Il est né à Rome le 29 septembre 1901. Son père Albert était un fonctionnaire au Ministère des Communications et ses amis ingénieurs sont frappés par les dispositions exceptionnelles d’Enrico (à l’âge de 15 ans) pour les mathématiques. En 1922 il obtient son doctorat à l’Ecole Normale de Pise avec une thèse sur la réfraction des rayons X par des surfaces incurvées de cristaux.

• De bonnes conditions initiales
• Distribution énergétique des fermions
• La radioactivité béta

De bonnes conditions initiales

Profitant d’une bourse au Ministère de l’Education Nationale pendant 6 mois à Göttingen autour de max Born, de cette collaboration, allaient surgir des contributions essentielles à la mécanique des quanta. Enrico faisait preuve de capacités pour unir la recherche théorique à l’expérience pratique (en électrodynamique et en relativité aussi).

De retour en Italie, au cours de l’année 1923-1924, Enrico Fermi est chargé du cours d’Istituzioni di Matematica pour chimistes à l’Université de Rome. En automne 1924 il se rendit à Leyden auprès d’Ehrenfest pour mieux comprendre ses travaux de statistiques. Entre 1924 et 1926, Fermi enseigna la physique mathématique et la mécanique rationnelle à l’Université de Florence. Encore jeune (avant 1927) et faisant suite à de nombreux travaux de théorisation d’un gaz idéal monoatomique qu’il applique la statistique antisymétrique aux électrons. Il donna naissance à la statistique de Fermi-Dirac, les deux étant arrivés aux mêmes résultats par des chemins différents.

Cette physique statistique s’applique donc à la matière qui constitue notre environnement comme les électrons, protons, neutrons, quarks et leptons qui sont tous des fermions. Ces particules se caractérisent par :

• Un spin semi-entier
• Les fermions suivent un statistique spécifique (Fermi-Dirac) qui décrit leur distribution énergétique.
• Deux fermions identiques ne peuvent pas partager le même état quantique (principe d’exclusion de Pauli).
• Les fermions sont les constituants de la matière, des atomes. de la solidité des matériaux, de la conductivité électrique et même de la stabilité des étoiles.

Distribution énergétique des fermions

L’équation de la distribution énergétique d’une particule selon la statistique de Fermi-Dirac est donnée par :

Avec f(E) la probabilité qu’un niveau d’énergie E soit occupé par un fermion, mu le potentiel chimique (niveau de Fermi à température absolu) qui représente l’énergie la plus élevée occupée par un fermions à T=0 Kelvin et k_B est la constante de Boltzmann.

Cette fonction décrit comment les particules se distribuent entre les différents niveaux d’énergie disponibles à une température donnée.

A la température absolu :

Lire ou relire : Énergie, Plasma et Psyché

A température finie (T>0), la fonction f(E) devient une courbe lissée autour de mu indiquant que certains fermions peuvent occuper des niveaux d’énergie supérieurs en absorbant de l’énergie thermique.

Dans ce domaine de la physique statistique, les applications sont nombreuses :

• Physique des semi-conducteurs : Expliquer la conduction électrique, la formation des bandes d’énergie et le fonctionnement des diodes et transistors.
• Métaux : Les électrons de conduction suivent cette distribution f(E), ce qui influence les propriétés électriques et thermiques des matériaux. La capacité thermique des métaux à basse température est directement liée à la statistique de Fermi-Dirac.
• Astrophysique : Les naines blanches et les étoiles à neutrons sont soutenus contre l’effondrement gravitationnel par la pression de dégénérescence des fermions, une conséquence directe du principe d’exclusion de Pauli.

Représentation graphique de la distribution f(E) en fonction de l’énergie E pour différentes température.

A haute température, les fermions occupent (probabilité) des niveaux d’énergie au dessus de mu.

La radioactivité béta

La Faculté des Sciences de Rome crée pour Fermi (sur les conseils de Corbino) la chaire de physique théorique et c’est dans cette ville qu’il épousa, en 1928, Laura Capon dont il eut 2 enfants, Nella (1931) et Giulo (1936).

Fermi innove en pédagogie et consistant à entreprendre l’examen critique d’un problème (publiquement) en le faisant suivre de son énoncé à sa résolution mathématique pour « satisfaire une curiosité naturaliste » qui caractérise l’attitude de Fermi devant la science et la vie.

En 1939, l’activité de Fermi se déplaça du champ de la physique atomique vers celui de la physique nucléaire. De cette transition dans le raisonnement, Fermi théorise sous forme quantitative, la radioactivité béta soupçonné par Pauli, à savoir la transformation d’un proton en neutron, par l’émission d’un électron et d’un corpuscule neutre de masse nulle (neutrino).

Pendant que Fermi faisait du ski dans les Dolomites, les époux Joliot-Curie avaient réussi à produire quelques nouveaux corps radioactifs artificiels en bombardant les éléments légers avec des particules alpha. En tenant compte de la répulsion électrostatique par le noyau, Fermi réussit à découvrir en février 1934, la radioactivité par bombardement de neutrons particulièrement efficaces pour produire de nouveaux corps radioactifs, même parmi les éléments lourds, et déterminer divers types de réactions nucléaires. Conduit par erreur vers les corps trans-uraniques, ce n’est qu’après la découverte de la fission par Hahn et Strassmann, qu’il fût possible de se rendre compte que l’Uranium bombardé de neutrons formait, par fission, des corps dont le numéro atomique était très différent.

Fermi reçoit le prix Nobel en 1938 pour ses recherches sur la radioactivité provoquée par les neutrons. En octobre, il quitte l’Italie et se rendit au USA où il fût nommé professeur de physique à la Columbia University. A partir de 1941 (guerre), les recherches sur la fission sont gardées secrètes. Fermi travaillait pour le gouvernement américain jusqu’au printemps 1942, puis à Chicago où, avec H.L. Anderson et W.H. Zinn, fût mise en marche (2 décembre 1942) la pile à uranium et graphite, premier réacteur nucléaire réalisé par l’homme.

En 1951, Fermi inaugure le synchrocyclotron de Chicago qui ouvre une nouvelle ère dans la physique des hautes énergies. Il est nommé président de la Société américaine de physique en 1953. Un an plus tard, il témoigne lors du procès contre Oppenheimer et il meurt, cancer à l’estomac, le 28 novembre 1954.