Août 1948 : Maria Goeppert Mayer et le modèle de la coque nucléaire

Maria Goeppert Mayer, qui a fait d’importantes découvertes sur la structure nucléaire, est l’une des deux seules femmes à avoir obtenu le prix Nobel de physique. Mais au début de sa carrière, elle a dû passer de nombreuses années dans des postes non rémunérés avant de pouvoir obtenir un poste de professeur de physique. Elle n’en persévère pas moins dans ses recherches. En août 1948, Goeppert Mayer a publié son premier article détaillant les preuves du modèle de la coquille nucléaire, qui explique de nombreuses propriétés des noyaux atomiques.

Maria Goeppert est née en 1906 à Kattowitz, qui faisait partie de l’Allemagne à l’époque. Lorsqu’elle avait quatre ans, sa famille a déménagé à Göttingen, où son père était professeur de pédiatrie. En fait, il était la sixième génération de professeurs d’université dans la famille, et Maria a ensuite été fière d’être la septième génération d’universitaires. Son père l’encourage toujours à devenir plus qu’une femme au foyer. On supposait que Maria ferait des études, et c’est ce qu’elle a fait, même si c’était difficile pour les femmes à l’époque.

Après avoir fréquenté l’école publique et une académie préparatoire aux collèges pour filles, elle est entrée en 1924 à l’université de Göttingen, où elle avait d’abord l’intention d’étudier les mathématiques. Mais après avoir assisté au séminaire de mécanique quantique de Max Born, elle s’oriente vers la physique.

Elle obtient son doctorat en 1930, avec une thèse sur les réactions à double photon. Pendant ses études à Göttingen, elle rencontre son mari, le physico-chimiste Joseph Mayer. Après avoir obtenu son doctorat, le couple s’installe aux États-Unis, où il obtient un poste à l’université Johns Hopkins de Baltimore. Les règles de népotisme empêchant l’université de l’engager comme professeur, elle travaille comme bénévole, poursuivant ses propres recherches, dont la plupart consistent à appliquer la mécanique quantique à des problèmes chimiques. Elle se retrouve dans une situation similaire en 1939 lorsque son mari obtient un poste à l’université de Columbia. Maria Goeppert Mayer obtient un bureau, mais pas de salaire. Au début, elle travailla sur les calculs des propriétés des éléments transuraniens ; plus tard, elle travailla avec Harold Urey sur une méthode photochimique pour la séparation des isotopes (la méthode fut abandonnée car peu pratique).

En 1946, Maria Goeppert Mayer et son mari déménagèrent à Chicago, où elle fut employée à mi-temps à l’Institut d’études nucléaires de l’Université de Chicago et à mi-temps au Laboratoire national d’Argonne. C’est là qu’elle a commencé à travailler avec Edward Teller sur un projet visant à déterminer l’origine des éléments.

Le travail consistait à créer une liste des abondances des isotopes. En dressant cette liste, Goeppert Mayer s’est rendu compte que les noyaux comportant 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126 protons ou neutrons étaient particulièrement stables. (Ces nombres sont connus sous le nom de « nombres magiques », un terme que l’on pense avoir été inventé par Eugene Wigner, qui était quelque peu sceptique quant au modèle de coque). Cette observation l’a amenée à suggérer une structure en coquille pour les noyaux, analogue à la structure en coquille des électrons dans les atomes.

Dans le modèle nucléaire en coquille, chaque nucléon se déplace dans un puits de potentiel central créé par d’autres nucléons, tout comme les électrons orbitent autour d’un puits de potentiel créé par le noyau dans le modèle atomique en coquille. Les orbites forment une série de coquilles d’énergie croissante. Les noyaux dont les coquilles extérieures sont complètement remplies sont les plus stables.

Le fait que les noyaux avec un certain nombre de nucléons soient particulièrement stables avait en fait été remarqué auparavant, mais les physiciens étaient tellement certains qu’un modèle de coquille ne pouvait pas être correct, en partie parce qu’un modèle alternatif, le modèle de la goutte liquide, qui traite le noyau comme un blob homogène, avait été assez réussi pour expliquer la fission. En outre, les physiciens supposaient que les interactions entre les nucléons seraient trop fortes pour que le noyau puisse être décrit avec précision par un modèle d’enveloppe, qui traite les nucléons comme des particules indépendantes. Goeppert Mayer, qui avait une formation moins formelle en physique nucléaire, était moins biaisée par les preuves du modèle de la goutte liquide.

Goeppert Mayer a ensuite considéré d’autres propriétés nucléaires, et a trouvé qu’elles pointaient toutes vers plus de soutien aux nombres magiques. En août 1948, son premier article résumant les preuves pour un modèle de coquille du noyau a été publié dans Physical Review.

Bien que Goeppert Mayer ait recueilli des preuves pour le modèle de coquille nucléaire, au début elle ne pouvait pas expliquer la séquence spécifique des nombres magiques. La mécanique quantique standard et un simple potentiel central ne pouvaient pas expliquer les nombres magiques supérieurs à 20.

L’intuition clé est venue à Goeppert Mayer quand Enrico Fermi lui a demandé par hasard s’il y avait des preuves de couplage spin-orbite. Elle a immédiatement compris que c’était la réponse. Goeppert Mayer était maintenant capable de calculer les niveaux d’énergie et les nombres magiques.

Alors qu’elle envoyait son article à la Physical Review pour publication, elle prit connaissance d’un article de Hans Jensen et de ses collègues, qui avaient indépendamment abouti au même résultat. Elle demanda que son article soit retardé pour être publié dans le même numéro que le leur, bien que le sien ait fini par être publié dans le numéro suivant le leur, en juin 1949.

Goeppert Mayer n’avait pas rencontré Jensen à l’époque, mais plus tard les deux se sont rencontrés. Ils sont devenus amis et collaborateurs, et ont écrit ensemble un livre sur le modèle de la coquille nucléaire. Jensen et Goeppert Mayer ont remporté le prix Nobel en 1963 pour leurs travaux sur le modèle de coque. Ils ont partagé le prix avec Eugene Wigner, pour des travaux non liés.

Maria Goeppert Mayer a été nommée professeur titulaire à l’Université de Californie, San Diego, en 1960, mais a subi une attaque cérébrale peu après. Elle ne s’est jamais complètement rétablie et est décédée en 1972.

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