Enrico Fermi

Enrico Fermi (* 29. September 1901 in Rom, Italien; † 28. November 1954 in Chicago, USA) war einer der bedeutendsten Kernphysiker des 20. Jahrhunderts. 1938 erhielt er den Nobelpreis für Physik.

Leben

Bereits im Alter von 17 Jahren begann er ein Physikstudium an der Universität Pisa, das er 1922 mit einer Promotion über Röntgenstreuung an Kristallen abschloss. 1923 hatte Fermi dank eines Stipendiums einen mehrmonatigen Forschungsaufenthalt in Göttingen bei Max Born. Göttingen war damals das führende Zentrum der theoretischen Physik, hier entstanden viele wesentliche Arbeiten für die Quantenmechanik. 1924 arbeitete er mehrere Monate in Holland bei Paul Ehrenfest, ebenfalls ein Mitbegründer der Quantenmechanik. Danach wurde Fermi zunächst als Professor für Mathematik nach Florenz berufen. Zwei Jahre später ging er als Professor für theoretische Physik nach Rom. Hier entstanden seine theoretischen Arbeiten zur Festkörperphysik und zur Quantenstatistik (Fermi-Dirac-Statistik für Fermionen, Fermis Goldene Regel, Fermifläche, Fermi-Resonanz, Thomas-Fermi Theorie des Atoms). In Rom entstand um Fermi eine sehr aktive Gruppe theoretischer und experimenteller Physiker. Ihr gehörten Gian-Carlo Wick, Ugo Fano, Giovanni Gentile, Giulio Racah, Ettore Majorana sowie die Experimentatoren Franco Rasetti, Giuseppe Cocconi, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi und Bruno Pontecorvo an.

Angeregt durch die Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick im Jahr 1932 sowie durch den Nachweis von Kernumwandlungen nach Bestrahlung mit Alphateilchen durch Irène und Frederic Joliot-Curie wandte sich Fermi 1934 der Experimentalphysik zu. Seine bahnbrechende Entdeckung war, dass Kernumwandlungsprozesse durch Neutronenstrahlung wesentlich effektiver ablaufen. Eine weitere Verbesserung der Ausbeute erhält man, wenn die Neutronen stark abgebremst werden (thermische Neutronen). 1934 veröffentlichte Fermi seine Theorie des Beta-Zerfalls („Fermi-Wechselwirkung“). Schon 1933 hatte er die Bezeichnung Neutrino für eines der am Beta-Zerfall beteiligten Teilchen geprägt, dessen Existenz drei Jahre zuvor von Wolfgang Pauli postuliert worden war.

Durch Neutronenbestrahlung des damals schwersten bekannten Elementes Uran erzielten Fermi und seine Mitarbeiter ebenfalls Veränderungen im Ausgangsmaterial (anderes chemisches Verhalten, geänderte Halbwertszeiten der austretenden Strahlung) und interpretierten diese irrtümlich als Kernumwandlung zu Transuranen (Nature-Artikel 1934). Ida Noddack-Tacke kritisierte das und wies schon auf die Möglichkeit einer Kernspaltung hin, was dann vier Jahre später Otto Hahn und Fritz Straßmann mittels chemisch-analytischer Techniken zeigten; die theoretischen Grundlagen wurden von Lise Meitner und Otto Frisch erarbeitet. Das erste Transuran konnte erst 1942 nachgewiesen werden, allerdings nach einer gänzlich anderen Synthesevorschrift. 1938 erhielt Fermi für seine Arbeiten den Nobelpreis der Physik, obschon seine Interpretation des Neutronenexperiments (Erzeugung von „Transuranen“) nach heutigem Kenntnisstand eine fehlerhafte Spekulation ohne Beleg war. Im selben Jahr emigrierte Fermi aufgrund der Repressalien durch das Mussolini-Regime, denen seine Frau Laura – welche jüdischen Glaubens war – ausgesetzt war, mit seiner Familie in die USA.

Anfang der 1940er-Jahre arbeitete Fermi mit Isidor Isaac Rabi und Polykarp Kusch an der Columbia-Universität in New York.

Ihm gelang am 2. Dezember 1942 (15:25 Uhr) an der University of Chicago mit dem Kernreaktor Chicago Pile No. 1 erstmals eine kritische Kernspaltungs-Kettenreaktion, eine Leistung, die auf der theoretischen Vorarbeit von Leó Szilárd fußte.

Im Sommer 1944 zog Fermi mit seiner Familie nach Los Alamos (New Mexico) in das geheime Atom-Forschungslabor der USA. Als Berater von Robert Oppenheimer spielte Fermi eine wichtige Rolle bei Entwicklung und Bau der ersten Atombomben. Nach dem Zweiten Weltkrieg beschäftigte sich Fermi wieder mit der Grundlagenforschung im Kernforschungszentrum an der Universität Chicago. Nach einer Europareise 1954 erkrankte Fermi an Magenkrebs, woran er noch im selben Jahr verstarb.

Fermi war für seine schnellen Abschätzungen und seine physikalische Intuition bekannt – er war ein Meister der „back of the envelope“-Rechnungen (die nicht mehr Platz als die Rückseite eines Briefkuverts benötigen). Sprichwörtlich sind auch die Fermi questions (Fermi-Probleme), wie etwa aus wenigen Daten die Anzahl der Klavierstimmer in einer Stadt wie Chicago abzuschätzen.

Nach ihm wird das Elektronengas (auch Fermigas) (vgl. hierzu Metallbindung), eine Gruppe von Elementarteilchen (Fermionen), das künstlich hergestellte chemische Element Fermium und ein Energieniveau in Festkörpern (Ferminiveau) benannt. Die Atomenergiebehörde der USA stiftete zu seinem Gedenken den z. Z. mit 375.000 US-Dollar dotierten Enrico-Fermi-Preis. Das Fermi National Accelerator Laboratory bei Chicago ist nach ihm benannt und die regelmäßigen Kurse der International School of Physics Enrico Fermi der italienischen physikalischen Gesellschaft und deren Premio Enrico Fermi.

Fermi war Mitglied des Freimaurerbundes.

Werke

• Emilio Segrè, Franco Rasetti, Enrico Persico, Edoardo Amaldi, Herbert Anderson, C. S. Smith, A. Wattenberg (Hrsg.) Note e Memorie (Collected works), University of Chicago Press, Accademia dei Lincei, 2 Bde. 1962, 1965.
• Zur Quantelung des einatomigen idealen Gases, Zeitschrift für Physik Bd. 36, 1926, S. 902–912 (Fermi-Statistik).
• Versuch einer Theorie der Betastrahlen, Zeitschrift für Physik Bd. 88, 1934, S. 161.
• Possible production of elements of atom number greater than 92, Nature Bd. 133, 1934, S. 898, (Fermi meinte irrtümlich, Transurane erzeugt zu haben).
• Quantum theory of radiation, Reviews of modern physics, Bd. 4, 1932, S. 87–132.
• Über den Ramaneffekt des Kohlendioxyds. Zeitschrift für Physik Bd. 71, 1931, S. 250–259 (Fermi-Resonanz).
• Experimental production of a divergent chain reaction, American Journal of physics, Bd. 20, 1952, S. 536 (der Chicago-Reaktor, wieder abgedruckt in Horst Wohlfahrt: 40 Jahre Kernspaltung, Wissenschaftliche Buchgesellschaft 1979).
• Nuclear physics, 1950.
• Thermodynamics, Dover (Vorlesung von 1936).