Enrico Fermi (Rome, 29 september 1901 – Chicago, 28 november 1954) was een in Italië geboren Amerikaans natuurkundige. Hij geniet de grootste bekendheid voor zijn werk op het gebied van bètaverval, de ontwikkeling van de eerste kernreactor en de mede-ontwikkeling van de kwantumtheorie (Fermi's gulden regel). Hem werd in 1938 de Nobelprijs voor de Natuurkunde toegekend.
Fermi stond aan het hoofd van het team dat de eerste kernreactor bouwde, waarin de eerste beheerste nucleaire kettingreactie plaatsvond en was een van de kopstukken van het Manhattanproject. Fermionen en het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) zijn naar hem genoemd en verder het element fermium en de Fermi-Diracstatistiek met het fermi-niveau. In 1956 werd de Enrico Fermi US Presidential Award in het leven geroepen ter herinnering aan zijn leven en werk en de afdeling aan de Universiteit van Chicago waar hij werkte heet tegenwoordig het Enrico Fermi-Instituut.
Biografie Jeugd Fermi werd geboren als de jongste van drie kinderen van Alberto Fermi, hoofdingenieur bij de Italiaanse spoorwegen, en de onderwijzeres Ida de Gattis. Hij was in zijn jeugd onafscheidelijk van zijn één jaar oudere broer Giulio, die in 1915 echter overleed bij een 'kleine operatie' voor een abces aan zijn keel. Enrico wierp zich op zijn studie om dit verlies te vergeten. Daarnaast had hij nog een twee jaar oudere zus, Maria (1899-1959).
Een vriend van de familie, Adolfo Amidei, leidde Fermi's aandacht naar algebra, goniometrie, analytische meetkunde, differentiaalrekening en theoretische mechanica. Amidei stelde ook voor dat Fermi niet naar de universiteit van Rome zou gaan maar naar de prestigieuze Scuola Normale Superiore in Pisa, een speciaal instituut voor hoogbegaafde studenten. De examinator vond het opstel voor het toelatingsexamen van de 17-jarige Fermi goed genoeg voor een doctoraalexamen.
Vroege carrière In 1918 ging hij studeren aan het instituut in Pisa waar hij in 1922 zijn kandidaatsexamen cum laude aflegde. Na zijn afstuderen keerde Fermi terug naar Rome waar hij onder de hoede kwam van Orso Mario Corbino, hoogleraar in de experimentele natuurkunde en directeur van het Instituut voor Natuurkunde in de Via Panisperna in Rome. Op een postdoc-studiebeurs bracht Fermi in 1923 zes maanden door aan de Universiteit van Göttingen bij Max Born, waar hij onder andere kennismaakte met Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli en Maria Göppert. Fermi was niet ingenomen met de formele stijl van lesgeven aan de belangrijkste school voor kwantummechanica van die tijd.
In het najaar van 1924 studeerde hij bij Paul Ehrenfest in Leiden, op advies van George Uhlenbeck die hij eerder in Rome had ontmoet en met wie hij twee wetenschappelijk artikelen schreef. Voor Fermi was het verblijf in Leiden een inspirerende ervaring. Zo werd hij door Ehrenfest in contact gebracht met Hendrik Lorentz en Albert Einstein en sloot hij vriendschap met een aantal jonge natuurkundigen, zoals Samuel Goudsmit en Jan Tinbergen.
Na zijn terugkeer in Italië in 1925 accepteerde hij een onderwijspositie aan de universiteit van Florence. Gedurende zijn eerste jaar schreef hij een artikel over de toepassing van Wolfgang Pauli's uitsluitingsprincipe. Hij postuleerde dat dezelfde regels niet alleen van toepassing waren op elektronen maar ook golden voor atomen in een gas. Het wiskundige model, de zogenaamde antisymmetrische statistiek en geldig voor elementaire deeltjes met halftallige spin (fermionen), hierachter zou later bekend worden als de Fermi-Diracstatistiek. Op basis van deze statistiek ontwikkelde hijzelf het atoommodel dat bekendstaat als het Thomas-Fermimodel.
