FERMI, Enrico (1901-1954) İtalyan asıllı ABD’li fizikçi. İlk zincirleme çekirdek tepkimesini gerçekleştirmiş, atom fiziğine katkılarıyla tanınmıştır.
29 Eylül 1901’de Roma’da doğdu, 28 Kasım 1954’te ABD’nin Illinois Eyaleti’nin Chicago kentinde öldü. Babası İtalyan Demiryolları’nda çalışan bir memur, annesi ise lise öğretmeniydi. Okulda örnek bir öğrenci olan ve 10 yaşından başlayarak yoğun bir biçimde fizik ve matematikle ilgilenen Fermi, babasının iş arkadaşı mühendis A. Amidei’nin de yönlendirmesiyle genç yaşta önemli bir bilgi birikimi edindi.
Kuramsal bilgilerini, daha sonra kendisi gibi kuramsal fizikçi olan okul arkadaşı Enrico Persico ile birlikte ürettiği araçların yardımıyla gerçekleştirdiği deneylerle pekiştirdi. Amidei’nin özendirmesiyle girdiği, Pisa Üniversitesine bağlı Scuola Normale Superiore’ nin burs sınavını “Sesin Özellikleri” konulu, neredeyse bir lisansüstü tezi düzeyindeki çalışmasıyla birincilikle kazandı. 1922’de X ışınları üzerine yazdığı tezle Pisa Üniversitesi’nden doktora aldı ve Roma’ya döndü. 1920’lerde İtalya fizikte Ricci- Curbastro ve Levi-Civita gibi ünlü matematikçilerin de katkılarıyla yalnızca görelilik kuramında ileri bir düzeydeydi ve dönemin diğer önemli kuramı olan kuvantum fiziğinde önde gelen fizikçilerden yoksundu. Bu nedenle Roma’dayken kişisel çabalarıyla bu alanı öğrenmeye çalışan ve Sommerfeld’in ünlü Atombau und Spek-trallinien’ini (“Atom Yapısı ve Tayf Çizgileri”) okuyan Fermi, bu alanda bilgisini artırmak amacıyla 1922’de bir bursla ilk önce Almanya’ya giderek Göttingen Universitesi’nde Max Born ile, daha sonra Hollanda’nın Leiden Üniversitesi’nde Paul Ehrenfest ile birlikte çalıştı. 1924’te İtalya’ya döndükten sonra, 1924-1926 arası Floransa Üniversitesi’nde matematiksel fizik ve kuramsal mekanik dersleri verdi. 1926’da Roma Üniversitesi’ne kuramsal fizik profesörü olarak atanan Fermi, burada denel fizik profesörü olan arkadaşı Rasetti ve genç fizikçilerle yoğun araştırmalara başladı, aynı yıl, bugün Fermi-Dirac istatistiği adıyla bilinen ilk önemli kuramsal çalışmasını yaptı.
1928’de bir amiralin kızıyla evlenen Fermi’nin bu evlilikten iki çocuğu oldu. 1929’da yeni kurulan Accademia d’Italia’nm 30 kurucu üyesi arasında tek fizikçi olarak yer aldı. 1930’lardan başlayarak nükleer fizik konusunda deneysel çalışmalara başlayan Fermi, 1934’te Curie’lerin yapay radyoaktifliği bulmalarından sonra bu alana yönelerek, beta radyoaktifliği kuramını geliştirdi, “yavaş” nötronların etkinliğini açığa çıkardı. Yoğun araştırmalar içinde bulunduğu bu dönemde politik sorunlarla da karşılaşmaya başladı. Faşist yönetimin 1938’de çıkardığı bir ırkçı yasa, karısının Yahudi asıllı olması nedeniyle sorunlar yaratıyordu. Tam bu sırada, nötron bombardımanı aracılığıyla radyoaktiflik üstüne araştırmaları ve yavaş nötronlara ilişkin çalışmaları nedeniyle Nobel Fizik Ödülü’nü kazanınca, ailesi ile birlikte gittiği ödül töreninden sonra 1938 kışında ABD’ye geçerek, 1949’a değin İtalya’ya dönmedi.
