O físico Enrico Fermi produz a primeira reação em cadeia nuclear

O físico Enrico Fermi produz a primeira reação em cadeia nuclear

Enrico Fermi, o físico italiano vencedor do Prêmio Nobel, dirige e controla a primeira reação em cadeia nuclear em seu laboratório sob as arquibancadas de Stagg Field na Universidade de Chicago, inaugurando a era nuclear. Após a conclusão bem-sucedida do experimento, uma mensagem codificada foi transmitida ao presidente Roosevelt: “O navegador italiano desembarcou no novo mundo”.

Após a descoberta do nêutron por Sir James Chadwick da Inglaterra e a produção de radioatividade artificial pelos Curie, Fermi, um professor de física em tempo integral na Universidade de Florença, concentrou seu trabalho na produção de radioatividade pela manipulação da velocidade dos nêutrons derivados do berílio radioativo . Outras experiências semelhantes com outros elementos, incluindo o urânio 92, produziram novas substâncias radioativas; Os colegas de Fermi acreditavam que ele tinha criado um novo elemento "transurânico" com um número atômico de 93, o resultado do urânio 92 capturando um neurônio durante o bombardeio, aumentando assim seu peso atômico. Fermi permaneceu cético sobre sua descoberta, apesar do entusiasmo de seus colegas físicos. Ele se tornou um crente em 1938, quando recebeu o Prêmio Nobel de Física por "sua identificação de novos elementos radioativos". Embora as viagens fossem restritas para homens cujo trabalho era considerado vital para a segurança nacional, Fermi recebeu permissão para deixar a Itália e ir para a Suécia para receber seu prêmio. Ele e sua esposa, Laura, que era judia, nunca mais voltaram; ambos temiam e desprezavam o regime fascista de Mussolini.

Fermi imigrou para a cidade de Nova York - Universidade de Columbia, especificamente, onde recriou muitos de seus experimentos com Niels Bohr, o físico nascido na Dinamarca, que sugeriu a possibilidade de uma reação em cadeia nuclear. Fermi e outros viram as possíveis aplicações militares de tal poder explosivo e rapidamente escreveram uma carta alertando o presidente Roosevelt sobre os perigos de uma bomba atômica alemã. A carta foi assinada e entregue ao presidente por Albert Einstein em 11 de outubro de 1939. O resultado foi o Projeto Manhattan, programa americano para criar sua própria bomba atômica.

Coube a Fermi produzir a primeira reação em cadeia nuclear, sem a qual tal bomba seria impossível. Ele criou um laboratório equipado com júri com o equipamento necessário, que chamou de “pilha atômica”, em uma quadra de squash no porão do Stagg Field na Universidade de Chicago. Com colegas e outros físicos observando, Fermi produziu a primeira reação em cadeia nuclear autossustentável e nasceu o “novo mundo” da energia nuclear.

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O físico Enrico Fermi produz a primeira reação em cadeia nuclear - HISTÓRIA

Fermi cria reação nuclear controlada
1942

Foto de Bortzells Esselte, cortesia de AIP Emilio Segre Visual Archives.

Enrico Fermi (1901-1954) deixou a Itália em 1938 para receber o Prêmio Nobel de Física na Suécia. Ele nunca mais voltou. Ele e sua esposa se mudaram para os Estados Unidos para escapar do crescente fascismo e anti-semitismo da Itália.

Fermi, entre outros, percebeu que a fissão nuclear foi acompanhada pela liberação de quantidades colossais de energia da conversão de massa em energia (de acordo com a equação massa-energia de Einstein E = mc 2). Quando os cientistas convenceram o presidente Roosevelt disso, Fermi foi nomeado para chefiar uma equipe de pesquisa como parte de um projeto secreto para desenvolver uma bomba atômica. A tarefa de Fermi, no entanto, era criar uma reação nuclear controlada, isto é, dividir o átomo sem criar uma explosão mortal.

Teoricamente, era possível. Durante a fissão, um nêutron de movimento rápido divide o núcleo de um átomo, o que resulta na liberação de energia e nêutrons adicionais. Esses nêutrons ejetados podem dividir outros núcleos, que liberam outros nêutrons para dividir ainda outros núcleos, e assim por diante: uma reação em cadeia autossustentável. Se essa reação em cadeia fosse rápida demais, tornava-se uma explosão atômica, mas, sob controle, poderia produzir um fluxo constante de energia. (Se a reação em cadeia começou com o urânio, também criou um subproduto, o plutônio, um combustível melhor para uma arma nuclear.)

Na Universidade de Chicago, Fermi trabalhou com uma equipe para encontrar uma maneira de controlar a reação em cadeia. Ele fez isso configurando o equipamento - pilha atômica - para que pudesse inserir um material absorvedor de nêutrons no meio do processo de fissão para desacelerá-lo ou interrompê-lo completamente. Ele descobriu que bastões feitos de cádmio absorvem nêutrons. Se a reação em cadeia se acelerasse, as hastes de cádmio poderiam ser inseridas para desacelerá-la e removidas para acelerá-la novamente.

No final de 1942, a equipe estava pronta para seu primeiro teste. O equipamento foi montado em uma quadra de squash da Universidade de Chicago. Era 2 de dezembro. O momento era tenso: se suas teorias e experimentos até agora se provassem errados, eles poderiam explodir metade de Chicago. Algumas das hastes foram puxadas e a reação começou. Mais hastes saíram. A reação foi autossustentável. A equipe pode aumentar ou diminuir a produção de energia ajustando as hastes. A ideia de Fermi funcionou, e a primeira reação em cadeia nuclear controlada e autossustentável - o primeiro fluxo controlado de energia de uma fonte diferente do Sol - foi alcançada.

Uma mensagem codificada disse ao governo sobre este sucesso: "O navegador italiano acaba de desembarcar no novo mundo."

Desde então, a teoria de Fermi foi expandida e refinada. Reatores nucleares foram construídos em muitos países para fornecer energia para usos militares, como submarinos nucleares, e para usos civis, como eletricidade comum. Mas incidentes ao longo dos anos mostraram os perigos do processo e de seus produtos residuais, e a energia nuclear perdeu muito de sua popularidade original.


10 fatos intrigantes sobre o mundo & # 039s primeira reação em cadeia nuclear

Veja como a primeira reação em cadeia nuclear controlada e autossustentável se desdobrou neste vídeo "tijolo" do Laboratório Nacional de Argonne.

