Srpen 1948: Maria Goeppert Mayerová a model jaderného obalu

Maria Goeppert Mayerová, která učinila významné objevy o struktuře jader, je jednou z pouhých dvou žen, které získaly Nobelovu cenu za fyziku. Během své rané kariéry však byla nucena strávit mnoho let na neplacených pozicích, než se jí podařilo získat profesuru fyziky. Přesto ve svém výzkumu vytrvala. V srpnu 1948 Goeppert Mayerová publikovala svůj první článek, v němž podrobně popsala důkazy pro model jaderného obalu, který vysvětluje mnoho vlastností atomových jader.

Maria Goeppertová se narodila v roce 1906 v Kattowitz, který byl v té době součástí Německa. Když jí byly čtyři roky, přestěhovala se její rodina do Göttingenu, kde byl její otec profesorem pediatrie. Ve skutečnosti byl šestou generací univerzitních profesorů v rodině a Maria se později pyšnila tím, že je sedmou generací akademiků. Její otec ji vždy povzbuzoval, aby z ní vyrostla něco víc než jen žena v domácnosti. Předpokládalo se, že Maria získá vzdělání, což se také stalo, přestože to bylo pro ženy v té době obtížné.

Po absolvování obecné školy a přípravné dívčí akademie nastoupila v roce 1924 na univerzitu v Göttingenu, kde zprvu hodlala studovat matematiku. Poté, co se zúčastnila semináře Maxe Borna o kvantové mechanice, se však přeorientovala na fyziku.

Doktorát získala v roce 1930 prací o dvojné fotonové reakci. Během studia v Göttingenu se seznámila se svým manželem, fyzikálním chemikem Josephem Mayerem. Po jejím dokončení doktorátu se manželé přestěhovali do USA, kde získal práci na Univerzitě Johnse Hopkinse v Baltimoru. Pravidla nepotismu zabránila univerzitě, aby ji zaměstnala jako profesorku, a tak pracovala jako dobrovolnice a pokračovala ve svém vlastním výzkumu, který se většinou týkal aplikace kvantové mechaniky na chemické problémy. S podobnou situací se setkala i v roce 1939, kdy její manžel získal práci na Kolumbijské univerzitě. Maria Goeppert Mayerová dostala kancelářské prostory, ale žádný plat. Zpočátku pracovala na výpočtech vlastností transuranových prvků, později s Haroldem Ureyem pracovala na fotochemické metodě separace izotopů (metoda byla opuštěna jako nepraktická).

V roce 1946 se Maria Goeppert Mayerová s manželem přestěhovala do Chicaga, kde byla zaměstnána na poloviční úvazek v Ústavu jaderných studií Chicagské univerzity a na poloviční úvazek v Argonne National Laboratory. Zde začala spolupracovat s Edwardem Tellerem na projektu, jehož cílem bylo určit původ prvků.

Práce zahrnovala vytvoření seznamu množství izotopů. Při vytváření tohoto seznamu bylo Goeppert Mayerové jasné, že jádra s 2, 8, 20, 28, 50, 82 nebo 126 protony nebo neutrony jsou obzvláště stabilní. (Tato čísla se stala známá jako „magická čísla“, což je termín, o němž se předpokládá, že ho vymyslel Eugene Wigner, který byl poněkud skeptický vůči slupkovému modelu.) Toto pozorování ji vedlo k návrhu slupkové struktury pro jádra, analogické elektronové slupkové struktuře v atomech.

V modelu jaderné slupky se každý nukleon pohybuje v centrální potenciálové jamce vytvořené jinými nukleony, stejně jako elektrony obíhají kolem potenciálové jamky vytvořené jádrem v modelu atomové slupky. Oběžné dráhy tvoří řadu slupek s rostoucí energií. Jádra se zcela zaplněnými vnějšími slupkami jsou nejstabilnější.

Skutečnost, že jádra s určitým počtem nukleonů jsou obzvláště stabilní, byla ve skutečnosti zaznamenána již dříve, ale fyzikové si byli tak jisti, že slupkový model nemůže být správný, částečně proto, že alternativní model, model kapky kapaliny, který považuje jádro za homogenní kapku, byl poměrně úspěšný při vysvětlování štěpení. Kromě toho fyzikové předpokládali, že interakce mezi nukleony budou příliš silné na to, aby jádro mohlo být přesně popsáno slupkovým modelem, který považuje nukleony za nezávislé částice. Goeppert Mayer, který měl menší formální vzdělání v jaderné fyzice, byl méně zaujatý důkazy pro model kapky kapaliny.

Goeppert Mayer pak zvažoval další jaderné vlastnosti a zjistil, že všechny ukazují na větší podporu magických čísel. V srpnu 1948 byl v časopise Physical Review publikován její první článek shrnující důkazy pro slupkový model jádra.

Ačkoli Goeppert Mayerová shromáždila důkazy pro slupkový model jádra, zpočátku nedokázala vysvětlit konkrétní posloupnost magických čísel. Standardní kvantová mechanika a jednoduchý centrální potenciál nedokázaly vysvětlit magická čísla vyšší než 20.

Klíčový poznatek se Goeppert Mayerové dostal, když se jí Enrico Fermi náhodou zeptal, zda existují nějaké důkazy spin-orbitální vazby. Okamžitě si uvědomila, že to je odpověď. Goeppert Mayerová byla nyní schopna vypočítat energetické hladiny a magická čísla.

Když odesílala svůj článek do Physical Review k publikaci, dozvěděla se o článku Hanse Jensena a jeho kolegů, kteří nezávisle na sobě dospěli ke stejnému výsledku. Požádala, aby její článek byl odložen, aby mohl být publikován ve stejném čísle jako jejich článek, ačkoli její článek byl nakonec publikován v čísle následujícím po jejich článku, v červnu 1949.

Goeppert Mayer se v té době s Jensenem nesetkal, ale později se oba setkali. Stali se přáteli a spolupracovníky a společně napsali knihu o modelu jaderného pláště. Jensen a Goeppert Mayer získali v roce 1963 Nobelovu cenu za práci na slupkovém modelu. O cenu se dělili s Eugenem Wignerem za nesouvisející práci.

Maria Goeppert Mayerová byla v roce 1960 jmenována řádnou profesorkou na Kalifornské univerzitě v San Diegu, ale brzy poté ji postihla mrtvice. Nikdy se plně nezotavila a zemřela v roce 1972.

Historie fyziky

Tento měsíc v dějinách fyziky
Archiv novinek APS

Iniciativa historických míst
Místa a podrobnosti o historických fyzikálních událostech

.