Agosto de 1948: Maria Goeppert Mayer y el modelo de la cáscara nuclear

Maria Goeppert Mayer, que hizo importantes descubrimientos sobre la estructura nuclear, es una de las dos únicas mujeres que han ganado el Premio Nobel de Física. Pero durante los primeros años de su carrera, se vio obligada a pasar muchos años en puestos no remunerados antes de poder obtener una cátedra de física. No obstante, perseveró en sus investigaciones. En agosto de 1948, Goeppert Mayer publicó su primer artículo en el que detallaba las pruebas del modelo de la cáscara nuclear, que explica muchas propiedades de los núcleos atómicos.

Maria Goeppert nació en 1906 en Kattowitz, que entonces formaba parte de Alemania. Cuando tenía cuatro años, su familia se trasladó a Göttingen, donde su padre era profesor de pediatría. De hecho, era la sexta generación de profesores universitarios de la familia, y María se sintió más tarde orgullosa de ser la séptima generación de académicos. Su padre siempre la animó a ser algo más que un ama de casa. Se daba por hecho que Maria obtendría una educación, y así lo hizo, a pesar de que era difícil para las mujeres de la época.

Después de asistir a la escuela pública y a una academia preparatoria para chicas, en 1924 ingresó en la Universidad de Göttingen, donde al principio pretendía estudiar matemáticas. Sin embargo, tras asistir al seminario de mecánica cuántica de Max Born, cambió su enfoque hacia la física.

Terminó su doctorado en 1930, con una tesis sobre reacciones de doble fotón. Durante su estancia en Gotinga, conoció a su marido, el físico-químico Joseph Mayer. Después de que ella terminara su doctorado, la pareja se trasladó a Estados Unidos, donde él consiguió un trabajo en la Universidad Johns Hopkins de Baltimore. Las normas de nepotismo impidieron que la universidad la contratara como profesora, por lo que trabajó como voluntaria, continuando con sus propias investigaciones, la mayoría de las cuales consistían en aplicar la mecánica cuántica a problemas químicos. Se encontró con una situación similar en 1939, cuando su marido consiguió un trabajo en la Universidad de Columbia. Maria Goeppert Mayer recibió un despacho, pero no un sueldo. Al principio se dedicó a calcular las propiedades de los elementos transuránicos; más tarde trabajó con Harold Urey en un método fotoquímico para la separación de isótopos (el método se abandonó por ser poco práctico).

En 1946, Maria Goeppert Mayer y su marido se trasladaron a Chicago, donde estuvo empleada a tiempo parcial en el Instituto de Estudios Nucleares de la Universidad de Chicago y a tiempo parcial en el Laboratorio Nacional Argonne. Aquí empezó a trabajar con Edward Teller en un proyecto para determinar el origen de los elementos.

El trabajo consistía en crear una lista de abundancias de isótopos. Al hacer esta lista, Goeppert Mayer se dio cuenta de que los núcleos con 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126 protones o neutrones eran especialmente estables. (Estos números se conocieron como «números mágicos», un término que se cree que fue acuñado por Eugene Wigner, que era algo escéptico sobre el modelo de la cáscara). Esta observación la llevó a sugerir una estructura de cáscara para los núcleos, análoga a la estructura de cáscara de los electrones en los átomos.

En el modelo de cáscara nuclear, cada nucleón se mueve en un pozo de potencial central creado por otros nucleones, al igual que los electrones orbitan un pozo de potencial creado por el núcleo en el modelo de cáscara atómica. Las órbitas forman una serie de cáscaras de energía creciente. Los núcleos con cáscaras exteriores completamente llenas son los más estables.

El hecho de que los núcleos con cierto número de nucleones fueran especialmente estables ya se había notado antes, pero los físicos estaban tan seguros de que un modelo de cáscara no podía ser correcto, en parte porque un modelo alternativo, el modelo de la gota líquida, que trata el núcleo como una mancha homogénea, había tenido bastante éxito en la explicación de la fisión. Además, los físicos suponían que las interacciones entre los nucleones serían demasiado fuertes para que el núcleo se describiera con precisión mediante un modelo de concha, que trata a los nucleones como partículas independientes. Goeppert Mayer, que tenía menos formación en física nuclear, estaba menos sesgado por las pruebas del modelo de la gota líquida.

Goeppert Mayer consideró entonces otras propiedades nucleares, y descubrió que todas ellas apuntaban a un mayor apoyo a los números mágicos. En agosto de 1948, su primer artículo en el que resumía las pruebas de un modelo de cáscara del núcleo se publicó en Physical Review.

Aunque Goeppert Mayer había reunido pruebas para el modelo de cáscara nuclear, al principio no podía explicar la secuencia específica de números mágicos. La mecánica cuántica estándar y un potencial central simple no podían explicar los números mágicos superiores a 20.

La idea clave le llegó a Goeppert Mayer cuando Enrico Fermi le preguntó por casualidad si había alguna evidencia de acoplamiento espín-órbita. Inmediatamente se dio cuenta de que ésta era la respuesta. Goeppert Mayer era ahora capaz de calcular los niveles de energía y los números mágicos.

Mientras enviaba su artículo a la revista Physical Review para su publicación, se enteró de un artículo de Hans Jensen y sus colegas, que habían llegado independientemente al mismo resultado. Pidió que su artículo se retrasara para publicarlo en el mismo número que el de ellos, aunque el suyo acabó publicándose en el número siguiente al de ellos, en junio de 1949.

Goeppert Mayer no había conocido a Jensen en ese momento, pero más tarde los dos se conocieron. Se hicieron amigos y colaboradores, y escribieron juntos un libro sobre el modelo de cáscara nuclear. Jensen y Goeppert Mayer ganaron el Premio Nobel en 1963 por su trabajo sobre el modelo de cáscara. Compartieron el premio con Eugene Wigner, por un trabajo no relacionado.

Maria Goeppert Mayer fue nombrada profesora titular de la Universidad de California en San Diego en 1960, pero poco después sufrió un derrame cerebral. Nunca se recuperó del todo y murió en 1972.

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