Em 2 de dezembro de 1942, ocorreu a primeira reação em cadeia nuclear controlada e autossustentável, abrindo caminho para uma variedade de avanços na ciência nuclear.

O experimento aconteceu no estádio de futebol da Universidade de Chicago, sob a direção de Enrico Fermi, um cientista ganhador do Prêmio Nobel.

Chicago Pile-1 foi o primeiro reator nuclear do mundo a se tornar crítico e alimentou pesquisas futuras dos laboratórios nacionais do Departamento de Energia para ajudar a desenvolver os primeiros reatores navais e nucleares.

Quinze anos até este dia histórico, a primeira usina elétrica atômica em grande escala da América foi crítica em 2 de dezembro de 1957, quando a nação começou a colher os benefícios da energia nuclear limpa e confiável.

Aqui estão 10 fatos intrigantes que você provavelmente não sabia sobre a primeira liberação controlada de energia nuclear do mundo.

1. O experimento ocorreu às 15h36. em uma quadra de squash convertida no abandonado Stagg Field da Universidade de Chicago em Chicago, Illinois.

2. Quarenta e nove cientistas, liderados por Fermi, estiveram presentes no evento. Leona Marshall era a única pesquisadora.

3. A palavra “pilha” foi usada nos primeiros anos da era atômica e gradualmente deu lugar a “reator” para identificar o dispositivo-chave que controla a reação de fissão nuclear.

Desenho do CP-1, o primeiro reator nuclear do mundo.

4. O reator foi construído com blocos de grafite, alguns dos quais continham pequenos discos de urânio.

5. Os cientistas monitoraram a reação em instrumentos com os nomes dos personagens do Ursinho Pooh - Leitão, Tigre e Pooh.

6. O cientista George Weil retirou a haste de controle revestida de cádmio, liberando a primeira reação em cadeia controlada.

7. O reator tinha três conjuntos de hastes de controle. Um era automático e podia ser controlado da varanda. Outra era uma haste de segurança de emergência. A terceira haste (operada por Weil) realmente manteve a reação sob controle até que ela fosse retirada na distância adequada.

8. O grupo comemorou com uma garrafa de Chianti que foi servida em copos de papel. A maioria dos participantes assinou o rótulo da garrafa de vinho. Este foi o único registro escrito de quem havia participado do experimento.

9. Na preparação para esse experimento, uma carta de Albert Einstein ao presidente Franklin D. Roosevelt ajudou a conduzir o Projeto Manhattan - um projeto de pesquisa do governo que produziu as primeiras bombas atômicas. Foi também a semente que cresceu no moderno sistema laboratorial nacional do Departamento de Energia dos EUA.

10. O Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia foi nomeado em homenagem a Enrico Fermi por suas contribuições para a física nuclear e o sucesso científico na vizinha Universidade de Chicago.

Saiba mais sobre o legado do Laboratório Nacional de Argonne em ciência nuclear.


O físico Enrico Fermi produz a primeira reação em cadeia nuclear - HISTÓRIA

1853 - Há muito se pensa que a Terra não tem mais do que algumas dezenas de milhares de anos. A partir da década de 1820, no entanto, muitos geólogos e biólogos passaram a acreditar que a Terra é muito mais velha do que se pensava, talvez na casa das centenas de milhões de anos. (Darwin estima a idade da Terra em 300 milhões de anos na impressão inicial de Origem das Espécies.) Essas estimativas são baseadas em uma maior consciência de quão lentamente ocorrem processos geológicos e biológicos, como erosão ou evolução, e, portanto, quão enormemente antigos a Terra deve ser para acomodá-los.

O proeminente físico William Thompson (também conhecido como Lord Kelvin - graus Kelvin são nomeados em sua homenagem) se opõe firmemente à evolução. Ele começa a reunir evidências teóricas contra Darwin. Ele realiza cálculos termodinâmicos clássicos que provam que, se a Terra fosse tão antiga quanto Darwin e outros afirmam, ela já teria se resfriado a uma rocha inerte e nenhuma atividade geológica, como vulcanismo ou fontes de água quente, seria possível. Outros físicos logo entram na briga. Hermann Helmholtz, que apenas seis anos antes havia enunciado o princípio da conversação de energia, calcula quanto calor o Sol irradiaria se sua energia viesse de uma contração lenta, convertendo assim a energia potencial gravitacional em calor. Ele calcula uma idade de apenas 18 milhões de anos.

A enorme lacuna entre a geologia e a biologia, de um lado, e a física teórica, de outro (no que diz respeito à estimativa da idade da Terra), durará 50 anos. Em face das duras críticas de físicos respeitados, Darwin remove todas as menções de qualquer idade específica para a Terra em impressões posteriores de Origem das Espécies.

1896 - Henri Becquerel, um físico francês, lê sobre os experimentos de William Roentgen com raios X e descobre que eles podem causar fluorescência em certos materiais. (Nota técnica - Os raios X eram apenas linhas espectrais excitantes nos materiais fluorescentes, como os tubos de gás que mostro na aula, exceto com raios X em vez de eletricidade.)

Becquerel se pergunta: os materiais fosforescentes emitem raios X enquanto brilham? (Nota técnica - Eles não.) Para testar sua ideia, Becquerel obtém alguns materiais que brilham após serem expostos à luz, assim como aqueles anéis decodificadores mágicos que ainda colocam em caixas de cereais. Ele conduz alguns experimentos nos quais primeiro expõe os materiais ao sol para começar a brilhar, depois os coloca em cima de uma placa fotográfica embrulhada em papel preto para ver se estão emitindo raios-X. Becquerel obtém alguns resultados positivos e alguns negativos, o que é confuso.

Um dia, quando está nublado, ele coloca um dos minerais que tem dado resultados positivos em uma gaveta com uma placa fotográfica não exposta - e então por capricho decide revelá-lo, esperando ver apenas um esboço tênue desde que o Sol era tão escuro naquele dia. Em vez disso, ele acidentalmente descobre que a placa ficou completamente embaçada, embora o mineral quase não tenha sido exposto à luz e não esteja brilhando! O mineral passa a ser dissulfato de uranila de potássio, e Becquerel eventualmente descobre que o urânio neste composto é o ingrediente mágico. Todos os compostos com urânio neles irão embaçar uma placa fotográfica; os compostos sem urânio, não. Becquerel, portanto, chama a nova radiação de "raios urânicos".

