إنريكو فيرمي بين النظرية والتجربة في الفيزياء الحديثة

إنريكو فيرمي، الفيزيائي الإيطالي الأمريكي، حاز جائزة نوبل في الفيزياء عام ١٩٣٨، لاكتشافه عناصر جديدة وتفاعلات نووية من خلال أسلوبه في التشعيع، والقصف النووي، في ديسمبر 1942، حقق إنريكو فيرمي وفريقه أول تفاعل انشطار نووي متسلسل متحكّم فيه في جامعة شيكاغو، تضمنت هذه التجربة الرائدة إنشاء كومة مصنوعة من اليورانيوم والجرافيت.بالإضافة إلى ذلك مصممة للحفاظ على تفاعل متسلسل من خلال امتصاص وإطلاق النيوترونات، كان نجاح هذه التجربة محوريًا، إذ مثّل انتقالًا من الفيزياء النظرية إلى التطبيقات العملية للطاقة النووية. بالإضافة إلى ذلك لم يثبت عمل فيرمي جدوى استخدام الانشطار النووي لإنتاج الطاقة فحسب، بل مهد الطريق أيضًا لتطوير الأسلحة الذرية خلال الحرب العالمية الثانية.

ما الذي اخترعه إنريكو فيرمي؟

إنجاز إنريكو فيرمي وبداية عصر الطاقة النووية

في الثاني من ديسمبر عام ١٩٤٢، سخّر إنريكو فيرمي وفريقه العلمي الذرة، وفتحوا آفاقًا علمية وتكنولوجية جديدة. بالإضافة إلى ذلك مكّن إنجازه الولايات المتحدة من إنتاج القنبلة الذرية التي أسهمت في إنهاء الحرب العالمية الثانية. والآن.

استخدامات الطاقة النووية في العصر الحديث

وبعد أكثر من خمسين عامًا، تشكّل الطاقة النووية جزءًا كبيرًا من الطاقة الكهربائية في العالم. وتستخدم المواد المشعة في مئات التطبيقات الصناعية والزراعية والطبية، بدءًا من حفظ الأغذية وصولًا إلى علاج السرطان. وفحص سلامة اللحامات في خطوط الأنابيب ودعامات الجسور، وأجهزة قياس سمك الطلاءات المطبقة على الورق.

النشأة والتعليم المبكر لإنريكو فيرمي

ولِد إنريكو فيرمي في روما عام ١٩٠١، وحصل على الدكتوراه من جامعة بيزا عام ١٩٢٢، درس في غوتنغن بألمانيا على يد ماكس بورن، وفي لايدن بهولندا على يد بول إهرنفيست، بين عامي ١٩٢٣ و١٩٢٤، من عام ١٩٢٤ إلى عام ١٩٢٦، حاضر إنريكو فيرمي في الفيزياء الرياضية والميكانيكا في جامعة فلورنسا، أصبح أول أستاذ للفيزياء النظرية في جامعة روما، حيث درّس لمدة اثني عشر عامًا.

جائزة نوبل واكتشافاته الرائدة

في عام ١٩٣٨، سافر إنريكو فيرمي إلى ستوكهولم لتلقي جائزة نوبل “لاكتشافه عناصر مشعة جديدة ناتجة عن القصف النيوتروني، واكتشافه، بالتزامن مع هذا العمل، للتفاعلات النووية الناتجة عن النيوترونات البطيئة”.

زوجة إنريكو فيرمي

كتبت زوجة إنريكو فيرمي، لورا، في كتابها الذرات في العائلة، “أربع سنوات من الأبحاث الدؤوبة؛ والأنابيب المكسورة والسليمة المملوءة بمسحوق البريليوم والرادون؛ والسباقات المضنية في قاعة مبنى الفيزياء لنقل العناصر الواحدة تلو الأخرى إلى عدادات جايجر؛ والجهود المبذولة لفهم العمليات النووية. والاختبارات الكثيرة لإثبات النظريات، كل هذا أهّل إنريكو لنيل جائزة نوبل”.

