissione dell’uranio? Ed eventualmente in che quantità? Come si poteva fare in modo che questi neutroni producessero ulteriori fissioni? E soprattutto: Era possibile sviluppare una reazione a catena? Fermi insiste sulla necessità di effettuare misure quantitative e un mese dopo il suo arrivo alla Columbia University, insieme a un gruppo di lavoro di cui fanno parte Anderson e Dunning (suo relatore), firma il suo primo articolo americano, "" in cui vengono riportate le sezioni d’urto per neutroni lenti e neutroni veloci.

Dopo il 1939 sarà impossibile seguire il lavoro di Fermi attraverso la letteratura periodica pubblica. Le relazioni vengono dichiarate "top secret".

Nella primavera Fermi, Anderson e Leo Szilard pubblicano : il numero di neutroni emessi dall’Uranio sotto l’azione dei neutroni lenti è maggiore di quelli assorbiti. E’ la condizione necessaria per realizzare una . []

Fermi è il primo a informare le autorità militari sulle possibili implicazioni belliche di una eventuale reazione a catena. All’inizio dell’estate del 1939 Szilard e Wigner convincono a firmare una lettera indirizzata a Roosevelt, Presidente degli Stati Uniti, in cui si sottolinea la fattibilità di una reazione a catena e la quasi certezza di poter "pervenire a questo risultato nell’immediato futuro".

Roosevelt istituisce una commissione alla quale Fermi e Szilard vengono invitati regolarmente. Entrambi giungono indipendentemente alla conclusione che la grafite è preferibile, come moderatore del flusso di neutroni.

Nel frattempo l'attenzione di fermi è attratta dal dibattito molto vivo che riguarda la scoperta nei raggi cosmici, di particelle instabili alle quali viene attribuita una massa pari a 100-200 volte quella dell’elettrone e una vita media, subito misurata da Bruno Rossi, di circa 2 microsecondi.

La particella individuata nei raggi cosmici da Carl Anderson e Seth Neddermeyer al California Institute of Technology viene battezzata "mesotrone".

Nella primavera del 1940 viene fornita la conferma sperimentale che il processo di fissione prodotto da neutroni lenti riguarda soltanto l’isotopo raro U-235, presente in minime quantità insieme al più abbondante U-238. Alla Columbia Fermi riprende gli esperimenti sull’assorbimento e la diffusione dei neutroni da parte della grafite insieme all’analisi teorica della reazione a catena. I risultati di questo lavoro confermano non soltanto come la grafite sia la scelta più opportuna quale materiale per rallentare i neutroni, ma sono anche della massima importanza perché forniscono una prima base teorica delle tecniche per descrivere il comportamento dei neutroni all’interno di queste sostanze.

Nel frattempo sotto la pressione dell’avanzata di Hitler in Europa Roosevelt istituisce il National Defense Research Commitee (NDRC) con il compito di coordinare le ricerche connesse con i problemi della difesa e organizzare la mobilitazione della comunità scientifica a scopi bellici. L’Uranium Committee viene posto sotto la sua giurisdizione e ne sono esclusi gli scienziati stranieri non naturalizzati come Fermi e Szilard.

Fino all’estate 1941 le ricerche si focalizzano intorno alla possibilità di utilizzare la reazione a catena per la produzione di energia, piuttosto che per la produzione di un ordigno nucleare. A questo scopo Fermi prepara una relazione sui problemi relativi alla produzione di energia atomica e lo presenta all’Uranium Committee il 30 giugno 1941.

E’ interessante notare che Fermi limita il discorso a una reazione a catena per l’Uranio naturale che è in questo momento l’unica forma di Uranio disponibile, in cui è prevalente l’U238 e nel quale l’isotopo fissionabile U235 è presente in minime tracce. La separazione di questo isotopo dall’U238 sembra ancora un’impresa irrealizzabile da un punto di vista tecnologico.

Nell’estate del 1940 era stato identificato a Berkeley il primo elemento transuranico, poi chiamato nettunio (Np239) che a sua volta decade emettendo elettroni con un periodo di circa due giorni dando luogo a un isotopo di massa 239 dell’elemento di numero atomico 94, il (Pu239)

Nel giro di pochi mesi Segrè e altri colleghi riescono a ottenere una certa quantità di Plutonio con il ciclotrone di Berkeley. Lo studio delle proprietà di questo nuovo elemento dimostra che può costituire un potenziale esplosivo nucleare. Il 1941 finisce con l’attacco dei giapponesi su Pearl Harbor, il 7 dicembre. L’entrata in guerra degli Stati Uniti determina la decisione di accelerare al massimo gli sforzi di ricerca per realizzare un ordigno nucleare sia sul piano finanziario sia sul piano scientifico e tecnico.

Nella primavera del '42 Fermi si trasferisce a Chicago, insieme a Szilard e agli altri fisici della Columbia University, presso il Metallurgical Laboratory dove inizia la costruzione di un reattore nucleare a Uranio naturale e grafite di cui Fermi assume la direzione scientifica

Vengono ripetuti su scala molto maggiore una serie di esperimenti cosiddetti "esponenziali" il cui scopo è quello di misurare il coefficiente di moltiplicazione dei neutroni nella fissione per accertare la possibilità di una reazione a catena divergente in un sistema di uranio naturale e grafite con dimensioni sufficientemente grandi. 

Fermi esegue prima un test con una piccola struttura di prova misurando la diminuzione esponenziale della densità dei neutroni in una colonna di uranio-grafite a base quadrata.

Nel mese di giugno il presidente Roosevelt decide di procedere con un programma su vasta scala finalizzato alla costruzione di bombe a fissione e affida all’esercito la direzione di quello che verrà chiamato il

In ottobre le quantità di grafite e di ossido di Uranio cominciano ad avvicinarsi molto a quella necessaria per la costruzione di una pila destinata a raggiungere lo stato critico. Fermi propone di montare la pila nello spazio sottostante le gradinate dello stadio dell’Università di Chicago, al centro di una zona densamente abitata. É talmente sicuro di sé da riuscire a convincere Arthur Compton, responsabile per le ricerche sulla reazione a catena e il generale Leslie Groves, direttore del Progetto Manhattan. 

La decisione definitiva viene presa il 14 novembre. La mattina del [] si decide di procedere al montaggio dell’ultimo strato di Uranio e grafite, il 57°, quello che in base ai risultati delle misure avrebbe reso critica la pila innescando la reazione a catena. Fermi ha predisposto una serie di operazioni per raggiungere la soglia critica gradualmente e in modo perfettamente controllabile. L’ultima barra di cadmio viene estratta pezzo dopo pezzo. Ogni volta si procede con la misura dell’aumento del flusso di neutroni.

Al momento di fare il passo finale Fermi è perfettamente sicuro che la pila raggiungerà la criticità. In effetti, una volta estratta completamente la barra la pila diventa critica: ha luogo la prima reazione a catena autosostenuta nella storia dell’uomo. Leo Szilard, che tanto aveva fatto per spingere a utilizzare l’energia nucleare, commenta: "Questo è un giorno infausto per la storia dell’uomo", mentre Fermi scrive semplicemente: "La struttura per la reazione a catena è stata completata il 2 dicembre e da allora ha continuato a funzionare in modo soddisfacente". []


Enrico Fermi negli anni '40


Fermi con Segré e Yukawa


Fermi nell'attività di laboratorio


La Pile-1 al livello 10


L'intera struttura della Pile-1