Hoogleraar in Rome Op vijfentwintigjarige leeftijd werd Fermi in 1926 benoemd tot hoogleraar in Rome op de eerste leerstoel in de theoretische natuurkunde van Italië, voor hem ingesteld door professor Corbino. Ook hielp Corbino Fermi bij het samenstellen van zijn team, waar mensen als Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Franco Rasetti en Emilio Segrè deel van gingen uitmaken. Ook Ettore Majorana nam als theoreticus deel aan de groep, die later bekendstond als “i ragazzi di via Panisperna” (de jongens van de via Panisperna) – naar de naam van de straat (Via Panisperna) waar het fysisch instituut in Rome gevestigd was.
Met toestemming van Corbino besloot Fermi het fysisch instituut om te vormen tot een modern onderzoekscentrum op het gebied van de atoomfysica. Daarbij ging hij de informele manier van les geven gebruiken waarmee hij bij Ehrenfest kennis had gemaakt. In Rome leverden Fermi en zijn groep belangrijke bijdragen aan vele praktische en theoretische aspecten van de natuurkunde. In 1928 publiceerde hij zijn boek: Introduzione alla fisica atomica (Introductie in de atoomfysica).
Op 18 maart 1929 werd Fermi door Benito Mussolini benoemd tot lid van de koninklijke Academia d'Italia en op 27 april trad hij toe tot de fascistische partij. Onder auspiciën van de Academia d'Italia en de Fondazione Volta (Stichting Alessandro Volta) organiseerde Fermi een internationaal congres voor kernfysica, dat plaatsvond in Rome van 11 tot 17 oktober 1931. Afgezien van propagandistische aspecten was het congres van Rome het eerste officiële optreden van Fermi's groep op het internationale toneel van de kernfysica. Twee jaar later, in oktober 1933, nam Fermi deel aan de Solvayconferentie in Brussel. Vlak daarna voltooide hij zijn beroemde werk aan de theorie van bètaverval.
Daarna richtte Fermi zich met zijn groep fysici op een nieuw onderzoeksgebied: het creëren van radioactieve isotopen door middel van bombardering met neutronen. Bij toeval nam Fermi hierbij het verschijnsel waar dat paraffine, een stof die rijk is aan waterstofatomen, het effect van neutronenvangst enorm versterkte. Volgens hem werden via een groot aantal elastische botsingen de neutronen vertraagd, waardoor hun doeltreffendheid toenam en bevestigde dit door het effect te herhalen met water.
Amerika Fermi bleef in Rome tot 1938. In dat jaar werd hem de Nobelprijs voor de Natuurkunde toegekend voor
Vanuit Stockholm, waar hij zijn prijs in ontvangst had genomen, reisde Fermi met zijn gezin door naar New York om in de Verenigde Staten een nieuw leven te beginnen. Zijn vrouw Laura Capon was namelijk Joods en in Italië waren net de rassenwetten van de fascisten van Mussolini van kracht geworden, reden voor Fermi om meteen te emigreren. Hij ging werken aan de Columbia-universiteit alwaar hij werd aangesteld als hoogleraar natuurkunde. Hij werkte er samen met Isidor Isaac Rabi en Polykarp Kusch.
thumb|Tekening van Fermi's experiment met een kernreactor. Na aankomst in New York verifieerde hij de eerdere experimenten met kernsplitsing van Otto Hahn en Fritz Strassmann (met hulp van Eugene Booth, John Dunning en Herbert L. Anderson). Al voor de Tweede Wereldoorlog waren Fermi en andere natuurkundigen tot de overtuiging gekomen dat uraniumsplijting gebruikt kon worden voor de vervaardiging van een bom met een vernietigingskracht die vele malen krachtiger was dan de gebruikelijke chemische explosieven.
In 1942 verhuisde hij naar het Metallurgical Laboratory in Chicago waar hij begon met de bouw van de eerste experimentele kernreactor. Op de squashbaan onder de tribunes van een in onbruik geraakt footballstadion van de universiteit was een uraniumzuil opgericht die 2 december 1942 in gebruik werd genomen. Met het experiment toonde Fermi aan dat het ook in de praktijk, en niet alleen op papier, mogelijk was een kettingreactie tot stand te brengen en te onderhouden.