بحلول عام ١٩٣٨، أصبحت إيطاليا الفاشية لا تطاق بالنسبة لفيرمي، فاستغل رحلته إلى ستوكهولم فرصةً للهرب، أبحر هو وعائلته مباشرةً إلى الولايات المتحدة، التي زارها مراتٍ كثيرة سابقًا، في الأشهر التي سبقت رحلته إلى ستوكهولم. سعى للتدريس في أمريكا، وتلقى عروضًا من خمس جامعات، اختار أستاذًا في الفيزياء بجامعة كولومبيا. وبالتالي وهناك، في عام ١٩٣٩، أكّد اكتشاف عملية الانشطار. وبدأ يسعى جاهدًا لتحقيق التفاعل النووي المتسلسل.

من عام ١٩٤٢ إلى عام ١٩٤٤، عمل إنريكو فيرمي في مختبر علم المعادن بجامعة شيكاغو، وفي مختبر مؤقت أسفل ملعب ستاغ فيلد، صمم وبنى أول مفاعل نووي، وقاد التجربة التاريخية التي أظهرت أول تفاعل تسلسلي ذاتي الاستدامة، وكان مسؤولاً، أكثر من أي فرد آخر، عن تطوير وسيلة لإطلاق الطاقة النووية على نحو متحكم فيه.

العودة إلى البحث الأكاديمي في جامعة شيكاغو

أصبح فيرمي مواطنًا أمريكيًا عام ١٩٤٤، ومن عام ١٩٤٤ إلى عام ١٩٤٥، أصبح مديرًا مساعدًا لمختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو، في عام ١٩٤٦، عاد إلى جامعة شيكاغو أستاذًا في معهد الدراسات النووية. الذي يحمل اسمه الآن معهد فيرمي. استأنف اهتماماته البحثية الأساسية في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات الأولية، وبدءًا من عام ١٩٥٠، كان من أوائل أعضاء اللجنة الاستشارية العامة لهيئة الطاقة الذرية.

التكريم والإنجازات العلمية اللاحقة

في 16 نوفمبر/تشرين الثاني 1954، منح الرئيس أيزنهاور وهيئة الطاقة الذرية فيرمي جائزة خاصة تقديرًا لإنجازاته طوال حياته في الفيزياء، وخاصةً لتطويره الطاقة الذرية، أسفرت أبحاث فيرمي الأخرى عن إحصائيات جسيمات فيرمي ديراك. بالإضافة إلى ذلك ونظرية اضمحلال بيتا. ونموذج توماس فيرمي للذرة. ونظرية أصل الأشعة الكونية.

وفاة إنريكو فيرمي

توفي إنريكو فيرمي في 28 نوفمبر 1954، وأسس جائزة إنريكو فيرمي في عام 1956، لتخليد ذكرى تألقه كعالم والاعتراف بالآخرين من أمثاله الذين ألهموا الآخرين بمثاله. [1]

تعرف أيضا على : رومل ثعلب الصحراء وأسطورة الحرب العالمية الثانية

ما هي نظرية إنريكو فيرمي؟

بداية نظرية فيرمي وتحلل بيتا

قصة اختراع القنبلة النووية، أدت نظرية إنريكو فيرمي إلى تحلل بيتا إلى تطوير مفاهيم جديدة للتفاعلات النووية واكتشاف جسيمات أولية جديدة، في عام ١٩٣٥، استخدم هيديكي يوكاوا نظريتي فيرمي وديراك، للتفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية. كنماذج لنظريته عن القوة النووية القوية التي تربط البروتونات والنيوترونات معًا في النواة.