Nota técnica - A propriedade que faz alguns compostos "brilharem no escuro" após serem expostos à luz tem a ver com sua estrutura molecular e não tem nada a ver com os raios X ou com a radioatividade. Em resumo, algumas moléculas exibem um "atraso de tempo" marcado entre o momento em que são excitadas pela luz que entra e o momento em que emitem suas linhas espectrais moleculares. Em vez de liberar instantaneamente toda a energia armazenada e sair depois que a energia for removida, como um letreiro de néon faz, os materiais fosforescentes liberam suavemente sua energia por algum tempo após o estímulo ter sido removido. Foi por acaso que Becquerel estava usando um composto "que brilha no escuro" que por acaso tinha urânio.

1897 - Ernest Rutherford, um físico originalmente da Nova Zelândia, mas trabalhando no Canadá, investiga os "raios urânicos" de Becquerel e descobre que eles são na verdade uma mistura de dois componentes: um componente muito pesado que é facilmente absorvido pela matéria e tem uma carga positiva e um componente muito mais leve, mais penetrante, que não é tão facilmente absorvido e tem uma carga negativa. Rutherford chama esses componentes de e, após as duas primeiras letras do alfabeto grego.

1898 - Pierre e Marie Curie, dois físicos franceses que estudam os "raios urânicos" de Becquerel, descobrem que o tório também emite "raios urânicos". Eles propõem o novo termo "radioatividade" para descrever elementos que têm a propriedade de emitir raios. Trabalhando a partir de amostras de pitchblend, eles isolam e descobrem dois novos elementos que são muito mais intensamente radioativos do que o urânio: os Curie os chamam de polônio (em homenagem à terra natal de Marie na Polônia) e rádio (devido ao seu poder altamente radioativo).

1899 - O químico francês Andre Debierne, amigo íntimo dos Curie, isola outro elemento radioativo da pechblenda. Ele o chama de actínio, após a palavra grega para raio.

Becquerel, que continuou a estudar os "raios urânicos", percebeu que as partículas b de Rutherford são tão parecidas com os elétrons que devem ser elétrons, embora elétrons de energia muito alta.

O físico francês Paul Villard descobre que o urânio está emitindo mais um terceiro componente, que não é afetado por ímãs e, portanto, aparentemente não tem carga. Eles são consideravelmente mais penetrantes do que -partículas ou -partículas, e Villard os chama (previsivelmente) de -rays, após a terceira letra do alfabeto grego. Villard suspeita que os raios-X são radiação eletromagnética de comprimento de onda incrivelmente curto, ainda mais curto do que os raios-X. (Ele está certo.)

Nota técnica - Ainda usamos os termos "-partículas", "-partículas" e "-raios" para nos referirmos às três formas de radiação, embora saibamos que - e -partículas são realmente apenas núcleos de hélio (dois prótons e dois nêutrons) e elétrons, respectivamente.

1901 - Os Curie medem a energia emitida por elementos radioativos e descobrem que um grama de rádio emite a incrível quantidade de 140 calorias por hora. Até onde eles podem dizer, essa energia simplesmente continua e continua magicamente, sem diminuir, mês após mês. O rádio não parece estar mudando de forma alguma. De onde vem toda essa energia? A conservação de energia está sendo violada?

1903 - Ernest Rutherford é o primeiro a perceber que a disputa de longa data sobre a idade da Terra entre biólogos e geólogos por um lado, e físicos por outro, pode ser resolvida se assumirmos que o interior da Terra contém vestígios de elementos radioativos. A grande massa da Terra, e a baixa condutividade térmica dos materiais rochosos que a constituem, significam que mesmo uma pequena entrada de calor seria suficiente para mantê-la geologicamente ativa por muito mais tempo do que os tempos calculados por William Thompson (que de curso assumiu que o interior da Terra era completamente inerte). Rutherford levanta a hipótese de que a energia (aparentemente inesgotável) produzida por minérios radioativos é na verdade exatamente essa fonte de calor, ficando assim do lado dos biólogos e geólogos no que diz respeito à idade da Terra.

Na verdade, em apenas alguns anos, Rutherford e outros físicos que investigam minérios radioativos chegam à conclusão (com base nas muito longas meias-vidas de alguns dos isótopos que encontraram) que a idade da Terra pode muito bem estar no bilhões de anos, em vez de meras centenas de milhões. (Eles estão certos - o valor atualmente aceito para a idade da Terra é de cerca de 4,2 bilhões de anos.)

1906 - Rutherford descobre que as partículas, quando paradas dentro de um recipiente, tornam-se átomos de hélio. Em outras palavras, uma partícula consiste em dois prótons e dois nêutrons (que é o núcleo de um átomo de hélio) movendo-se em alta velocidade. Se e quando a partícula é desacelerada e captura alguns elétrons de algum lugar, ela se torna reconhecível como hélio comum.

A altíssima velocidade dos núcleos de hélio, e a alta velocidade dos elétrons (raios) emitidos por elementos radioativos, e a radiação eletromagnética de alta energia também emitida, e as medições de calor pelos Curie, indicam que há algo acontecendo em esses elementos que são muito enérgicos, de fato. Mas o que? Rutherford não percebe que a resposta já foi publicada por Einstein em 1905 (indiretamente), na forma de E = mc 2.

1909 - Eugene Marsden e Hans Geiger são dois estudantes de graduação que trabalham com Ernest Rutherford em Manchester, Inglaterra, para onde Rutherford se mudou. Eles realizam uma série de experimentos em que -partículas são atiradas em uma folha de ouro. Ao contrário das expectativas, a maioria das partículas passa pelo ouro como se ele não estivesse lá, mas algumas são desviadas por grandes ângulos e muito poucas até mesmo viram e saltam para trás como se tivessem atingido uma barreira impenetrável. Isso leva Rutherford a propor o modelo do "sistema solar" do átomo, no qual o átomo é essencialmente um espaço vazio, mas tem um núcleo muito pequeno e incrivelmente denso. (Veja a Linha do Tempo da Mecânica Quântica para mais detalhes.)