Fermi haalde herinneringen op aan het begin van dit project in een toespraak die hij in 1954 gaf toen hij aftrad als voorzitter van de Amerikaanse Vereniging voor Natuurkunde (American Physical Society):
Na de beroemde brief aan president Roosevelt in 1939, opgesteld door Leó Szilárd en medeondertekend door Albert Einstein, verstrekte de Amerikaanse Marine aan Columbia University de eerste 6.000 dollar subsidie voor onderzoek naar kernenergie, wat uiteindelijk uitgroeide tot het Manhattanproject met onder meer Fermi.
Fermi zei (opnieuw in zijn toespraak uit 1954):
Enrico Fermi was een briljant man met veel gezond verstand. Hij was niet alleen een zeer begaafd theoreticus, zoals zijn theorie van het bètaverval bewijst, maar ook een uitstekend experimentator in het laboratorium. Hij werkte snel en met groot inzicht. Fermi zei zelf vaak dat het zijn snelheid in het lab was die hem de Nobelprijs had bezorgd – zijn ontdekkingen zouden spoedig door een ander zijn gedaan, maar hij was alleen net de eerste geweest.
Toen hij zijn beroemde artikel Tentative theory of beta rays (poging tot een theorie van bètastraling) over bètaverval indiende bij het vooraanstaande tijdschrift Nature, werd het afgewezen. De redacteur vond dat het "speculaties bevatte die te ver van de realiteit af lagen". Daarop verscheen het in Ricerca Scientifica, terwijl een uitgebreidere versie werd gepubliceerd in Il Nuova Cimento en een Duitse vertaling in Zeitschrift für Physik.; Nuova Cimento 11 (1934) Fermi's ontdekking werd dus eerder in het Italiaans en Duits gepubliceerd dan in het Engels (Nature, 6 januari 1939).
Overlijden Na de Tweede Wereldoorlog keerde Fermi terug naar de universiteit van Chicago waarbij hij Charles H. Swift Distinguish Service Professor of Physics werd en lid van het recent opgerichte Instituut voor Kernstudie. In 1947 werd Fermi benoemd tot lid van General Advisory Committee (GAC), het comité voor wetenschappelijk advies van de Atomic Energy Commission (AEC); hij bekleedde deze functie tot augustus 1950. In deze rol speelde Fermi een prominente rol in de totstandkoming van de waterstofbom.
Hij overleed op 53-jarige leeftijd in Chicago aan kanker en werd daar begraven op de Oak Woods begraafplaats. Mogelijk is er een verband tussen zijn vroege dood en zijn jarenlange intensieve omgang met radioactieve stoffen waarvan de gevaren aanvankelijk nog niet volledig werden onderkend, waarom er nauwelijks beschermingsmaatregelen tegen straling in acht werden genomen. Naast Fermi overleden er in zijn omgeving ook veel andere natuurkundigen en technici aan kanker, waarschijnlijk eveneens gerelateerd aan hun intensief werken met radioactief materiaal.
Privéleven Fermi was vrijmetselaar. In 1928 trouwde hij met de Joodse Laura Capon (1907-1977). Ze kregen twee kinderen, een dochter Nella (1931-1995) en een zoon Giulio (1936-1997) die naar Fermi's overleden broer werd genoemd. Zijn vrouw schreef een bekende biografie van Fermi: Atoms in the Family: My Life with Enrico Fermi (University of Chicago Press, 1954)
Werk Bètaverval thumb|Bètaverval: een neutron vervalt tot een proton, en zendt een elektron en een antineutrino uit. Een van de eerste problemen waar Fermi zijn aandacht op richtte, was bètaverval, het proces waarbij een neutron in een atoomkern verandert in een proton en een elektron. Hierbij wordt een elektron uit het atoom gestoten als een β-deeltje. Het mechanisme achter bètaverval leek inbreuk te maken op de toen bekende natuurkundige principes van behoud van energie en werd daarom begin jaren 30 intensief bestudeerd.
Pauli had gesuggereerd dat de mogelijke schending van behoudswetten waargenomen tijdens bètaverval verklaard kon worden door aanname van een klein, essentieel massaloos deeltje dat tijdens de gebeurtenis vrijkomt. Om onderscheid te maken tussen het door Pauli voorgesteld lichte deeltje en het zware neutron gaf hij het de naam ‘klein neutron’, wat in het Italiaans “neutrino” is. Deze naam werd gemeengoed.