نظرية يوكاوا والتنبؤ بالميزون

تضمنت نظريته التنبؤ بالميزون ككم مجال لنقل التفاعل القوي، بينما اقترح كم مجال للتوسط في التفاعلات الضعيفة في تحلل بيتا بدلاً من الاقتران المباشر الذي استخدمه فيرمي، أظهر يوكاوا أن كتلة الميزون تساوي نحو مئتي كتلة إلكترونية. وافترضت نظريته أن كتلة الكم المجالي أكبر بكثير لنقل التفاعلات الضعيفة. التي تسمى الآن جسيم W نظرًا لمداه الأقصر بكثير.

اكتشاف الميون والبيون وتأكيد نظرية يوكاوا

في عام 1937، اكتُشف جسيم كتلته 207 إلكترون في الأشعة الكونية، لكن إنريكو فيرمي وزملائه أظهروا أن هذا الجسيم المسمى بالميون تفاعل مع المادة بقوة ضعيفة، وفي عام 1947، اكتشف جسيم كتلته 273 إلكتروناً. يسمى الآن البيون. بالإضافة إلى ذلك وقد تفاعل بقوة قوية وطابق خصائص ميزون يوكاوا، وكان من الصعب اكتشاف النيوترينو لأنه يمر بسهولة عبر المادة.

تأكيد وجود النيوترينو تجريبياً

وفي عام 1956، أكد كل من سي إل كوان وفريدريك راينريز آثار النيوترينوات بالقرب من مفاعل نووي، بينما أنْتج ما يكفي لتفاعل عدد قليل منها مع البروتونات لإنتاج نيوترونات. وبوزيترونات متزامنة تقريبًا. ويمكن اكتشافها بسهولة فيما يسمى بتحلل بيتا العكسي.

اكتشاف أنواع النيوترينوات المختلفة

وبحلول عام 1961، كشفت التجارب عن وجود فرق بين نيوترينو الإلكترون الناتج عن تحلل بيتا العادي ونيوترينو الميون الناتج عن تحلل البيونات إلى ميون، أُكِّدت النظريات التي تنبأت بإنتاج كميات كبيرة من النيوترينوات عندما تنفجر النجوم بوساطة المستعر الأعظم الذي حدث في فبراير/شباط 1987، عندما سجِّل نحو عشرة أحداث نيوترينو في جهاز كشف ياباني.

نظرية القوة الكهروضعيفة وتوحيد التفاعلات

كانت أهم نتيجة لنظرية اضمحلال بيتا لفيرمي هي تطوير نظرية موحدة للقوة الكهروضعيفة عام ١٩٦٧، من قِبل ستيفن واينبرغ، ومن قِبل عبد السلام بصورة مستقلة، أظهر هذان الباحثان أن التفاعلات الكهرومغناطيسية. والضعيفة تمثل جوانب مختلفة لقوة كهروضعيفة واحدة تتطلب ثلاثة كمّات مجال ضخمة جديدة.

إثبات نظرية واينبرغ–سلام بالتجارب

أُكِّدت نظرية القوة الكهروضعيفة بصورة كبيرة عام ١٩٨٣، عندما استخدم فريق من ١٣٥ عضوًا بقيادة كارلو روبيا تصادمات البروتونات في مسرع عملاق في جنيف لإنتاج جسيمات W موجبة وسالبة بكتلة تبلغ نحو خمسة وثمانين ضعف كتلة البروتون. وجسيمات Z متعادلة بكتلة نحو سبعة وتسعين كتلة بروتون، بما يتوافق تمامًا مع نظرية واينبرغ سلام.

الفرق بين القنبلة النووية والذرية

الفرق بين القنبلة النووية والذرية، القنبلة الذرية تعتمد على انشطار نواة ذرة ثقيلة (على سبيل المثال اليورانيوم أو البلوتونيوم) لتوليد الطاقة، بينما القنبلة النووية (الهيدروجينية أو الحرارية) تعتمد على اندماج نواتين ذريتين خفيفتين (على سبيل المثال نظائر الهيدروجين) لتوليد طاقة أكبر بكثير من القنبلة الذرية.