ABD’de önce Columbia, daha sonra Chicago Üniversitesi’nde ders veren Fermi 1942’de Chicago’da ilk kez bir zincirleme çekirdek tepkimesini gerçekleştirdi. 1943’te Manhattan Atom Bombası Projesi’nde görev aldı, 1944-1946 arası ABD’nin atom bombası üretme çabalarının yoğun olarak sürdürüldüğü Los Alamos’ta genel danışman olarak bulundu. 1944’te ABD vatandaşlığına geçti, 1945’te de Chicago Üniversitesi’nde Charles H. Swift Üstün Hizmet Profesörlüğüne getirildi. Bu dönemde çalışmalarını çekirdek fiziği ve özellikle de nötron fiziği konusunda yoğunlaştıran Fermi 1950’de Royal Society üyeliğine seçildi. Mide kanserine yakalanan Fermi, ölümünden birkaç gün önce kendi adına konan Fermi Odülü’nü ilk alan fizikçi oldu. Ölümünden sonra 100 numaralı elemente fermiyum adı verildi.
Fermi 20.yy’da hem kuramsal hem denel fizik alanlarında çok değerli katkıları bulunan nadir fizikçilerdendir. Kuramsal fizik alanındaki en önemli çalışmaları Fermi-Dirac istatistiği ve beta radyoaktiflik kuramıdır. Atomaltı parçacıkları fiziği bakımından çok değerli ve özgün bu araştırmalarının yanı sıra, denel fizik alanında da nötron bombardımanının yarattığı yapay radyoaktiflik, yavaş nötronlar ve zincirleme çekirdek tepkimesi gibi çığır açıcı çalışmalar yapmıştır.
Fermi-Dirac istatistiği
F’ermi’nin ilk önemli kuramsal çalışması kuvantum mekaniği alanındaydı. 1920’lerin ortalarında Bohr-Sommerfeld modeline uygun eski kuvantum kuramı yerini yeni gelişmekte olan kuvamtum ve dalga mekaniğine bırakıyordu. 1925’te Pauli kendi adıyla anılan birden fazla elektronun aynı kuvantum sayılarına sahip olmasının olanaksızlığını belirten dışarlama ilkesini öne sürünce, Fermi bu ilkenin ışığında yeni bir kuvantum istatistiği geliştirdi. Elektronlar gibi, birbirlerinden ayırt edilemeyen parçacıklardan birden fazlasının aynı halde bulunamayacağı sistemlerdeki istatiksel davranışı irdeleyen bu çalışma Dirac’ın da katkısıyla “fermıyon” denilen parçacıkların davranışlarına ışık tuttu. Yarım spinli tüm parçacıklar(örneğin elektron,proton,nötron vb parçacıklar) için geçerli olduğu bilinen bu istatistiğe karşılık, Bose-Einstein istatistiği Pauli dışarlama ilkesine uymayan tam spinli parçacıkların (bozonlar) davranışlarını belirler.
Beta radyoaktifliği
Parçacıklar için modern kuvantum ve dalga mekaniği Dirac, Pauli ve Heisenberg’in de önemli katkılarıyla yetkinleştirilmiş, kuvantum kuramı atomun bütününü ilgilendiren problemlerin hesap yoluyla çözümünü olanaklı kılmıştı. Gerek kuramsal gerek denel fizikte bundan sonraki aşamanın atom çekirdeğinin özelliklerinin incelenmesi olduğunu gö-reh Fermi çekirdek fiziğine yöneldi. Emilio Segre, ve İtalya dışından Fermi ile çalışmak üzere gelen, daha sonra ünlü birer fizikçi olan Bethe, F.Bloch, E.Teller, H.Bhabha, vb 1920’lcrin sonlarına doğru çekirdek fiziği üzerine deneysel çalışmalara başlayan Fermi’ye yardımcı oldular. 1930’lar çekirdek fiziğinde büyük gelişmelere yol açacak buluşların gerçekleştirildiği yıllar oldu.
1930’ların başında C.D. Anderson, Chadwick, Blackett’in çalışmalarıyla pozitron ve nötron keşfedilmiş, çekirdeğin nötron ve protonlardan oluştuğu anlaşılmaya başlanmıştı. Fermi’nin bu dönemdeki en önemli kuramsal çalışması beta radyoaktifliği konusunda oldu. Radyoaktiflikte beta ışınlarının enerjinin korunumu ilkesine uymadığı anlaşılınca Pauli, yitirildiği sanılan enerjinin çok ufak kütleli, yüksüz bir parçacık tarafından taşındığı savını ileri sürmüş ve bu parçacığa küçük nötron anlamında “nötrino” adını vermişti. Nötrinonun varlığı saptanmadığı halde Pauli’nin savı üzerine çalışmaya koyulan Fermi, 1933’te beta radyoaktifliği (bozunumu) kuramını geliştirdi. Beta bozunumunda negatif yüklü bir parçacığın (elektronun) atom çekirdeğinden salınmasıyla çekirdeğin atom numarası artmaktaydı. Fermi, atom numarasındaki bu bir birimlik artışın, çekirdekteki bir nötronun, bir proton, elektron (beta parçacığı) ve bir de nötrino olmak üzere üç parçacığa dönüştüğünü (bozunum) ileri sürdü. Nötrinonun varlığı deneysel olarak 1950’lerde kanıtlandı. Çekirdek fiziğindeki gelişmeleri etkileyen beta bozunum kuramı Fermi’nin en önemli kuramsal çalışmalarından biri, hatta kimi değerlendirmelere göre kuramsal fiziğe en değerli katkısıdır.
