Enrico Fermi
Obsah boxu
Šablona:Infobox - vědec Enrico Fermi (* 29. září 1901, Řím – 28. listopadu 1954, Chicago) byl italsko-americký fyzik, který je považován za jednoho z hlavních architektů jaderného věku. Proslul především svou prací na prvním jaderném reaktoru a významným přínosem k rozvoji kvantové mechaniky, jaderné a částicové fyziky a statistické fyziky. V roce 1938 obdržel Nobelovu cenu za fyziku za objev jaderných reakcí vyvolaných pomalými neutrony.
Fermi byl jedním z mála fyziků 20. století, kteří vynikali jak v teoretické, tak v experimentální fyzice. Jeho práce vedla přímo k sestrojení prvního soběstačného jaderného reaktoru, známého jako Chicago Pile-1, a později hrál klíčovou roli v Projektu Manhattan, který vyvinul první atomové bomby. Je také autorem slavného Fermiho paradoxu, který se zabývá rozporem mezi vysokou pravděpodobností existence mimozemského života a absencí důkazů o něm.
📜 Život a vzdělání
Enrico Fermi se narodil v Římě v Itálii jako třetí dítě Alberta Fermiho, úředníka na ministerstvu železnic, a Idy de Gattis, učitelky na základní škole. Již od mládí projevoval mimořádné nadání pro matematiku a fyziku. Jeho zájem o vědu se ještě prohloubil po tragické smrti jeho staršího bratra Giulia v roce 1915, po které se Enrico ponořil do studia vědeckých knih.
V roce 1918 získal stipendium na prestižní Scuola Normale Superiore di Pisa. Během studia si rychle osvojil poznatky kvantové mechaniky a obecné teorie relativity, které byly v té době v Itálii téměř neznámé. V roce 1922 získal doktorát z fyziky na Univerzitě v Pise za práci o rentgenovém záření.
Po krátkých pobytech v Německu na Univerzitě v Göttingenu u Maxe Borna a v Nizozemsku na Univerzitě v Leidenu u Paula Ehrenfesta se vrátil do Itálie.
🔬 Vědecká kariéra v Itálii
V roce 1926 Fermi formuloval spolu s Paulem Diracem statistiku, která popisuje chování částic podléhajících Pauliho vylučovacímu principu, jako jsou elektrony. Tato statistika je dnes známá jako Fermiho-Diracova statistika a částice, které se jí řídí, se nazývají fermiony.
🏛️ Římská skupina a beta rozpad
V roce 1927 se stal profesorem teoretické fyziky na Univerzitě v Římě. Zde kolem sebe shromáždil skupinu talentovaných mladých fyziků, která se stala známou jako "chlapci z Via Panisperna" (Ragazzi di Via Panisperna). Tato skupina významně přispěla k rozvoji jaderné fyziky.
V roce 1933 Fermi publikoval svou přelomovou teorii beta rozpadu. V ní zavedl koncept slabé interakce, jedné ze čtyř základních interakcí ve vesmíru, a postuloval existenci nové částice, kterou nazval neutrino (italsky "malý neutronek"), aby vysvětlil zdánlivé porušení zákona zachování energie při tomto procesu.
☢️ Experimenty s neutrony
Po objevu neutronu Jamesem Chadwickem v roce 1932 si Fermi uvědomil, že tyto neutrální částice jsou ideálními projektily pro bombardování atomových jader, protože nejsou odpuzovány kladně nabitým jádrem. Od roku 1934 začal se svou skupinou systematicky ozařovat všechny známé chemické prvky neutrony.
Během těchto experimentů učinil zásadní objev. Zjistil, že pokud se neutrony před dopadem na jádro zpomalí průchodem látkou bohatou na vodík (například vodou nebo parafínem), jejich schopnost vyvolat jadernou reakci se dramaticky zvýší. Tento objev zpomalování neutronů byl klíčový pro pozdější konstrukci jaderných reaktorů. Za tyto objevy a identifikaci nových radioaktivních prvků mu byla v roce 1938 udělena Nobelova cena za fyziku.
🇺🇸 Emigrace a Projekt Manhattan
V roce 1938 fašistická vláda Benita Mussoliniho zavedla v Itálii rasové zákony, které ohrožovaly Fermiho manželku Lauru Capon, jež byla židovského původu. Fermi se rozhodl emigrovat. Cestu do Stockholmu k převzetí Nobelovy ceny využil k útěku s celou rodinou do Spojených států.
