Enrico Fermi

Bedeutung und wissenschaftliche Beiträge

Enrico Fermi (* 29. September 1901 in Rom; † 28. November 1954 in Chicago, Illinois) war ein italienisch-amerikanischer Physiker und einer der bedeutendsten Kernphysiker des 20. Jahrhunderts. 1938 erhielt er den Nobelpreis für Physik.

Seine Arbeiten von 1926 bis 1932 prägten Quantenmechanik, Festkörperphysik und Quantenstatistik. Dazu zählen die Fermi-Dirac-Statistik für Fermionen, Fermis Goldene Regel, die Fermifläche, die Fermi-Resonanz und die Thomas-Fermi-Theorie des Atoms. Fermionen sind eine nach ihm benannte Gruppe von Elementarteilchen; die Fermi-Dirac-Statistik beschreibt ihre quantenstatistische Verteilung.

1934 veröffentlichte Fermi eine Theorie des Beta-Zerfalls, die Fermi-Wechselwirkung. Beim Beta-Zerfall prägte er bereits 1933 die Bezeichnung Neutrino für ein beteiligtes Teilchen, dessen Existenz Wolfgang Pauli drei Jahre zuvor postuliert hatte.

Ausbildung, Forschung in Italien und Emigration

Fermi studierte ab seinem 17. Lebensjahr an der Scuola Normale Superiore in Pisa. 1922 schloss er das Studium magna cum laude mit einer experimentellen Arbeit über Röntgenstreuung an Kristallen ab. Forschungsaufenthalte führten ihn 1923 zu Max Born an die Universität Göttingen und 1924 zu Paul Ehrenfest in die Niederlande. Von 1926 bis 1938 hatte er den neu gegründeten Lehrstuhl für theoretische Physik an der Universität Rom inne.

Um ihn bildete sich in Rom eine aktive Gruppe theoretischer und experimenteller Physiker. Angeregt durch die Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick 1932 und durch Kernumwandlungen nach Alphateilchen-Bestrahlung wandte Fermi sich 1934 der Experimentalphysik zu. Er zeigte, dass Kernumwandlungen durch Neutronenstrahlung wesentlich wirksamer ablaufen und dass stark abgebremste, thermische Neutronen die Ausbeute weiter verbessern.

Bei Bestrahlung von Uran beobachteten Fermi und seine Mitarbeitenden 1934 Veränderungen des Materials, deuteten sie jedoch irrtümlich als Entstehung von Transuranen. Ida Noddack wies schon damals auf die Möglichkeit der Kernspaltung hin; Otto Hahn und Fritz Straßmann zeigten sie vier Jahre später chemisch-analytisch, während Lise Meitner und Otto Frisch die theoretischen Grundlagen erarbeiteten. Der Nobelpreis von 1938 wurde Fermi offiziell für neue radioaktive Elemente nach Neutronenbestrahlung und für Kernreaktionen durch langsame Neutronen verliehen, obwohl die damalige Transuran-Deutung nach heutigem Kenntnisstand falsch war.

Fermi war seit 1928 mit Laura Capon verheiratet. Wegen der 1938 erlassenen antisemitischen Gesetze des Mussolini-Regimes emigrierte die Familie in die USA.

Kettenreaktion und Arbeit in den USA

An der Columbia-Universität arbeitete Fermi Anfang der 1940er Jahre mit Isidor Isaac Rabi und Polykarp Kusch. Am 2. Dezember 1942 um 15:25 Uhr gelang ihm an der University of Chicago mit dem Reaktor Chicago Pile No. 1 erstmals eine kritische Kernspaltungs-Kettenreaktion. Dabei löst die Spaltung weiterer Atomkerne genügend neue Spaltungen aus, damit die Reaktion sich selbst erhält. Die theoretische Vorarbeit stammte von Leó Szilárd.

Im Sommer 1944 zog Fermi nach Los Alamos und wirkte dort unter dem Decknamen Henry Farmer als Berater Robert Oppenheimers an Entwicklung und Bau der ersten Atombomben mit. Im April 1943 hatte er Oppenheimer zudem vorgeschlagen, radioaktive Nebenprodukte der Anreicherung zur Verseuchung der deutschen Lebensmittelversorgung einzusetzen; der Plan wurde vor dem Hintergrund der Sorge um das deutsche Atombombenprojekt besprochen. Enrico und Laura Fermi wurden am 11. Juli 1944 Staatsbürger der Vereinigten Staaten.

Nach dem Zweiten Weltkrieg forschte Fermi wieder grundlagenorientiert am Kernforschungszentrum der Universität Chicago. Nach einer Europareise wurde 1954 Magenkrebs diagnostiziert. Er wurde am 9. Oktober operiert und starb sieben Wochen später.

Fortwirken und zentrale Namensgebungen

Fermi war für schnelle Abschätzungen und physikalische Intuition bekannt. Fermi-Probleme schätzen aus wenigen Daten eine Größe ab, etwa die Zahl der Klavierstimmer in Chicago. Ein Beispiel ist der FERMIAC, ein von Fermi entwickelter analoger Computer zum Studium des Neutronentransports.

Nach ihm benannt sind unter anderem das Fermigas beziehungsweise Elektronengas, Fermionen, das künstliche Element Fermium und die Fermi-Energie, ein Energieniveau in Vielteilchensystemen. Weitere wichtige Begriffe sind Fermi-Dirac-Statistik, Fermiverteilung mit Fermi-Kante, Fermi-Energie E_F und Fermi-Temperatur, Fermi-Fläche, Fermi-Flüssigkeit, Thomas-Fermi-Modell und Fermi-Wechselwirkung. Die veraltete Längeneinheit 1 Fermi entspricht 1 fm = 10^−15 m = 1 Femtometer.

Auch das Fermi-Paradoxon und das Fermi-Problem tragen seinen Namen. Institutionen und Auszeichnungen sind der Enrico-Fermi-Preis, das Fermi National Accelerator Laboratory bei Chicago sowie die International School of Physics Enrico Fermi. Nach Fermi benannt wurden außerdem der Mondkrater Fermi (1970) und der Asteroid (8103) Fermi (1999).

Auszeichnungen

Zu Fermis wichtigsten Auszeichnungen gehören die Matteucci-Medaille (1926), der Nobelpreis (1938), die Hughes-Medaille (1942), die Medal for Merit (1946), die Franklin Medal (1947), die Barnard-Medaille (1950), der Rumford-Preis (1953) und die Max-Planck-Medaille (1954).

Er war unter anderem Mitglied der National Academy of Sciences, der Leopoldina seit 1935, der American Philosophical Society seit 1939 und auswärtiges Mitglied der Royal Society seit 1950. 1953 war er Präsident der American Physical Society.