1934’te Joliot-Curie’lerin yapay radyoaktifliği keşfetmeleriyle kararlı çekirdekleri alfa parçacıklarıyla çarpıştırarak radyoaktif izotoplar elde etmek mümkün olmuştu. Bu önemli keşiften sonra denel fiziğe yönelen Fermi yaşamının sonuna değin kuramsal çalışmalardan çok deneysel araştırmalara ağırlık verdi. Fermi’nin bu yönelişini, bu yüzyılın en ünlü dene! fizikçilerinden Rutherford şöyle karşıladı: “Kuramsal fizikten kaçışınızı kutlarım. Kendinize iyi bir hareket yönü seçmiş bulunuyorsunuz.”
Yapay radyoaktiflik “yavaş nötronlar”
Yapay radyoaktiflikle ilgili çalışmalarına başlarken Fermi, çarpışma sırasında çekirdeğin pozitif yükü tarafından itilmeyecekleri için, elektrik yüklü alfa parçacıkları yerine yüksüz nötronları kullanmanın daha etkili olacağını düşündü. Çalışma arkadaşlarıyla birlikte, nötron bombardımanıyla yapay radyoaktiflik elde etmek amacıyla periyodik cetveldeki tüm elementleri inceleyerek, nötronla çarpışma sonucu çıkan ürünleri kimyasal yöntemlerle incelediler. 1934’ün Mart’mda ilk kez fluorun nötronla bombardımanı sırasında zayıf bir radyoaktif elde eden Fermi, ilk araştırmasının sonunda incelediği 63 elementin 37’sinde radyoaktifliğe rastladı. Fermi ve arkadaşları bu araştırmalarında çok önemli iki olguyla karşılaştılar. Birincisi, çarpışmalarda “yavaş” nötronların çok etkili olduğunu bulmaları, İkincisi ise uranyumun bombardımanı sırasında elde ettikleri sonuçlardı.
Fermi ve araştırma grubu 1935’te hiç beklemedikleri bir sonuç elde etmişlerdi: Hidrojen içeren maddelerin (örneğin su ya da parafin) içinden geçirilen nötronlar yapay radyoaktiflik elde etmekte daha etkili oluyordu. Fermi bu olgunun, hidrojen atomlarıyla esnek çarpışma yapan nötronların yavaşlamalarından kaynaklandığını ileri sürdü; yavaşlayan nötronlar bombardıman ettikleri çekirdeğin içinde, hızlı nötronlara göre daha uzun bir süre kalabiliyor, dolayısıyla daha etkili olabiliyordu. Böylelikle ortaya çıkan . “yavaş” ya da “termal” nötron olgusu, nükleer tepkimelerin hızının nasıl denetlenebileceği konusunda bir ipucu vererek, atom pili çalışmalarına ışık tuttu.
Yapay radyoaktiflik konusundaki araştırmaları sırasında Fermi ve arkadaşlarının karşılaştıkları önemli bir ikinci olay uranyumun bombardımanı ile elde edilen sonuçlarla ilgiliydi. Bu deneyin sonuçlarını değerlendirirken Fermi’nin çalışma arkadaşları uranyumun bombardıman sırasında bir nötron soğu-rarak atom numarasındaki bir artışla yeni ve yapay bir elemente dönüştüğünü düşünmüşlerdi. Oysa 1938’de Almanya’da O. Hahn, L. Meitner ve F. Strasman’m gösterdikleri gibi, uranyumun yavaş nötronlarla bombardımanı sonucu çekirdek parçalanması (fisyon) gerçekleşiyor ve ortaya baryum, kripton ve başka parçalanma ürünleri çıkıyordu. Daha sonra bu deneyleri değerlendirirken Fermi, uranyumun bombardımanıyla elde ettikleri sonucun bir parçalanma olayı olabileceğini düşünecek “düşlem gücünden” yoksun olduklarını belirtmişse de, ABD’deki çalışmalarıyla bu alanın öncüsü olduğunu kanıtlamıştır.