1913 - O químico britânico Frederick Soddy e o químico americano Theodore Richards elucidam o conceito de peso atômico. À medida que as pessoas continuavam a estudar a radioatividade, ficava cada vez mais claro que havia várias variedades de elementos. Por exemplo, existem versões radioativas e não radioativas de carbono. Soddy e Richards provam que a diferença está no peso do núcleo atômico - pode haver versões diferentes do mesmo elemento com pesos diferentes. As diferentes versões são batizadas de isótopos, das palavras gregas que significam "mesmo lugar".

Nota técnica - As propriedades químicas de um elemento são determinadas apenas pelo número de prótons em um núcleo, porque são os prótons carregados positivamente que interagem com a nuvem de elétrons ao redor do núcleo, e é a nuvem de elétrons que produz a química. Os núcleos também podem conter nêutrons, que têm aproximadamente a mesma massa dos prótons, mas não têm carga. Os nêutrons podem, portanto, afetar o peso de um núcleo e suas propriedades radioativas, mas não afetam suas propriedades químicas.

1915 - O químico americano William Harkins observa que a massa de um átomo de hélio não é, na verdade, exatamente quatro vezes a de um próton. É um pouco menos. Ele afirma que o excesso de massa foi convertido em energia via Einstein's E = mc 2 e que esta é a fonte de energia nuclear.

1919 - Rutherford, ainda trabalhando arduamente bombardeando coisas com -partículas (ver 1897, 1906, 1909) consegue fazer uma -partícula (ou seja, um núcleo de hélio) para reagir com um núcleo de nitrogênio para produzir um próton (ou seja, um núcleo de hidrogênio ) e um núcleo de oxigênio. Rutherford provocou a primeira reação nuclear produzida por engenharia humana. Além disso, isso o torna a primeira pessoa na história a transformar um elemento em outro.

1930 - O físico britânico Paul Dirac tenta combinar a relatividade e a mecânica quântica. Ele consegue, e a equação quântica relativística é chamada de equação de Dirac como consequência. Ele percebe que sua equação prediz a existência de estados "negativos" para o elétron e o próton e, portanto, prediz a existência de antimatéria.

1931 - Por mais de uma década, os físicos têm lutado com um problema muito intrigante com a -emissão. Os elétrons emitidos por -decay nem sempre têm a mesma energia cinética, ao contrário das partículas emitidas por -decay. Em vez disso, os elétrons saem com uma distribuição de energias do tipo curva em sino, o que significa que (1) a energia aparentemente não está sendo conservada e (2) a quantidade de energia ausente varia de alguma forma probabilística. Parece que parte do declínio da energia nuclear está indo para algum lugar diferente do elétron emitido. Mas onde? Tentativas elaboradas são feitas para detectar calor ou radiação eletromagnética proveniente das amostras - mas todos os esforços falham. Alguns físicos começam a se perguntar seriamente se talvez -decay realmente viole a conservação de energia, e Niels Bohr vai tão longe a ponto de elaborar um possível cenário de como a energia do Sol poderia ser gerada pela não-conservação de energia massiva resultante de -decays.

O físico alemão Wolfgang Pauli e o físico italiano Enrico Fermi propõem que b -decay está produzindo duas partículas que compartilham a energia cinética: um elétron e uma partícula invisível que Fermi batiza como um neutrino, do italiano para "pequeno neutro". A partícula é considerada muito leve e neutra, permitindo que penetre na matéria tão facilmente que é quase impossível detectá-la.

1932 - O físico inglês James Chadwick bombardeia o berílio com partículas a para eliminar nêutrons livres, tornando-se assim o primeiro físico a detectar nêutrons diretamente.

1932 - O físico americano Carl Anderson está estudando os raios cósmicos quando nota alguns rastros em suas placas fotográficas que se parecem exatamente com rastros de elétrons, exceto que eles estão se curvando na direção errada. Ele percebe que descobriu um elétron carregado positivamente, ou seja, o antielétron previsto por Dirac. Anderson chama a nova partícula de pósitron.

Nota técnica - Elétrons e pósitrons são exatamente iguais, exceto que eles têm cargas opostas e números quânticos opostos. Isso e mais uma coisinha. Se um elétron e um pósitron se tocam, eles se aniquilam instantaneamente em um flash de raios-g. Em outras palavras, ambos são convertidos em energia pura. É por isso que os pósitrons não duram muito depois de serem criados.

Nota de Jornada nas Estrelas - Todas as partículas têm antipartículas, portanto, também existem antiprótons carregados negativamente e assim por diante. As naves da Federação são supostamente alimentadas por reações matéria-antimatéria, e é provavelmente por isso que estão sempre explodindo de maneira tão espetacular. Se Jordi deixar sua antimatéria vazar do recipiente magnético, ele terá um grande problema.

1934 - Frederic Joliot e sua esposa Irene Curie, filha de Marie Curie, bombardeiam o alumínio com partículas a para produzir fósforo-30, o primeiro elemento artificialmente radioativo.

1935 - O físico japonês Hideki Yukawa propõe que os nêutrons e prótons nos núcleos atômicos são mantidos juntos por uma força intensamente poderosa que ele chama de força forte. Trabalhando com a teoria de Dirac, ele percebe que as forças fundamentais devem ser carregadas por quanta, ou seja, elas não podem existir como "linhas" clássicas de força. A única maneira de tais quanta existirem e ainda serem compatíveis com a física clássica é se eles "roubam" sua energia entrando e saindo da existência tão rápido que a conservação de energia não é violada porque é mascarada pelo Princípio da Incerteza de Heisenberg. (Em outras palavras, o Princípio da Incerteza se aplica até mesmo ao espaço vazio - como você sabe que está realmente "vazio", quando o Princípio não permite medir sua energia com exatidão?) Yukawa prevê que a força forte é "transportada" por o que ele chama de "partícula de troca". Pelos tamanhos conhecidos dos átomos, e assumindo que a partícula de troca normalmente se move perto da velocidade da luz, ele calcula que ela deveria ter uma massa cerca de 200 vezes a do elétron.

1938 - É agora amplamente reconhecido que o cálculo feito por Hermann Helmholtz há mais de 60 anos, derivando uma idade de cerca de 18 milhões de anos para o Sol, está longe da realidade exatamente pela mesma razão que o cálculo de Thompson para a idade da Terra estava tão distante: tanto a Terra quanto o Sol têm fontes de energia nuclear. Mas a questão permanece: como a energia nuclear abastece o Sol? Seu enorme rendimento de energia é muito grande para ser criado por traços de elementos radioativos, como na Terra.