Po příjezdu do New Yorku přijal profesorské místo na Columbia University. Krátce nato dorazila z Evropy zpráva o objevu jaderného štěpení uranu Otto Hahnem a Fritzem Strassmannem. Fermi si okamžitě uvědomil, že při štěpení se uvolňují další neutrony, což otevírá možnost řetězové reakce a uvolnění obrovského množství energie.
⚛️ Chicago Pile-1: První jaderný reaktor
Fermi se stal vedoucí osobností snahy o dosažení řízené řetězové reakce. Výzkum se přesunul na Univerzitu v Chicagu v rámci tajného Projektu Manhattan. Pod tribunou opuštěného stadionu Stagg Field byl postaven první jaderný reaktor na světě, nazvaný Chicago Pile-1 (CP-1). Skládal se z bloků čistého grafitu (jako moderátoru) a uranu.
Dne 2. prosince 1942 se experiment uskutečnil. Postupným vytahováním kadmiových regulačních tyčí, které pohlcovaly neutrony, Fermiho tým úspěšně spustil první soběstačnou řízenou jadernou řetězovou reakci v historii lidstva. Tento okamžik je považován za začátek jaderného věku. Experiment potvrdil, že je možné kontrolovaně uvolňovat jadernou energii.
Později se Fermi přestěhoval do Los Alamos v Novém Mexiku, kde se stal jedním z vedoucích poradců projektu a podílel se na vývoji atomové bomby.
👽 Poválečná kariéra a odkaz
Po druhé světové válce se Fermi vrátil na Univerzitu v Chicagu, kde založil Institut pro jaderná studia (dnes The Enrico Fermi Institute). Věnoval se výuce a výzkumu v oblasti částicové fyziky, zejména studiu pionů a interakcí mezi protony a neutrony.
Ačkoliv se zpočátku stavěl proti vývoji vodíkové bomby z morálních důvodů, později se jako konzultant projektu zúčastnil i jejích výpočtů.
Enrico Fermi zemřel ve věku 53 let na rakovinu žaludku v Chicagu. Je pohřben na hřbitově Oak Woods.
Jeho odkaz je obrovský. Kromě vědeckých objevů je po něm pojmenována řada institucí a konceptů:
- Fermilab: Přední americká laboratoř pro fyziku vysokých energií.
- Fermium: Chemický prvek s protonovým číslem 100.
- Fermion: Třída částic, které se řídí Fermiho-Diracovou statistikou.
- Cena Enrica Fermiho: Prestižní vědecké ocenění udělované prezidentem USA.
- Fermiho paradox: Otázka týkající se existence mimozemských civilizací.
💡 Pro laiky: Jak funguje jaderný reaktor?
Představte si velkou místnost plnou pastiček na myši. Každá pastička je nabitá a jsou na ní položeny dva pingpongové míčky.
- **Atomové jádro uranu** je jako nabitá pastička na myši.
- **Neutrony** jsou jako pingpongové míčky.
1. **Spuštění reakce:** Hodíte do místnosti jeden pingpongový míček (vystřelíte jeden neutron). Ten zasáhne jednu pastičku (jádro uranu). 2. **Štěpení:** Pastička sklapne (jádro se rozštěpí) a vymrští své dva míčky (uvolní dva nové neutrony). Současně se uvolní energie (jako zvuk a pohyb sklapnuté pastičky). 3. **Řetězová reakce:** Tyto dva nové míčky zasáhnou další dvě pastičky. Ty sklapnou a každá vymrští další dva míčky – celkem tedy čtyři. Tyto čtyři zasáhnou další čtyři pastičky a tak dále. Reakce se lavinovitě šíří po celé místnosti.
Fermiho geniální přínos spočíval ve dvou věcech:
- **Zpomalení neutronů (moderátor):** Zjistil, že když se pingpongové míčky (neutrony) pohybují pomaleji, mají mnohem větší šanci, že spustí další pastičku. V jeho reaktoru tuto roli plnily grafitové bloky, které neutrony zpomalovaly.
- **Řízení reakce (regulační tyče):** Do reaktoru vložil tyče z materiálu, který míčky pohlcuje (např. kadmium). Když byly tyče zasunuté, "chytaly" volné míčky a reakce se zastavila. Postupným vytahováním tyčí umožnil, aby právě tolik míčků zasáhlo další pastičky, aby reakce běžela stabilně, aniž by explodovala. Tím vytvořil první řízenou řetězovou reakci.