August 1948: Maria Goeppert Mayer and the Nuclear Shell Model

Maria Goeppert Mayer, der har gjort vigtige opdagelser om kernes struktur, er en af kun to kvinder, der har vundet Nobelprisen i fysik. Men i begyndelsen af sin karriere var hun tvunget til at tilbringe mange år i ulønnede stillinger, før hun kunne få et professorat i fysik. Ikke desto mindre holdt hun fast i sin forskning. I august 1948 offentliggjorde Goeppert Mayer sin første artikel, hvori hun redegjorde detaljeret for beviserne for atomskalmodellen, som forklarer mange af atomkernernes egenskaber.

Maria Goeppert blev født i 1906 i Kattowitz, som på det tidspunkt var en del af Tyskland. Da hun var fire år gammel, flyttede hendes familie til Göttingen, hvor hendes far var professor i pædiatri. Faktisk var han den sjette generation af universitetsprofessorer i familien, og Maria var senere stolt af at være den syvende generation af akademikere. Hendes far opfordrede hende altid til at vokse op og blive mere end en husmor. Det blev antaget, at Maria ville få en uddannelse, og det fik hun også, selv om det var svært for kvinder på den tid.

Efter at have gået i folkeskole og på et collegeforberedende akademi for piger, kom hun i 1924 ind på universitetet i Göttingen, hvor hun i første omgang havde til hensigt at studere matematik. Men efter at have deltaget i Max Borns kvantemekanik-seminar skiftede hun fokus til fysik.

Hun afsluttede sin ph.d.-grad i 1930 med en afhandling om dobbeltfotonreaktioner. Mens hun studerede i Göttingen, mødte hun sin mand, fysik-kemikeren Joseph Mayer. Efter at hun havde afsluttet sin ph.d., flyttede parret til USA, hvor han fik et job på Johns Hopkins University i Baltimore. Reglerne om nepotisme forhindrede universitetet i at ansætte hende som professor, så hun arbejdede som frivillig og fortsatte sin egen forskning, hvoraf det meste drejede sig om anvendelse af kvantemekanik på kemiske problemer. Hun kom i en lignende situation i 1939, da hendes mand fik et job på Columbia University. Maria Goeppert Mayer fik kontorplads, men ingen løn. I begyndelsen arbejdede hun med beregninger af egenskaberne af transuraniske grundstoffer; senere arbejdede hun sammen med Harold Urey på en fotokemisk metode til isotopadskillelse (metoden blev opgivet som upraktisk).

I 1946 flyttede Maria Goeppert Mayer og hendes mand til Chicago, hvor hun var ansat halvt på halv tid ved University of Chicagos Institute for Nuclear Studies og halvt på halv tid ved Argonne National Laboratory. Her begyndte hun at arbejde sammen med Edward Teller på et projekt, der skulle bestemme grundstoffernes oprindelse.

Arbejdet bestod i at udarbejde en liste over isotophyppigheder. Under udarbejdelsen af denne liste blev det klart for Goeppert Mayer, at kerner med 2, 8, 20, 28, 28, 50, 82 eller 126 protoner eller neutroner var særligt stabile. (Disse tal blev kendt som “magiske tal”, et begreb, der menes at være opfundet af Eugene Wigner, som var noget skeptisk over for skalmodellen). Denne observation fik hende til at foreslå en skalstruktur for kerner, analogt med elektronernes skalstruktur i atomer.

I den nukleare skalmodel bevæger hver nukleon sig i et centralt potentielt brønd skabt af andre nukleoner, ligesom elektronerne kredser om et potentielt brønd skabt af kernen i den atomare skalmodel. Banerne danner en serie af skaller med stigende energi. Kerner med helt fyldte ydre skaller er mest stabile.

Det faktum, at kerner med et bestemt antal nukleoner var særligt stabile, var faktisk blevet bemærket før, men fysikerne var så sikre på, at en skalmodel ikke kunne være korrekt, bl.a. fordi en alternativ model, modellen med flydende dråber, der behandler kernen som en homogen klat, havde haft stor succes med at forklare spaltning. Desuden antog fysikerne, at vekselvirkningerne mellem nukleonerne ville være for stærke til, at kernen kunne beskrives nøjagtigt af en skalmodel, som behandler nukleonerne som uafhængige partikler. Goeppert Mayer, som havde mindre formel uddannelse i kernefysik, var mindre forudindtaget af beviser for modellen med flydende dråber.

Goeppert Mayer overvejede derefter andre kerneegenskaber og fandt, at de alle pegede på mere støtte for magiske tal. I august 1948 blev hendes første artikel, der opsummerede beviserne for en skalmodel for kernen, offentliggjort i Physical Review.

Selv om Goeppert Mayer havde indsamlet beviser for kerneskalmodellen, kunne hun i første omgang ikke forklare den specifikke sekvens af magiske tal. Standardkvantemekanikken og et simpelt centralt potentiale kunne ikke forklare de magiske tal højere end 20.

Den afgørende indsigt fik Goeppert Mayer, da Enrico Fermi tilfældigvis spurgte hende, om der var beviser for spin-orbit-kobling. Hun indså straks, at dette var svaret. Goeppert Mayer var nu i stand til at beregne energiniveauer og magiske tal.

Da hun var ved at sende sin artikel til Physical Review med henblik på offentliggørelse, blev hun opmærksom på en artikel af Hans Jensen og kolleger, som uafhængigt af hinanden var kommet frem til det samme resultat. Hun bad om at få sin artikel udsat, så den kunne blive offentliggjort i samme nummer som deres, men hendes artikel endte med at blive offentliggjort i nummeret efter deres, i juni 1949.

Goeppert Mayer havde ikke mødt Jensen på det tidspunkt, men senere mødtes de to. De blev venner og samarbejdspartnere, og de skrev en bog sammen om den nukleare skalmodel. Jensen og Goeppert Mayer fik Nobelprisen i 1963 for deres arbejde med skalmodellen. De delte prisen med Eugene Wigner for et arbejde, der ikke havde noget med det at gøre.

Maria Goeppert Mayer blev udnævnt til professor ved University of California, San Diego i 1960, men fik kort efter et slagtilfælde. Hun kom aldrig helt til hægterne igen og døde i 1972.

Fysikkens historie

Denne måned i fysikkens historie
APS News Archives

Historic Sites Initiative
Lokaliteter og detaljer om historiske begivenheder inden for fysik