O físico germano-americano Hans Bethe calcula em detalhes como a fusão nuclear, em vez da fissão nuclear, pode fornecer energia ao sol. Ele deduz uma sequência de três etapas que agora chamamos de cadeia próton-próton:

  1. Dois prótons colidem tão violentamente que ocorre uma transformação nuclear. Um dos prótons é convertido em um nêutron e se funde com o outro próton para formar um deutério, ou seja, hidrogênio "pesado", 2 H. Para conservar a carga e o número de leptões, um antielétron e um neutrino são emitidos. O neutrino escapa do Sol, mas o antielétron aniquila imediatamente com um elétron, liberando energia.
  2. O deutério colide com um próton de alta energia e os dois se fundem para formar 3 He. A massa de 3 He é ligeiramente menor que a de 2 H e um próton separadamente, e o excesso de massa é convertido em raios gama de alta energia.
  3. Dois átomos energéticos de 3 He colidem e na bola de fogo nano-nuclear resultante, uma partícula a (átomo de 4 He) e dois prótons emergem. A diferença de massa antes e depois da colisão é considerável: ela libera aproximadamente o dobro da energia das duas primeiras etapas combinadas. A energia se manifesta principalmente na energia cinética dos pós-produtos, ou seja, como calor.
  4. O efeito líquido da cadeia é que quatro átomos de hidrogênio foram convertidos em um átomo de hélio e 0,7% da massa original do hidrogênio foi convertida em energia. Isso corresponde a 175 milhões de quilowatts-hora de energia de cada quilograma de hidrogênio.

1938 - Os físicos austríacos Otto Hahn e Lise Meitner bombardeiam urânio com nêutrons e descobrem a fissão nuclear. Resumindo, o urânio é um átomo muito grande com mais de 230 prótons e nêutrons, então acertá-lo com uma "bala" de nêutrons pode fazer com que ele se divida em dois. Meitner, que é judia, foge para a Suécia quando a Alemanha invade a Áustria e prepara um trabalho com a ajuda de seu sobrinho, o físico Otto Frisch. Frisch conta a Bohr (ver 1913) sobre o jornal, que por sua vez espalha a palavra nos EUA durante uma conferência realizada em janeiro de 1939.

1939 - O físico húngaro Leo Szilard, tendo fugido da Europa ocupada pelos nazistas para os EUA, aprende sobre a fissão nuclear e percebe que ela poderia ser utilizada para produzir uma reação em cadeia. Ele imediatamente começa uma campanha para convencer os cientistas americanos de que eles devem voluntariamente manter seu segredo de pesquisa nuclear, para que os nazistas não possam aprender com isso. Ele tem muito sucesso.

1940 - Os físicos americanos Edwin McMillan e Philip Abelson bombardeiam urânio com nêutrons para produzir plutônio. O urânio é o elemento número 92 e o plutônio é o elemento número 93, então McMillan e Abelson são os primeiros físicos a produzir um novo elemento. Em seus esforços para isolar o plutônio, Abelson começa a desenvolver métodos para separar isótopos radioativos raros de seus irmãos mais comuns. Ele deu o primeiro passo para a produção de urânio enriquecido.

1941 - Agindo em parte em resposta a uma carta assinada por Albert Einstein e outros físicos proeminentes, alertando sobre o perigo caso a Alemanha nazista descobrisse a fissão nuclear, o presidente Franklin D. Roosevelt assina uma ordem secreta que dá início ao Projeto Manhattan.

1942 - Enrico Fermi (ver 1931), que agora havia fugido da Itália fascista para os EUA, torna-se o principal cientista responsável por produzir uma reação em cadeia para o Projeto Manhattan. Trabalhando em um laboratório secreto localizado sob as arquibancadas do estádio de futebol da Universidade de Chicago, Fermi e sua equipe constroem a primeira pilha nuclear do mundo (assim chamada porque é literalmente uma pilha enorme de blocos de urânio, grafite e cádmio cuidadosamente dispostos). Às 15h45 do dia 2 de dezembro, pode ficar crítico por apenas alguns segundos, provando que a utilização prática da energia nuclear é possível. Como medida de segurança, três jovens físicos estão de pé em um andaime acima da pilha com baldes de água contendo sais de cádmio dissolvidos - eles são informados de que devem despejar a água na pilha se o reator começar a ter uma reação de fuga. (Para ser justo, devo observar que a pilha também tinha um dispositivo de desligamento automático mais convencional. Mas, como ninguém nunca havia acionado um reator antes, a equipe achou melhor jogar pelo seguro.)

1945 - Em 16 de julho, pouco antes do amanhecer, a primeira bomba atômica do mundo é detonada em um local de teste no deserto 60 milhas a noroeste de Alamogordo, Novo México. Fermi faz uma estimativa instantânea de sua potência, jogando alguns pedaços de papel no ar no momento da ignição e, em seguida, observando a que distância os pedaços foram soprados pela explosão. (Fermi estava a cerca de 10 milhas do marco zero.) Este evento segue três anos de trabalho frenético em instalações secretas localizadas em Hanford, Washington Oak Ridge, Tennessee e Los Alamos, Novo México.

Apenas um mês depois, as bombas atômicas quase destruíram Hiroshima e Nagasaki, matando mais de 100.000 pessoas. O Império do Japão se rende logo depois. (A foto é de Nagasaki, Japão, em 9 de agosto de 1945.)


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Em 1942, a quadra de squash abandonada localizada embaixo do estádio de futebol abandonado da Universidade de Chicago era pouco mais do que uma ferida nos olhos. Mas onde os alunos viram resquícios de jogos de squash do passado, o físico Enrico Fermi viu um lugar ideal para um experimento, cujos resultados mudariam a trajetória da Segunda Guerra Mundial e dariam início a uma nova e agitada era geopolítica.

A sala de tijolos reforçados tinha o tamanho perfeito para conter uma pilha ordenadamente empilhada de 40.000 tijolos de grafite, alguns contendo urânio, outros perfurados com orifícios projetados para caber em tubos revestidos de cádmio de 14 pés de comprimento.

Um trabalhador está ao lado de blocos de grafite que formaram a espinha dorsal do Chicago Pile-1, um reator nuclear primitivo.

