agosto 1948: Maria Goeppert Mayer e il modello a guscio nucleare

Maria Goeppert Mayer, che fece importanti scoperte sulla struttura nucleare, è una delle due sole donne ad aver vinto il premio Nobel per la fisica. Ma durante la sua prima carriera, fu costretta a passare molti anni in posizioni non retribuite prima di poter ottenere una cattedra di fisica. Ciononostante, perseverò nella sua ricerca. Nell’agosto del 1948, Goeppert Mayer pubblicò il suo primo articolo che descriveva in dettaglio le prove del modello a guscio nucleare, che spiega molte proprietà dei nuclei atomici.

Maria Goeppert nacque nel 1906 a Kattowitz, che all’epoca faceva parte della Germania. Quando aveva quattro anni, la sua famiglia si trasferì a Gottinga, dove suo padre era professore di pediatria. In effetti, era il professore universitario di sesta generazione nella famiglia, e Maria fu poi orgogliosa di essere l’accademico di settima generazione. Suo padre l’ha sempre incoraggiata a crescere per essere più di una casalinga. Si presumeva che Maria avrebbe ricevuto un’istruzione, e lo fece, anche se all’epoca era difficile per le donne.

Dopo aver frequentato la scuola pubblica e un’accademia preparatoria per ragazze, nel 1924 entrò all’Università di Göttingen, dove inizialmente intendeva studiare matematica. Ma dopo aver frequentato il seminario di meccanica quantistica di Max Born, ha spostato la sua attenzione sulla fisica.

Ha completato il suo dottorato nel 1930, con una tesi sulle reazioni a doppio fotone. Mentre era a Göttingen, incontrò suo marito, il chimico fisico Joseph Mayer. Dopo aver completato il suo dottorato, la coppia si trasferì negli Stati Uniti, dove lui ottenne un lavoro alla Johns Hopkins University di Baltimora. Le regole del nepotismo impedirono all’università di assumerla come professore, così lei lavorò come volontaria, continuando le sue ricerche, la maggior parte delle quali riguardavano l’applicazione della meccanica quantistica ai problemi chimici. Incontrò una situazione simile nel 1939, quando suo marito ottenne un lavoro alla Columbia University. Maria Goeppert Mayer ricevette un ufficio, ma senza stipendio. All’inizio lavorò sui calcoli delle proprietà degli elementi transuranici; più tardi lavorò con Harold Urey su un metodo fotochimico per la separazione degli isotopi (il metodo fu abbandonato perché impraticabile).

Nel 1946, Maria Goeppert Mayer e suo marito si trasferirono a Chicago, dove fu impiegata a metà tempo all’Istituto di Studi Nucleari dell’Università di Chicago e a metà tempo al Laboratorio Nazionale Argonne. Qui iniziò a lavorare con Edward Teller su un progetto per determinare l’origine degli elementi.

Il lavoro comportava la creazione di una lista di abbondanze isotopiche. Mentre faceva questa lista, divenne chiaro a Goeppert Mayer che i nuclei con 2, 8, 20, 28, 50, 82, o 126 protoni o neutroni erano particolarmente stabili. (Questi numeri divennero noti come “numeri magici”, un termine che si pensa sia stato coniato da Eugene Wigner, che era un po’ scettico sul modello a guscio). Questa osservazione la portò a suggerire una struttura a guscio per i nuclei, analoga alla struttura a guscio degli elettroni negli atomi.

Nel modello a guscio nucleare, ogni nucleone si muove in un pozzo di potenziale centrale creato da altri nucleoni, proprio come gli elettroni orbitano in un pozzo di potenziale creato dal nucleo nel modello a guscio atomico. Le orbite formano una serie di gusci di energia crescente. I nuclei con gusci esterni completamente pieni sono i più stabili.

Il fatto che i nuclei con un certo numero di nucleoni fossero particolarmente stabili era già stato notato in precedenza, ma i fisici erano così sicuri che un modello a guscio non potesse essere corretto, in parte perché un modello alternativo, il modello a goccia liquida, che tratta il nucleo come un blob omogeneo, aveva avuto abbastanza successo nello spiegare la fissione. Inoltre, i fisici presumevano che le interazioni tra i nucleoni sarebbero state troppo forti perché il nucleo potesse essere descritto accuratamente da un modello a guscio, che tratta i nucleoni come particelle indipendenti. Goeppert Mayer, che aveva una formazione meno formale in fisica nucleare, era meno influenzata dalle prove a favore del modello della goccia liquida.

Goeppert Mayer prese poi in considerazione altre proprietà nucleari, e trovò che tutte indicavano un maggiore sostegno ai numeri magici. Nell’agosto 1948, il suo primo articolo che riassumeva le prove di un modello a guscio del nucleo fu pubblicato su Physical Review.

Anche se Goeppert Mayer aveva raccolto prove per il modello a guscio nucleare, all’inizio non riusciva a spiegare la specifica sequenza di numeri magici. La meccanica quantistica standard e un semplice potenziale centrale non potevano spiegare i numeri magici superiori a 20.

L’intuizione chiave arrivò a Goeppert Mayer quando Enrico Fermi le chiese per caso se ci fossero prove di accoppiamento spin-orbita. Lei capì immediatamente che questa era la risposta. Goeppert Mayer era ora in grado di calcolare i livelli di energia e i numeri magici.

Mentre stava inviando il suo articolo alla Physical Review per la pubblicazione, venne a conoscenza di un articolo di Hans Jensen e colleghi, che erano giunti indipendentemente allo stesso risultato. Chiese che il suo articolo fosse ritardato per essere pubblicato nello stesso numero del loro, anche se il suo finì per essere pubblicato nel numero successivo al loro, nel giugno 1949.

Goeppert Mayer non aveva incontrato Jensen all’epoca, ma più tardi i due si incontrarono. Diventarono amici e collaboratori, e scrissero insieme un libro sul modello a guscio nucleare. Jensen e Goeppert Mayer hanno vinto il premio Nobel nel 1963 per il loro lavoro sul modello a guscio. Condivisero il premio con Eugene Wigner, per un lavoro non correlato.

Maria Goeppert Mayer fu nominata professore ordinario all’Università della California, San Diego nel 1960, ma poco dopo ebbe un ictus. Non si riprese mai completamente e morì nel 1972.

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