İlk zincirleme çekirdek tepkimesi
Fermi, Hahn ve arkadaşlarının fisyon olayını gerçekleştirdiklerini ABD’ve yerleşip Columbia’da ders vermeye başladığında, New York’u ziyaret eden N.Bohr’dan öğrendi. Daha önce Rutherford’un çalışmaları atom çekirdeğini parçalayarak enerji elde edilebileceğini göstermişti. Ancak bu enerjinin çok az olacağı sanılıyordu. Uranyumun parçalanması ise, kendiliğinden sürebilen bir zincirleme tepkimenin olanaklılığmı gösteriyordu; bir nötronun bir uranyum çekirdeğini ikiye bölmekle kalmayıp, kendisi gibi birkaç nötronu daha ortaya çıkarması olasılığı vardı. Bu durumda tepkime kendiliğinden sürecek ve belki de büyük bir patlamayla son bulacaktı. Bu nedenle Bohr’un getirdiği bu haber büyük bir ilgi uyandırdı ve kısa zamanda fizikçiler zincirleme bir nükleer tepkimeyi gerçekleştirebilmek için yoğun çalışmalara başladılar. Kısa bir süre sonra, uranyumun parçalanmasıyla ikiden fazla nötron ortaya çıktığı ve bundan yararlanarak enerji üreten atom “pilleri”, reaktörleri ve hatta atom bombası yapılabileceği anlaşıldı. Einste-in’ın bir mektupla ABD Başkanı Roosevelt’ı, Almanların bir atom bombası üretebileceği ve dolayısıyla ABD’nin de girişimde bulunması gerektiği konusunda uyarmasıyla mali destek bulan Fermi ve arkadaşları, ilk atom reaktörünü gerçekleştirmek amacıyla Chicago Universitesi’nde yoğun bir çalışma yaptılar. 2 Aralık 1942’de de ilk kez, 40 dakika süreyle, maksimum gücü yarım watt olan bir zincirleme çekirdek tepkimesi elde ettiler. Nükleer çağı başlatan bu olayı Chicago Üniversitesi rektörü şöyle duyurdu: “İtalyan denizci Yeni Dünya’ya vardı!”
Fermi 1946’ya değin ABD’de atom bombası üretmek amacıyla yürütülen Manhattan Projesi ve Los Alamos’taki çalışmalarla ilgilendi. Atom bombasında kullanılan ve uranyum-238’e göre doğada daha az rastlanan uranyum -235’in atom bombası üretmeye yetecek miktarda ayrıştırılması sorunuyla karşılaşılınca yerine yapay olarak elde edilen plutonyumu (94. element) önerdi. Plütonyum üretiminde de etkin bir rol oynadı. Japonya’ya atılan iki bombadan Fliroşi-ma’ya atılan urunyum -235, Nagasaki’de patlatılan ise plütonyum bombasıydı.
Savaş sonrasında Fermi, çekirdek fiziğinin artık olgunlaşmaya başladığını görerek daha yeni ve önemli bulduğu yüksek enerji fiziğine yöneldi ve kısa zamanda bu alanda da önemli çalışmalar yaptı. Özellikle pilon- nükleon saçılması üzerindeki araştırması çok verimli oldu. Bu deneysel çalışmasının yanı sıra, kuramsal araştırmalarını da sürdürerek kozmik ışınların kaynağı konusunda bir kuram geliştirdi. Yüksek enerjili parçacıkların çarpışmasını inceleyerek, bu konuda istatiksel bir yöntem önerdi.
Fermi, gerek kuramsal gerek denel fiziğe aynı derecede önemli katkıları olan çok az sayıda bilim adamından biri olarak 20.yy fiziğinde önemli bir yere sahiptir. İlk zincirleme çekirdek tepkimesini gerçekleştirerek de nükleer çağın öncülerinden sayılır.
• YAPITLAR (başlıca): Collected Papers, 2 cilt, 1962-1965, (“Toplu Yapıtlar”) (der E.Segre, E.Amaldi, H.L. Anderson, E.Persico, F.Rasetti, C.S.Smith, ve A.Wattenberg).
• KAYNAKLAR: L.Fermi, Atoms in the Family, 1954; P.Latil, Enrico Fermi; the Man and his Theories, 1965;E.Segre, Enrico Fermi, Physicist, 1970.
Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi