August 1948: Maria Goeppert Mayer und das Kernschalenmodell

Maria Goeppert Mayer, die wichtige Entdeckungen über die Kernstruktur machte, ist eine von nur zwei Frauen, die den Nobelpreis für Physik erhalten haben. Zu Beginn ihrer Karriere war sie jedoch gezwungen, viele Jahre in unbezahlten Positionen zu verbringen, bevor sie eine Professur in Physik erhalten konnte. Dennoch forschte sie beharrlich weiter. Im August 1948 veröffentlichte Goeppert Mayer ihre erste Arbeit, in der sie den Nachweis für das Kernschalenmodell erbrachte, das viele Eigenschaften der Atomkerne erklärt.

Maria Goeppert wurde 1906 in Kattowitz geboren, das damals zu Deutschland gehörte. Als sie vier Jahre alt war, zog ihre Familie nach Göttingen, wo ihr Vater Professor für Kinderheilkunde war. Er war die sechste Generation von Universitätsprofessoren in der Familie, und Maria war später stolz darauf, die siebte Generation von Akademikern zu sein. Ihr Vater ermutigte sie immer, mehr als nur eine Hausfrau zu werden. Man ging davon aus, dass Maria eine Ausbildung erhalten würde, und das tat sie auch, obwohl es für Frauen zu dieser Zeit schwierig war.

Nach dem Besuch einer öffentlichen Schule und einer vorbereitenden Akademie für Mädchen trat sie 1924 in die Universität Göttingen ein, wo sie zunächst beabsichtigte, Mathematik zu studieren. Nachdem sie jedoch Max Borns Quantenmechanik-Seminar besucht hatte, wandte sie sich der Physik zu.

Sie promovierte 1930 mit einer Arbeit über Doppelphotonenreaktionen. Während ihrer Zeit in Göttingen lernte sie ihren Mann, den Physikochemiker Joseph Mayer, kennen. Nach ihrer Promotion zog das Paar in die USA, wo er eine Stelle an der Johns Hopkins University in Baltimore erhielt. Da die Universität sie aufgrund von Vetternwirtschaft nicht als Professorin einstellen konnte, arbeitete sie ehrenamtlich und setzte ihre eigenen Forschungen fort, die zumeist die Anwendung der Quantenmechanik auf chemische Probleme betrafen. In eine ähnliche Situation geriet sie 1939, als ihr Mann eine Stelle an der Columbia University erhielt. Maria Goeppert Mayer erhielt einen Büroraum, aber kein Gehalt. Zunächst arbeitete sie an Berechnungen der Eigenschaften transuranischer Elemente; später arbeitete sie mit Harold Urey an einer photochemischen Methode zur Isotopentrennung (die Methode wurde als unpraktisch aufgegeben).

Im Jahr 1946 zogen Maria Goeppert Mayer und ihr Mann nach Chicago, wo sie zur Hälfte am Institute for Nuclear Studies der Universität Chicago und zur Hälfte am Argonne National Laboratory beschäftigt war. Hier begann sie mit Edward Teller an einem Projekt zur Bestimmung des Ursprungs der Elemente zu arbeiten.

Die Arbeit umfasste die Erstellung einer Liste von Isotopenhäufigkeiten. Bei der Erstellung dieser Liste wurde Goeppert Mayer klar, dass Kerne mit 2, 8, 20, 28, 50, 82 oder 126 Protonen oder Neutronen besonders stabil waren. (Diese Zahlen wurden als „magische Zahlen“ bekannt, ein Begriff, von dem man annimmt, dass er von Eugene Wigner geprägt wurde, der dem Schalenmodell eher skeptisch gegenüberstand). Diese Beobachtung veranlasste sie, eine Schalenstruktur für Kerne vorzuschlagen, analog zur Elektronenschalenstruktur in Atomen.

Im Kernschalenmodell bewegt sich jedes Nukleon in einer zentralen Potentialmulde, die von anderen Nukleonen erzeugt wird, so wie die Elektronen im atomaren Schalenmodell eine Potentialmulde umkreisen, die vom Kern erzeugt wird. Die Bahnen bilden eine Reihe von Schalen mit zunehmender Energie. Kerne mit vollständig gefüllten äußeren Schalen sind am stabilsten.

Die Tatsache, dass Kerne mit einer bestimmten Anzahl von Nukleonen besonders stabil sind, war zwar schon früher bemerkt worden, aber die Physiker waren sich so sicher, dass ein Schalenmodell nicht richtig sein konnte, zum Teil deshalb, weil ein alternatives Modell, das Flüssigtropfenmodell, das den Kern als homogenen Klecks behandelt, bei der Erklärung der Kernspaltung recht erfolgreich gewesen war. Außerdem gingen die Physiker davon aus, dass die Wechselwirkungen zwischen den Nukleonen zu stark sein würden, als dass der Kern durch ein Schalenmodell, das die Nukleonen als unabhängige Teilchen behandelt, genau beschrieben werden könnte. Goeppert Mayer, die über eine weniger formale Ausbildung in Kernphysik verfügte, war von den Beweisen für das Flüssigtropfenmodell weniger voreingenommen.

Goeppert Mayer untersuchte dann andere Kerneigenschaften und stellte fest, dass sie alle auf eine stärkere Unterstützung der magischen Zahlen hinwiesen. Im August 1948 wurde ihre erste Arbeit, in der sie die Beweise für ein Schalenmodell des Kerns zusammenfasste, in der Zeitschrift Physical Review veröffentlicht.

Obwohl Goeppert Mayer Beweise für das Schalenmodell des Kerns gesammelt hatte, konnte sie die spezifische Abfolge der magischen Zahlen zunächst nicht erklären. Die Standard-Quantenmechanik und ein einfaches zentrales Potential konnten die magischen Zahlen über 20 nicht erklären.

Die entscheidende Erkenntnis kam Goeppert Mayer, als Enrico Fermi sie zufällig fragte, ob es Hinweise auf eine Spin-Bahn-Kopplung gäbe. Sie erkannte sofort, dass dies die Antwort war. Goeppert Mayer war nun in der Lage, Energieniveaus und magische Zahlen zu berechnen.

Als sie ihre Arbeit zur Veröffentlichung an die Physical Review schickte, wurde sie auf eine Arbeit von Hans Jensen und Kollegen aufmerksam, die unabhängig voneinander zu demselben Ergebnis gekommen waren. Sie bat darum, die Veröffentlichung ihrer Arbeit zu verschieben, damit sie in der gleichen Ausgabe wie die der beiden veröffentlicht werden konnte, obwohl ihre Arbeit erst in der Ausgabe nach der der beiden, im Juni 1949, veröffentlicht wurde.

Goeppert Mayer hatte Jensen zu diesem Zeitpunkt noch nicht kennen gelernt, aber später trafen sich die beiden. Sie wurden Freunde und Mitarbeiter und schrieben gemeinsam ein Buch über das Kernschalenmodell. Jensen und Goeppert Mayer gewannen 1963 den Nobelpreis für ihre Arbeit am Schalenmodell. Sie teilten sich den Preis mit Eugene Wigner für nicht verwandte Arbeiten.

Maria Goeppert Mayer wurde 1960 auf eine volle Professur an der University of California, San Diego, berufen, erlitt aber bald darauf einen Schlaganfall. Sie erholte sich nie mehr vollständig und starb 1972.

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