Em 2 de dezembro, Fermi e quase 50 colegas cientistas se amontoaram nas arquibancadas. Contadores Geiger em mãos, eles assistiram as leituras dispararem conforme os tubos de absorção de nêutrons eram removidos um por um. Sem os buffers de cádmio, os nêutrons da divisão dos átomos de urânio eram desenfreados, livres para colidir com outros átomos de urânio, liberando ainda mais nêutrons que causavam ainda mais colisões.

Quando o último tubo foi removido às 15h25, a pilha estava sustentando um fluxo constante de energia atômica. Esta não era mais uma quadra de squash. This was home to the world’s first manmade nuclear reactor and the provenance of the Atomic Age.

Today marks the 75 th anniversary of the Chicago Pile-1 chain reaction, a scientific breakthrough that made nuclear power and weaponry possible. It also opened up entire new avenues of research in medicine, engineering, and aeronautics. Though that initial reaction only generated about half a watt of power, the event marked a turning point. Later developments would give humankind access to unprecedented levels of power while forcing us confront whether and how it should be used.

“They had basically created an entirely new energy source,” says Rachel Bronson, president and CEO of the Bulletin of the Atomic Scientists. “They had created fire in some ways.”

In the process, the minds behind the Chicago Pile-1 broke cultural and political barriers, she adds. Fermi was an Italian immigrant, and Hungarian refugees played crucial roles in the project, including Leo Szilard , who came up with the idea of a nuclear chain reaction, and Eugene Wigner , who would later share a Nobel Prize for his contributions to atomic research.

“So many of the big issues that we’re grappling with—how to manage nuclear power, what kind of funding should go into research and development, what should our immigration policy be, this was all swirling around the Manhattan Project in 1942,” Bronson says.

While those questions loomed in the background of the Chicago Pile experiments, Fermi’s team stayed focused on two immediate goals—one, figure out how to control nuclear energy before Germany, and two, prevent the reaction from spiraling out of control. Given that the safety controls were primitive by today’s standards and mostly relied on a few cadmium tubes to prevent a nuclear explosion, the risk was very real.

“We could have very easily lost Chicago,” says Peter Kuznick, director of the Nuclear Studies Institute at American University in Washington, D.C.

Chicago Pile-1 was build beneath the stands of Stagg Field at the University of Chicago, located in the heart of the city.

Fermi’s team was well aware of the destructive potential of their research. Even while constructing the Chicago Pile, Szilard believed that the experiments “would go down as a black day in the history of mankind .” Their experiments also helped usher in an era in which scientists were more outspoken about how their work was used. Following World War II and into the Cold War, physicists routinely argued for the restriction or elimination of nuclear arms. Such activism around nuclear issues is another legacy of Fermi’s chain reaction, Kuznick says.

Fermi’s team probably never envisioned that their radioactive pile of graphite bricks would lead to cancer-spotting imaging technologies or devices that can help find hidden tombs in ancient Egyptian pyramids. But as they sat in those University of Chicago bleachers, listening to the ever-increasing clicks of their Geiger counters, they knew that something big was happening, says Alex Wellerstein, assistant professor of science and technology studies at the Stevens Institute of Technology.

“They definitely thought they were on the cusp of a new world with their experiment,” he says. “They knew it was just the beginning.”

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Harnessing fission

As part of the Manhattan Project effort to build an atomic bomb during World War II, Szilard worked together with physicist Enrico Fermi and other colleagues at the University of Chicago to create the world’s first experimental nuclear reactor.

For a sustained, controlled chain reaction, each fission must induce just one additional fission. Any more, and there’d be an explosion. Any fewer and the reaction would peter out.

Nobel Prize winner Enrico Fermi led the project (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA)

In earlier studies, Fermi had found that uranium nuclei would absorb neutrons more easily if the neutrons were moving relatively slowly. But neutrons emitted from the fission of uranium are fast. So for the Chicago experiment, the physicists used graphite to slow down the emitted neutrons, via multiple scattering processes. The idea was to increase the neutrons’ chances of being absorbed by another uranium nucleus.

To make sure they could safely control the chain reaction, the team rigged together what they called “control rods.” These were simply sheets of the element cadmium, an excellent neutron absorber. The physicists interspersed control rods through the uranium-graphite pile. At every step of the process Fermi calculated the expected neutron emission, and slowly removed a control rod to confirm his expectations. As a safety mechanism, the cadmium control rods could quickly be inserted if something started going wrong, to shut down the chain reaction.

Chicago Pile 1, erected in 1942 in the stands of an athletic field at the University of Chicago. (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA)

They called this㺔x6x25-foot setup Chicago Pile Number One, or CP-1 for short – and it was here they obtained world’s the first controlled nuclear chain reaction on December 2, 1942. A single random neutron was enough to start the chain reaction process once the physicists assembled CP-1. The first neutron would induce fission on a uranium nucleus, emitting a set of new neutrons. These secondary neutrons hit carbon nuclei in the graphite and slowed down. Then they’d run into other uranium nuclei and induce a second round of fission reactions, emit even more neutrons, and on and on. The cadmium control rods made sure the process wouldn’t continue indefinitely, because Fermi and his team could choose exactly how and where to insert them to control the chain reaction.

A nuclear chain reaction. Green arrows show the split of a uranium nucleus in two fission fragments, emitting new neutrons. Some of these neutrons can induce new fission reactions (black arrows). Some of the neutrons may be lost in other processes (blue arrows). Red arrows show the delayed neutrons that come later from the radioactive fission fragments and that can induce new fission reactions. (MikeRun modified by Erin O’Donnell, MSU, CC BY-SA)

Controlling the chain reaction was extremely important: If the balance between produced and absorbed neutrons was not exactly right, then the chain reactions either would not proceed at all, or in the other much more dangerous extreme, the chain reactions would multiply rapidly with the release of enormous amounts of energy.

Sometimes, a few seconds after the fission occurs in a nuclear chain reaction, additional neutrons are released. Fission fragments are typically radioactive, and can emit different types of radiation, among them neutrons. Right away, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner and others recognized the importance of these so-called “delayed neutrons” in controlling the chain reaction.

If they weren’t taken into account, these additional neutrons would induce more fission reactions than anticipated. As a result, the nuclear chain reaction in their Chicago experiment could have spiraled out of control, with potentially devastating results. More importantly, however, this time delay between the fission and the release of more neutrons allows some time for human beings to react and make adjustments, controlling the power of the chain reaction so it doesn’t proceed too fast.

