Elokuu 1948: Maria Goeppert Mayer and the Nuclear Shell Model

Maria Goeppert Mayer, joka teki tärkeitä löytöjä ydinrakenteesta, on yksi vain kahdesta fysiikan Nobel-palkinnon saaneesta naisesta. Uransa alkuvaiheessa hän joutui kuitenkin viettämään useita vuosia palkattomissa tehtävissä, ennen kuin hän sai fysiikan professuurin. Siitä huolimatta hän jatkoi sinnikkäästi tutkimustyötään. Elokuussa 1948 Goeppert Mayer julkaisi ensimmäisen artikkelinsa, jossa hän esitti yksityiskohtaisesti todisteita ydinkuoren mallista, joka selittää monia atomiytimien ominaisuuksia.

Maria Goeppert syntyi vuonna 1906 Kattowitzissa, joka oli tuolloin osa Saksaa. Kun hän oli nelivuotias, hänen perheensä muutti Göttingeniin, jossa hänen isänsä oli lastentautien professori. Itse asiassa hän oli perheen kuudennen polven yliopistoprofessori, ja Maria oli myöhemmin ylpeä siitä, että hän oli seitsemännen polven akateemikko. Hänen isänsä kannusti häntä aina kasvamaan muuksi kuin kotiäidiksi. Oletuksena oli, että Maria hankkisi koulutuksen, ja niin hän tekikin, vaikka se oli tuohon aikaan naisille vaikeaa.

Käveltyään julkista koulua ja tyttökouluun valmistavaa akatemiaa hän pääsi vuonna 1924 Göttingenin yliopistoon, jossa hän aikoi aluksi opiskella matematiikkaa. Osallistuttuaan kuitenkin Max Bornin kvanttimekaniikkaseminaariin hän vaihtoi suuntautumisensa fysiikkaan.

Hän väitteli tohtoriksi vuonna 1930 kaksoisfotonireaktioista. Göttingenissä hän tapasi miehensä, fysikaalisen kemistin Joseph Mayerin. Valmistuttuaan tohtoriksi pariskunta muutti Yhdysvaltoihin, jossa mies sai työpaikan Johns Hopkinsin yliopistosta Baltimoresta. Nepotismia koskevat säännöt estivät yliopistoa palkkaamasta häntä professoriksi, joten hän työskenteli vapaaehtoisena ja jatkoi omaa tutkimustaan, josta suurin osa liittyi kvanttimekaniikan soveltamiseen kemiallisiin ongelmiin. Hän joutui samanlaiseen tilanteeseen vuonna 1939, kun hänen miehensä sai työpaikan Columbian yliopistosta. Maria Goeppert Mayer sai toimistotilaa, mutta ei palkkaa. Aluksi hän työskenteli transuraanisten alkuaineiden ominaisuuksia koskevien laskelmien parissa; myöhemmin hän työskenteli Harold Ureyn kanssa fotokemiallisen menetelmän parissa isotooppien erottamiseksi (menetelmä hylättiin epäkäytännöllisenä).

Vuonna 1946 Maria Goeppert Mayer muutti miehensä kanssa Chicagoon, jossa hän työskenteli puoliksi Chicagon yliopiston ydintutkimusinstituutissa ja puoliksi Argonnen kansallisessa laboratoriossa. Siellä hän alkoi työskennellä Edward Tellerin kanssa projektissa, jonka tarkoituksena oli määrittää alkuaineiden alkuperä.

Työhön kuului isotooppirunsauksien luettelon laatiminen. Tätä luetteloa tehdessään Goeppert Mayerille kävi selväksi, että ytimet, joissa oli 2, 8, 20, 28, 50, 82 tai 126 protonia tai neutronia, olivat erityisen vakaita. (Näitä lukuja alettiin kutsua ”maagisiksi luvuiksi”, ja termi on luultavasti Eugene Wignerin keksimä, joka suhtautui hieman epäilevästi kuorimalliin.) Tämä havainto sai hänet ehdottamaan ytimille kuorirakennetta, joka on analoginen atomien elektronikuorirakenteen kanssa.

