Agosto 1948: Maria Goeppert Mayer e o Modelo Nuclear Shell

Maria Goeppert Mayer, que fez descobertas importantes sobre a estrutura nuclear, é uma das duas únicas mulheres a ter ganho o Prémio Nobel da Física. Mas durante seu início de carreira, ela foi forçada a passar muitos anos em posições não remuneradas antes de conseguir uma cátedra de Física. Mesmo assim, ela perseverou em suas pesquisas. Em agosto de 1948, Goeppert Mayer publicou seu primeiro trabalho detalhando as evidências para o modelo de concha nuclear, que explica muitas propriedades dos núcleos atômicos.

Maria Goeppert nasceu em 1906 em Kattowitz, que na época fazia parte da Alemanha. Aos quatro anos de idade, sua família mudou-se para Göttingen, onde seu pai era professor de pediatria. Na verdade, ele era o professor universitário de sexta geração da família, e Maria mais tarde se orgulhava de ser a sétima geração acadêmica. Seu pai sempre a encorajou a crescer para ser mais do que uma dona de casa. Presumiu-se que Maria iria conseguir uma educação, e ela conseguiu, mesmo sendo difícil para as mulheres da época.

Depois de freqüentar a escola pública e uma academia preparatória para a faculdade para meninas, em 1924 ela entrou na Universidade de Göttingen, onde no início pretendia estudar matemática. Mas depois de assistir ao seminário de mecânica quântica de Max Born, ela mudou seu foco para a física.

Ela completou seu Ph.D. em 1930, com uma tese sobre reações de fótons duplos. Enquanto estava em Göttingen, conheceu seu marido, o fisioterapeuta Joseph Mayer. Depois de completar seu doutorado, o casal mudou-se para os EUA, onde ele conseguiu um emprego na Universidade Johns Hopkins, em Baltimore. As regras do nepotismo impediram que a universidade a contratasse como professora, então ela trabalhou como voluntária, continuando sua própria pesquisa, a maior parte da qual envolvia a aplicação da mecânica quântica a problemas químicos. Ela encontrou uma situação semelhante em 1939, quando seu marido conseguiu um emprego na Universidade de Columbia. Maria Goeppert Mayer recebeu espaço de escritório, mas sem salário. No início ela trabalhou em cálculos de propriedades de elementos transurânicos; mais tarde ela trabalhou com Harold Urey em um método fotoquímico para separação de isótopos (o método foi abandonado como impraticável).

Em 1946, Maria Goeppert Mayer e seu marido se mudaram para Chicago, onde ela trabalhou meio tempo no Instituto de Estudos Nucleares da Universidade de Chicago e meio tempo no Laboratório Nacional de Argonne. Aqui ela começou a trabalhar com Edward Teller em um projeto para determinar a origem dos elementos.

O trabalho envolveu a criação de uma lista de abundâncias isotópicas. Ao fazer esta lista, ficou claro para Goeppert Mayer que núcleos com 2, 8, 20, 28, 50, 82, ou 126 prótons ou nêutrons eram especialmente estáveis. (Estes números ficaram conhecidos como “números mágicos”, um termo que se pensava ter sido cunhado por Eugene Wigner, que era um pouco céptico em relação ao modelo da concha). Esta observação levou-a a sugerir uma estrutura de concha para núcleos, análoga à estrutura de concha de elétron em átomos.

No modelo de concha nuclear, cada núcleo se move em um poço de potencial central criado por outros núcleos, assim como os elétrons orbitam um poço de potencial criado pelo núcleo no modelo de concha atômica. As órbitas formam uma série de conchas de energia crescente. Os núcleos com conchas externas completamente preenchidas são mais estáveis.

O fato de núcleos com certos números de núcleos serem especialmente estáveis já tinha sido notado antes, mas os físicos estavam tão certos que um modelo de concha não podia ser correto, em parte porque um modelo alternativo, o modelo de gota de líquido, que trata o núcleo como uma bolha homogênea, tinha sido bastante bem sucedido em explicar a fissão. Além disso, os físicos assumiram que as interações entre os núcleos seriam muito fortes para que o núcleo fosse descrito com precisão por um modelo de concha, que trata os núcleos como partículas independentes. Goeppert Mayer, que tinha menos treinamento formal em física nuclear, era menos tendencioso pelas evidências para o modelo de gota líquida.

Goeppert Mayer então considerou outras propriedades nucleares, e descobriu que todos eles apontavam para mais suporte a números mágicos. Em agosto de 1948, seu primeiro trabalho resumindo as evidências para um modelo de concha do núcleo foi publicado em Physical Review.

Embora Goeppert Mayer tivesse coletado evidências para o modelo de concha nuclear, no início ela não conseguiu explicar a seqüência específica dos números mágicos. A mecânica quântica padrão e um potencial central simples não poderiam explicar os números mágicos superiores a 20,

A chave para a compreensão veio para Goeppert Mayer quando Enrico Fermi lhe perguntou se havia alguma evidência de acoplamento spin-orbit. Ela percebeu imediatamente que esta era a resposta. Goeppert Mayer foi agora capaz de calcular os níveis de energia e números mágicos.

Como ela estava enviando seu trabalho para a Physical Review para publicação, ela tomou conhecimento de um trabalho de Hans Jensen e colegas, que tinham chegado independentemente com o mesmo resultado. Ela pediu que seu trabalho fosse adiado para ser publicado no mesmo número que o deles, embora o dela acabou sendo publicado no número depois do deles, em junho de 1949.

Goeppert Mayer não tinha se encontrado com Jensen na época, mas mais tarde os dois se encontraram. Tornaram-se amigos e colaboradores, e escreveram juntos um livro sobre o modelo da concha nuclear. Jensen e Goeppert Mayer ganharam o Prémio Nobel em 1963 pelo seu trabalho sobre o modelo de concha. Eles dividiram o prêmio com Eugene Wigner, por trabalho não relacionado.

Maria Goeppert Mayer foi nomeada professora titular na Universidade da Califórnia, San Diego, em 1960, mas sofreu um derrame logo depois. Ela nunca se recuperou totalmente, e morreu em 1972.

História Física

Este Mês em História Física
Arquivos de NotíciasAPS

Iniciativa de Sítios Históricos
Localizações e detalhes de eventos físicos históricos