Nuclear power plants operate in 30 countries today. (AP Photo/John Bazemore)

The events of December 2, 1942 marked a huge milestone. Figuring out how to create and control the nuclear chain reaction was the foundation for the 448 nuclear reactors producing energy worldwide today. At present, 30 countries include nuclear reactors in their power portfolio. Within these countries, nuclear energy contributes on average 24 percent of their total electrical power, ranging as high as㻈 percent in France.

CP-1’s success was also essential for the continuation of the Manhattan Project and the creation of the two atomic bombs used during World War II.


Remembering the Chicago Pile, the World’s First Nuclear Reactor

December 2, 1942, was the coldest day in Chicago in almost fifty years. That frigid afternoon, a crew of men and women—many of them hailing from countries an ocean away, where the Second World War raged—gathered under the viewing stands of the University of Chicago’s Stagg Field to light a secret fire. They were members of the Metallurgical Laboratory, an organization that had existed only since that January, and were attending to their creation, a dusty collection of graphite, uranium, and scientific equipment that they called the Pile. Today, we know it as something different: the world’s first nuclear reactor.

The Chicago Pile deserved its low-tech name. It was a stack of forty thousand graphite blocks, held together in a wooden frame, twenty-five feet wide and twenty feet tall. Inside about half of the blocks were holes containing small amounts of uranium oxide inside a few others were nuggets of refined uranium metal, the production of which was still a novel process. The Pile had few safety features. The scientists’ only protection against radiation came from a set of cadmium control rods, designed to be inserted and removed by hand, along with untested theories and calculations. As one governmental report later put it, “there were no guidelines to follow and no previous knowledge to incorporate.” Neither university nor city officials were told that an experiment that even its creators judged as risky was taking place in the heart of the second-largest city in the United States.

The experiment itself was something of an anticlimax. The Pile was started up, brought to criticality (the point at which a nuclear reaction becomes self-sustaining), then shut down half an hour later, before its growing heat and radioactivity became too dangerous. The Metallurgical Laboratory experimented with it for a few months before disassembling and reconstituting it—now with radioactive shielding—at a site somewhat more removed from the city, where it became known as Chicago Pile-2. Ultimately, the reactor ran for over a decade before it was finally dismantled and buried in the woods.

The Pile was not an abstract scientific achievement. It was part of a much larger plan, conceived under the auspices of the Manhattan Project, to build a fleet of industrial-sized nuclear reactors—not for the generation of electrical power (that would come much later) but to produce plutonium, a fuel for nuclear weapons. Virtually overnight, the University of Chicago had become a major wartime contractor. (One of its many government contracts, by itself, doubled the school’s budget.) Data from the Pile would inform the design of later reactors, including the one that furnished the plutonium for history’s first nuclear-weapons test, known as Trinity, and the atomic bomb dropped on Nagasaki.

Wartime secrecy and suspicion suffused every aspect of the Metallurgical Laboratory’s work. The U.S. military had deemed some of its staff, including Arthur Compton, its Nobel Prize-winning director, security risks. Other members of the project, including the gadfly physicist Leo Szilard and even the eminent Enrico Fermi, were considered “enemy aliens,” because the countries from which they had fled were under Fascist rule. Vannevar Bush, the scientist-administrator who coördinated much of the early work on the Manhattan Project, appealed to the military to let these concerns slide. Rather than letting nuclear experts roam free, wouldn’t it be better, he suggested, “to take in and put under thorough control practically every physicist in the country having background knowledge of the subject”?

Eventually, the government addressed its security concerns by opening a new facility in a more isolated location, where the truly sensitive work could be done. This became the Los Alamos laboratory, in New Mexico. Though many of the Chicago team’s most trusted scientists made the journey to Los Alamos, others stayed—or were kept—behind. They did not, however, remain idle. Having completed the majority of their jobs in the early part of the Manhattan Project, and unburdened by the challenges of actually building the bomb, they had time to reflect on the social and political problems posed by the new technology. A report on this topic, chaired by James Franck, a Nobel Prize-winning physicist from Germany who had worked on chemical weapons in the previous war, concluded somewhat heretically that the first atomic weapons should not be dropped on cities without warning. The Franck Report elicited some discussion at higher levels of the Manhattan Project, but no plans were changed on account of it. Eventually, after the war, it was released to the public, with some alterations made by the military. One line that was scratched out of every copy of the report, but is just visible in originals by holding it up to the light at the right angle, argued that, should the United States be the first country to use nuclear weapons in war, it “might cause other nations to regard us as a nascent Germany.”

Not all of the Chicago scientists’ thoughts were so dark. Members of the Metallurgical Laboratory also wrote reports about the peaceful benefits of the atom, imagining a new field of science and technology, which they dubbed “nucleonics,” ushering in medical breakthroughs and new energy supplies in the wake of the Second World War. They recommended the creation of a national-laboratory system, to insure that organizations such as the Metallurgical Laboratory could exist in peacetime, and lobbied vigorously for what they considered wise policy on atomic weapons. The Bulletin of the Atomic Scientists of Chicago and the Federation of Atomic Scientists (later the Federation of American Scientists) both emerged out of this political awakening, and a movement for social responsibility on behalf of scientists was born. The Pile team turned out to be better at building reactors that changing public policy, but its legacy of activism and public engagement reverberates in today’s discourse about climate change.

After the war had ended and the world had come to appreciate the power that had been unleashed, the University of Chicago installed a bronze plaque commemorating the Pile. It read, “On December 2, 1942, man achieved here the first self-sustaining chain reaction and thereby initiated the controlled release of nuclear energy.” In a rejected suggestion, the university press director proposed that a phrase be added to the end: “for better or worse.”


The Plan B decision to build at UChicago

The University wasn’t the original site for the historic experiment though. In early 1942, Compton identified a promising plot of land while on a horseback ride in a forest preserve about 25 miles southwest of Chicago. But by late October, workers constructing the buildings in the so-called Argonne Forest went on strike, and it soon became clear that the site wouldn’t be ready until year’s end.

Fermi suggested to Compton that he could demonstrate the controlled chain reaction safely on campus—under Stagg Field, the long-abandoned, crumbling home of the former Big Ten football powerhouse. And if something were to go wrong, “I will walk away—leisurely,” Fermi once wrote. As a safeguard, a series of control rods would be installed to prevent a runaway reaction.