Ydinkuorimallissa kukin nukleoni liikkuu toisten nukleonien luomassa keskeisessä potentiaalikuopassa, aivan kuten atomikuorimallissa elektronit kiertävät ytimen luomaa potentiaalikuoppaa. Kiertoradat muodostavat sarjan kuoria, joiden energia kasvaa. Ytimet, joiden ulommat kuoret ovat täysin täynnä, ovat kaikkein vakaimpia.

Se, että ytimet, joissa on tietty määrä nukleoneja, ovat erityisen vakaita, oli itse asiassa huomattu jo aiemmin, mutta fyysikot olivat niin varmoja siitä, että kuorimalli ei voinut pitää paikkaansa, osittain siksi, että vaihtoehtoinen malli, nestepisaramalli, joka käsittelee ydintä homogeenisena möykkynä, oli onnistunut varsin hyvin fission selittämisessä. Lisäksi fyysikot olettivat, että nukleonien väliset vuorovaikutukset olisivat liian voimakkaita, jotta ydintä voitaisiin kuvata tarkasti kuorimallilla, jossa nukleoneja käsitellään itsenäisinä hiukkasina. Goeppert Mayer, jolla oli vähemmän muodollista koulutusta ydinfysiikan alalla, oli vähemmän puolueellinen nestepisaramallia tukevien todisteiden suhteen.

Goeppert Mayer tarkasteli sen jälkeen muita ytimen ominaisuuksia ja havaitsi, että ne kaikki viittasivat siihen, että maagiset luvut saivat enemmän tukea. Elokuussa 1948 hänen ensimmäinen artikkelinsa, jossa hän teki yhteenvedon todisteista ytimen kuorimallin puolesta, julkaistiin Physical Review -lehdessä.

Vaikka Goeppert Mayer oli kerännyt todisteita ytimen kuorimallin puolesta, hän ei aluksi kyennyt selittämään taikalukujen erityistä järjestystä. Standardi kvanttimekaniikka ja yksinkertainen keskipotentiaali eivät pystyneet selittämään yli 20:n suuruisia maagisia lukuja.

Keskeinen oivallus tuli Goeppert Mayerille, kun Enrico Fermi sattui kysymään häneltä, oliko todisteita spin-orbit-kytkennästä. Hän tajusi heti, että tämä oli vastaus. Goeppert Mayer pystyi nyt laskemaan energiatasoja ja maagisia lukuja.

Kun hän oli lähettämässä artikkeliaan Physical Review -lehteen julkaistavaksi, hän tuli tietoiseksi Hans Jensenin ja kollegoiden artikkelista, jossa he olivat itsenäisesti päätyneet samaan tulokseen. Hän pyysi, että hänen artikkelinsa julkaisua lykättäisiin, jotta se julkaistaisiin samassa numerossa kuin heidän artikkelinsa, vaikka hänen artikkelinsa julkaistiinkin lopulta heidän artikkelinsa jälkeisessä numerossa kesäkuussa 1949.

Goeppert Mayer ei ollut tavannut Jenseniä tuolloin, mutta myöhemmin he tapasivat. Heistä tuli ystäviä ja yhteistyökumppaneita, ja he kirjoittivat yhdessä kirjan ydinkuorimallista. Jensen ja Goeppert Mayer saivat Nobelin palkinnon vuonna 1963 kuorimallia koskevasta työstään. He jakoivat palkinnon Eugene Wignerin kanssa toisiinsa liittymättömästä työstä.

Maria Goeppert Mayer nimitettiin Kalifornian yliopistoon San Diegoon vuonna 1960, mutta sai pian sen jälkeen aivohalvauksen. Hän ei koskaan toipunut täysin, ja hän kuoli vuonna 1972.

Fysiikan historia

Tämä kuukausi fysiikan historiassa
APS:n uutisarkisto

Historiallisia paikkoja koskeva aloite
Fysiikan historiallisten tapahtumien sijainnit ja yksityiskohdat

.