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Enrico Fermi
Enrico Fermi (1901-1954), physicien italien naturalisé américain, a construit le premier réacteur nucléaire en 1942 à Chicago. Prix Nobel de physique 1938, il fut à la fois un grand théoricien et un grand expérimentateur.
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Fermi est l’un des rares physiciens du XXe siècle à avoir excellé autant en théorie qu’en laboratoire. Il a donné la première théorie de l’interaction faible, découvert le pouvoir des neutrons lents et dirigé la construction de la première pile atomique. Les fermions, le fermi (unité de longueur) et l’élément fermium portent son nom.
Repères chronologiques
| Date | Événement |
|---|---|
| 29 septembre 1901 | naissance à Rome ; son père est fonctionnaire des chemins de fer |
| 1918-1922 | études à l’École normale supérieure de Pise ; doctorat en 1922 |
| 1923-1924 | séjours à Göttingen (Max Born) et Leyde (Paul Ehrenfest) |
| 1926 | statistique de Fermi (statistique de Fermi-Dirac) |
| 1927 | professeur de physique théorique à Rome ; forme les « garçons de la via Panisperna » |
| 1928 | épouse Laura Capon, d’origine juive |
| 1933-1934 | théorie de la désintégration bêta |
| 1934 | radioactivité induite par neutrons ; découverte de l’effet des neutrons lents |
| 1938 | lois raciales fascistes ; prix Nobel de physique ; ne revient pas en Italie et gagne New York |
| 1939 | professeur à Columbia ; travaille avec Leó Szilárd sur la réaction en chaîne |
| 2 décembre 1942 | première réaction en chaîne contrôlée, Chicago Pile-1 |
| 1944-1945 | à Los Alamos, conseiller du projet Manhattan |
| 16 juillet 1945 | assiste à l’essai Trinity |
| 1946 | professeur à l’université de Chicago |
| 1949 | s’oppose, avec d’autres, au développement de la bombe H |
| 28 novembre 1954 | mort d’un cancer de l’estomac à Chicago |
La statistique de Fermi
En 1926, Fermi décrit le comportement des particules qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli : deux d’entre elles ne peuvent occuper le même état quantique. Dirac obtient le même résultat indépendamment. Ces particules, comme l’électron, le proton et le neutron, sont appelées fermions. La statistique de Fermi-Dirac explique la conduction électrique des métaux, la structure des étoiles naines blanches et le fonctionnement des semi-conducteurs.
La théorie de la désintégration bêta (1933-1934)
Dans la radioactivité bêta, un neutron du noyau se transforme en proton en émettant un électron. Pour respecter la conservation de l’énergie, Wolfgang Pauli avait proposé en 1930 qu’une particule invisible soit aussi émise. Fermi la baptise neutrino (« petit neutre ») et donne la première théorie quantitative du phénomène, fondée sur une nouvelle force : l'interaction faible, l’une des quatre interactions fondamentales. La revue Nature refusa son article, jugé trop spéculatif ; il fut publié en italien et en allemand. Le neutrino sera détecté en 1956.
Les neutrons lents
À Rome, en 1934, après la découverte de la radioactivité artificielle par les Joliot-Curie, Fermi et son équipe bombardent systématiquement les éléments avec des neutrons et créent de nombreux isotopes radioactifs. Ils découvrent par hasard que des neutrons ralentis par de la paraffine ou de l’eau sont beaucoup plus efficaces pour provoquer des réactions nucléaires.
En bombardant l’uranium, ils obtiennent des produits qu’ils interprètent comme des éléments plus lourds que l’uranium. Il s’agissait en réalité, comme le comprendront Hahn, Strassmann et Lise Meitner en 1938-1939, de la fission de l’uranium.
Le prix Nobel de physique 1938 récompense Fermi « pour sa démonstration de l’existence de nouveaux éléments radioactifs produits par irradiation neutronique, et pour sa découverte des réactions nucléaires provoquées par les neutrons lents ». Il profite du voyage à Stockholm pour émigrer aux États-Unis avec sa famille, menacée par les lois antisémites de Mussolini.
Le premier réacteur nucléaire
Le 2 décembre 1942, sous les gradins d’un stade de l’université de Chicago, l’équipe de Fermi fait fonctionner Chicago Pile-1, un empilement de briques de graphite et d’uranium. La première réaction en chaîne contrôlée de l’histoire dure environ 28 minutes, à une puissance d’un demi-watt. Le message codé envoyé aux responsables annonce que le « navigateur italien » a abordé le Nouveau Monde. Voir fission et fusion nucléaire.
| Élément de la pile | Rôle |
|---|---|
| uranium | combustible fissile |
| graphite | modérateur, ralentit les neutrons |
| barres de cadmium | absorbent les neutrons et contrôlent la réaction |
Ce réacteur ouvre la voie à la production de plutonium pour le projet Manhattan, dirigé scientifiquement à Los Alamos par Robert Oppenheimer, et aux centrales nucléaires.
Le style Fermi
Fermi était célèbre pour ses estimations rapides d’ordres de grandeur à partir de presque rien. Lors de l’essai Trinity, il estime la puissance de l’explosion en observant la distance parcourue par des morceaux de papier lâchés au passage du souffle. On appelle problèmes de Fermi ces exercices d’estimation, comme le nombre d’accordeurs de pianos à Chicago. Voir les ordres de grandeur.
Le paradoxe de Fermi vient d’une question qu’il aurait posée en 1950 lors d’un déjeuner à Los Alamos : si les civilisations extraterrestres sont nombreuses, où sont-elles ?
Questions fréquentes
Qu’a inventé Enrico Fermi ?
Le premier réacteur nucléaire, Chicago Pile-1, qui a réalisé la première réaction en chaîne contrôlée le 2 décembre 1942. Il a aussi formulé la théorie de la désintégration bêta et la statistique des fermions.
Pourquoi Fermi a-t-il eu le prix Nobel ?
Pour avoir produit de nouveaux éléments radioactifs par bombardement neutronique et découvert l’efficacité des neutrons lents. Il a reçu le prix Nobel de physique 1938.
Qu’est-ce que le paradoxe de Fermi ?
La contradiction apparente entre la forte probabilité estimée de civilisations extraterrestres et l’absence de toute preuve de leur existence. Elle tire son nom d’une question posée par Fermi en 1950.