تعرف أيضا على : بليز باسكال: الفيلسوف والعالم الذي جمع بين الرياضيات والإيمان

من هو أول عالم نووي؟

• لا يوجد عالم نووي “أول” واحد، ولكن كان روبرت أوبنهايمر فيزيائيًا نظريًا أمريكيًا، يعرف على نطاق واسع بأنه أبو القنبلة الذرية، إرنست رذرفورد يُعرف على نطاق واسع بأنه “أب العلوم النووية” لعمله الرائد في نظرية البنية الذرية وبنية الذرة.
• إلا أن علماء آخرين، على سبيل المثال إنريكو فيرمي مبتكر أول مفاعل نووي اصطناعي، وأوتو هان مكتشف الانشطار النووي، قدموا أيضًا أسهامات أساسية في هذا المجال.

تعرف أيضا على : روبرت أوبنهايمر بين العلم والجدل الأخلاقي

من هو أول من اخترع المفاعل النووي؟

إنريكو فيرمي وولادة المفاعل النووي

أول من اخترع المفاعل النووي إنريكو فيرمي، كان “بابا النيوترون” فيرمي شخصيةً محوريةً في هذا التطور: إذ حضّر أول تفاعل تسلسلي متحكّم فيه في العالم، في صباح الثاني من ديسمبر/كانون الأول عام ١٩٤٢، اجتمع بضع عشرات من العلماء وعدد قليل من الضيوف تحت مدرجات ملعب كرة القدم المهجور “ستاغ فيلد” في شيكاغو. هناك. بينما كان الطلاب يلعبون الاسكواش سابقًا، أنْشِئ “كومة شيكاغو ١”، أو اختصارًا CP-1، تحت إشراف فيرمي، في هذه الكومة. كان من المقرر تشغيل تفاعل تسلسلي انشطاري ذاتي الاستدامة والتحكم فيه.

إقامة “كومة شيكاغو 1” في ستاغ فيلد

كان المفاعل الأصلي بالتالي وصفه إنريكو فيرمي، “كومة بدائية من الطوب الأسود والخشب”، كومة من الكتل شبه كروية الشكل، بارتفاع 7.6 أمتار.

بنية المفاعل ومكوناته الأساسية

يتكون من 5.4 أطنان من معدن اليورانيوم، و45 طنًا من أكسيد اليورانيوم، و360 طنًا من الجرافيت. تتناوب طبقات الجرافيت واليورانيوم، بينما يغلف الجرافيت اليورانيوم بالكامل، افترض إنريكو فيرمي وزملاؤه أن النيوترونات المنبعثة من التحلل الطبيعي لليورانيوم ستشكل نظائر غير مستقرة مع ذرات يورانيوم أخرى، التي بدورها ستتحلل إلى عنصرين مختلفين، وتطلق كمية كبيرة من الطاقة. بالإضافة إلى ذلك المزيد من النيوترونات. من خلال هذا الانشطار النووي، استخدمت صفائح الكادميوم، التي يمكن إنزالها في شقوق في قلب المفاعل. للتحكم في التفاعل، وبقياس تدفق النيوترونات، أمكن رصد شدة التفاعل.

ظروف الأمان والهدف من التجربة

لم تكن هناك حماية من الإشعاع، ولا نظام تبريد، بلغت طاقة المفاعل التجريبي 0.5 واط فقط، وظلت الحرارة الناتجة ضمن الحدود المسموح بها، ويرجع ذلك إلى أن مفاعل فيرمي CP-1، أول مفاعل نووي في العالم، لم يطوَّر لتوليد الطاقة. كان الهدف الفعلي من العمل إنتاج بلوتونيوم صالح للاستخدام في صنع الأسلحة من اليورانيوم-238 لصالح “مشروع مانهاتن”.