“According to Fermi’s calculations, which I carefully checked…it should take some minutes for the reaction to double its power," Compton wrote in his memoir. “If this proved correct, there would be ample time for adjustments, and the reaction would be under full control.”

Compton at the outset had predicted a nuclear chain reaction would be achieved by Jan. 1, 1943. With time of the essence, Compton told Fermi to proceed without informing UChicago President Robert Maynard Hutchins. Compton felt Hutchins, a trained jurist and former Law School dean, “was in no position to make an independent judgment of the hazards involved.”

“As a responsible officer of the University, according to every rule of organizational protocol, I should have taken the matter to my superior. But that would have been unfair,” wrote Compton. “Based on considerations of the University’s welfare, the only answer he could have given would have been—no. And this answer would have been wrong. So I assumed the responsibility myself.”


Path to criticality

The self-assured Fermi gave Compton little cause for concern. In September, Fermi began a series of multi-hour weekly lectures at Eckhart Hall on the UChicago campus, where he described the measurements that would determine when the pile would go critical.

When he started building chain-reacting piles at Columbia University after his arrival in January 1939, Fermi would don a lab coat and worked alongside football players enlisted to move the 50- to 100-pound bricks of graphite. &ldquoWith Fermi, it was the work that made the physics worthwhile. He wanted to wrestle with nature himself, with his own hands,&rdquo wrote physicist Herbert Anderson, who ran the night shift in Chicago&rsquos pile program, in a 1974 Boletim essay. &ldquoHe liked to have someone to work with. He liked the companionship the work went faster that way.&rdquo

This artist's conception shows the UChicago students, scientists and day laborers working on Chicago Pile-1. (Photo courtesy of National Archives and Records Administration)

There were no blueprints for the Chicago pile. Instead, machinists and scientists reported on the daily progress of construction to Fermi. Two crews formed: One pressed uranium oxide power into 22,000 spheres the size of baseballs. The other used a wood planer to mill about 400 tons of graphite into rectangles, which were then drilled to create holes to hold the uranium.

&ldquoWe found out how coal miners feel,&rdquo wrote Wattenberg in the Boletim. &ldquoOne shower would remove only the surface graphite dust. About a half-hour after the first shower, the dust in the pores of your skin would start oozing.&rdquo

By late fall, dozens of smaller test piles had provided proof-of-concept for Fermi&rsquos larger experiment. But CP-1, 20 times larger than its predecessors, would require even larger amounts of uranium and graphite in purer forms.

On Nov. 16, two 12-hour shifts began to construct the pile&mdashwork that would continue non-stop over the next 15 days. By the evening of Dec. 1, they had constructed the reactor, which resembled a 57-layer graphite cake, wrapped in wood and studded with hundreds of uranium raisins toward the center that would serve as the nuclear fuel for the reaction.

By the morning of Dec. 2, Chicago Pile-1 was ready.

Photograph taken in November 1942 during construction of the first nuclear reactor. Chicago Pile-1 consisted of 57 layers cost an estimated $2.7 million and contained 380 tons of graphite, 40 tons of uranium oxide and six tons of uranium metal. (Photo courtesy of Argonne National Laboratory)


Enrico Fermi

Under the west stand of the University of Chicago’s squash courts in Stagg Field, sits a plaque. It reads: “On December 2, 1942, man achieved here the first self-sustaining chain reaction and thereby initiated the controlled release of nuclear energy.” How did the squash courts at the University of Chicago became the site of the first self-sustaining nuclear chain reaction? The story begins in Italy in 1915.

In Rome that year a 14 year old boy, grieving the death of his older brother, sought distraction in books. Roaming the Campo de Fiori he happened upon two antique volumes of elementary physics. Our world was never to be the same. The boy was Enrico Fermi, and he would become the man who in 1942 performed the first self-sustaining nuclear chain reaction at the University of Chicago’s squash courts.

Fermi’s interest in physics was intense. At 19, he entered the University of Pisa, where, by some accounts, he shortly began instructing his teachers. At the tender age of 25, he became a professor of theoretical physics at the University of Rome. In 1934, Fermi almost discovered nuclear fission—the process that was used in the first atomic bomb—while conducting experiments in the radioactive transformations that resulted when various elements were repeatedly bombarded with neutrons. However, Fermi missed this opportunity because the sheet of foil he used to cover his uranium sample, which would have created fission, was too thick. It blocked the fission fragments from being recorded and went unnoticed. Though Fermi failed to discover fission, he did discover that passing neutrons through a light-element “moderator,” such as paraffin, slowed them down and in turn, increased their effectiveness. This discovery was instrumental in generating the heat needed by a nuclear reactor to generate electricity. In 1938 Fermi was awarded the Nobel Prize for his work.

Fermi traveled from Italy to Sweden to obtain his Nobel medal and never returned home. Italy’s fascist and anti-Semitic climate increasingly disturbed him. Like many European scientists of the period he left Europe and settled in the United States, taking employment at the University of Chicago. Others at the university were working on the atomic bomb. Fermi’s task was to find a way to control the chain reaction that resulted from fission. His answer was to create a nuclear reactor, which Fermi, whose English was still poor, called simply a “pile,” so that, theoretically, he could insert a neutron-absorbing material into the midst of the fission process to control its speed.

In December 1942 Fermi and his team were prepared to test their reactor. Due to space considerations, the “pile” was set up in the university’s squash court. The test did not occur without some concern. Up to that very moment Fermi’s notions about controlling fission were based entirely on theory, not practice. If he was wrong, Chicago could be blown away. The test began. At first, just a couple of rods were removed. Gradually, Fermi pulled more. Finally, it was apparent—Fermi and his team had created a self-sustaining nuclear reaction—the first controlled flow of energy from a source other than the sun. A coded message told the government of this success: “The Italian navigator has just landed in the new world.”


Final Years and Death

Fermi continued his work at the Institute for Nuclear Studies at the University of Chicago, where he turned his attention to high-energy physics and led investigations into the origin of cosmic rays and theories on the fantastic energies present in cosmic ray particles.

By 1954, Fermi was diagnosed with incurable stomach cancer, and spent the remaining months of his life in Chicago, undergoing various medical procedures. He died in his sleep on November 28, 1954, at his home in Chicago, Illinois.


Assista o vídeo: Hoje na História: - Físico Enrico Fermi dá início à era nuclear