انتقال فيرمي إلى لوس ألاموس ودوره في الترينيتي والهيروشيما/نجازاكي

بعد إجراء تجارب على مفاعلات تجريبية أخرى، انتقل إنريكو فيرمي إلى لوس ألاموس، وبصفته عضوًا بارزًا في “مشروع مانهاتن”، أسهم مساهمة حاسمة في تمكين الولايات المتحدة من تفجير قنبلة ذرية تسمى “ترينيتي” لأول مرة في 16 يوليو 1945، وبعد بضعة أسابيع، أُلقيت القنبلتان على هيروشيما، وناجازاكي، بالتالي تسبب في دمار لم يسبقه مثيل. [2]

ختاما، لعب إنريكو فيرمي دورًا محوريًا في مشروع مانهاتن. بينما أشرف على أول تفاعل نووي متسلسل متحكّم فيه عام ١٩٤٢. كان لهذا الإنجاز دورٌ محوري في تطوير الطاقة النووية، سواءً للتطبيقات العسكرية أو للأغراض السلمية. بالإضافة إلى ذلك يذكر أن إنريكو فيرمي منح جائزة نوبل في الفيزياء عام ١٩٣٨ لعمله على النيوترونات البطيئة، بالتالي استمر في إحداث تأثيرٍ إيجابيٍّ في مجال الفيزياء طوال حياته. ورغم مشاركته في تطوير القنبلة الذرية، كان إنريكو فيرمي يأمل أن يقتصر استخدامها على الأغراض العسكرية. مؤكدًا على أهمية التقدم العلمي المسؤول.توفي عام ١٩٥٤، تاركًا إرثًا يجسّد شخصيةً محوريةً في تطور الفيزياء الحديثة.

تعرف أيضا على : جيمس كليرك ماكسويل: من معادلات الضوء إلى ثورة الفيزياء الحديثة

الأسئلة الشائعة

س. من هو إنريكو فيرمي؟

ج. إنريكو فيرمي هو عالم فيزياء إيطالي أمريكي، ولد عام 1901، وتوفي عام 1954. يعرف بأنه أحد مؤسسي الفيزياء النووية الحديثة. وقاد أول تجربة ناجحة لتفاعل نووي متسلسل.

س. أين ولد إنريكو فيرمي؟

ج. وُلد في روما، إيطاليا في 29 سبتمبر 1901.

س. ما هي جنسيته؟

ج. كان إيطاليًا في الأصل، لكنه أصبح مواطنًا أمريكيًا بعد فراره من النظام الفاشي، في إيطاليا عام 1938.

س. ما أهم إنجاز علمي لفيرمي؟

ج. قاد أول تجربة تفاعل نووي متسلسل مُتحكم فيه في عام 1942. وهي خطوة أساسية في تطوير الطاقة النووية، والأسلحة النووية.

س. ما هو “مفاعل شيكاغو النووي” وما علاقته بفيرمي؟

ج. “مفاعل شيكاغو النووي-1” (Chicago Pile-1) هو أول مفاعل نووي في التاريخ. وقاده فيرمي كجزء من مشروع مانهاتن في جامعة شيكاغو.

س. ما هو “مبدأ فيرمي”؟

ج. يشير إلى المبدأ الذي ينص على أن الجسيمات المعروفة بـ”فرميونات”. على سبيل المثال الإلكترونات والبروتونات، لا يمكن أن تشغل الحالة نفسها الكمّية، وهو جزء من مبدأ استبعاد باولي، وشارك في تطويره.

س. ماذا قدّم فيرمي في مجال فيزياء الجسيمات؟

ج. فيرمي اقترح نموذجًا رياضيًا لوصف التحلل الإشعاعي بيتا، بالتالي ساعد في تفسير الظواهر النووية. وكان من أوائل من استخدموا الحوسبة العددية في الفيزياء.

س. هل حصل إنريكو فيرمي على جائزة نوبل؟

ج. نعم، حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1938، لأعماله في فيزياء النيوترونات. والاكتشافات المتعلقة بالعناصر المشعة الاصطناعية.

• science.osti.govThe Life of Enrico Fermi _بتصرف
• dpmaEnrico Fermi _بتصرف

مشاركة المقال