Augustus 1948: Maria Goeppert Mayer en het Nuclear Shell Model

Maria Goeppert Mayer, die belangrijke ontdekkingen deed over de nucleaire structuur, is een van de slechts twee vrouwen die de Nobelprijs voor de natuurkunde hebben gewonnen. Maar tijdens haar vroege carrière moest ze vele jaren in onbetaalde functies doorbrengen voordat ze een hoogleraarschap in de natuurkunde kon krijgen. Niettemin zette zij haar onderzoek voort. In augustus 1948 publiceerde Goeppert Mayer haar eerste artikel waarin zij het bewijs leverde voor het kernschilmodel, dat vele eigenschappen van atoomkernen verklaart.

Maria Goeppert werd in 1906 geboren in Kattowitz, dat toen nog deel uitmaakte van Duitsland. Toen zij vier jaar oud was, verhuisde haar familie naar Göttingen, waar haar vader professor in de kindergeneeskunde was. In feite was hij de zesde generatie universiteitsprofessor in de familie, en Maria was er later trots op dat zij de zevende generatie academicus was. Haar vader moedigde haar altijd aan om op te groeien tot meer dan een huisvrouw. Men ging ervan uit dat Maria een opleiding zou volgen, en dat deed ze ook, ook al was dat in die tijd moeilijk voor vrouwen.

Na de openbare school en een voorbereidende academie voor meisjes te hebben bezocht, ging ze in 1924 naar de Universiteit van Göttingen, waar ze aanvankelijk wiskunde wilde studeren. Maar nadat ze het seminar over kwantummechanica van Max Born had bijgewoond, verlegde ze haar aandacht naar de natuurkunde.

Ze promoveerde in 1930 op een proefschrift over reacties met dubbele fotonen. In Göttingen ontmoette ze haar echtgenoot, de fysisch chemicus Joseph Mayer. Nadat zij haar doctoraal had behaald, verhuisde het echtpaar naar de VS, waar hij een baan kreeg aan de Johns Hopkins University in Baltimore. De regels van vriendjespolitiek verhinderden de universiteit haar als professor aan te stellen, zodat zij als vrijwilliger werkte en haar eigen onderzoek voortzette, dat voor het grootste deel betrekking had op de toepassing van de kwantummechanica op chemische problemen. In 1939 kwam zij in een soortgelijke situatie terecht toen haar man een baan kreeg aan de Columbia University. Maria Goeppert Mayer kreeg kantoorruimte, maar geen salaris. Aanvankelijk werkte zij aan berekeningen van eigenschappen van transuranen; later werkte zij met Harold Urey aan een fotochemische methode voor isotopenscheiding (de methode werd als onpraktisch opgegeven).

In 1946 verhuisden Maria Goeppert Mayer en haar man naar Chicago, waar zij halftijds werkzaam was aan het Instituut voor Nucleaire Studies van de Universiteit van Chicago en halftijds aan het Argonne National Laboratory. Hier begon zij samen te werken met Edward Teller aan een project om de oorsprong van de elementen te bepalen.

Het werk omvatte het maken van een lijst van isotopenabundanties. Tijdens het maken van deze lijst werd het Goeppert Mayer duidelijk dat kernen met 2, 8, 20, 28, 50, 82, of 126 protonen of neutronen bijzonder stabiel waren. (Deze getallen werden bekend als “magische getallen”, een term die bedacht zou zijn door Eugene Wigner, die enigszins sceptisch stond tegenover het schilmodel). Deze waarneming bracht haar ertoe een schilstructuur voor kernen te suggereren, analoog aan de schilstructuur van elektronen in atomen.

In het nucleaire schilmodel beweegt elk nucleon in een centrale potentiële put die door andere nucleonen wordt gecreëerd, net zoals de elektronen in een baan om een potentiële put draaien die door de kern wordt gecreëerd in het atomaire schilmodel. De banen vormen een reeks schillen van toenemende energie. Nuclei met volledig gevulde buitenste schillen zijn het meest stabiel.

Het feit dat nuclei met bepaalde aantallen nucleonen bijzonder stabiel waren, was in feite al eerder opgemerkt, maar natuurkundigen waren er zo zeker van dat een schillenmodel niet juist kon zijn, deels omdat een alternatief model, het vloeistofdruppelmodel, dat de kern behandelt als een homogene klodder, vrij succesvol was geweest in het verklaren van kernsplijting. Bovendien veronderstelden natuurkundigen dat de interacties tussen nucleonen te sterk zouden zijn om de kern accuraat te kunnen beschrijven met een schilmodel, dat nucleonen als onafhankelijke deeltjes behandelt. Goeppert Mayer, die een minder formele opleiding in de kernfysica had genoten, werd minder beïnvloed door het bewijs voor het vloeistofdruppelmodel.

Goeppert Mayer overwoog vervolgens andere nucleaire eigenschappen, en ontdekte dat deze allemaal wezen op meer steun voor magische getallen. In augustus 1948 werd haar eerste artikel met een samenvatting van het bewijs voor een schilmodel van de atoomkern gepubliceerd in Physical Review.

Hoewel Goeppert Mayer bewijs had verzameld voor het nucleaire schilmodel, kon zij aanvankelijk de specifieke volgorde van magische getallen niet verklaren. De standaard kwantummechanica en een eenvoudige centrale potentiaal konden de magische getallen hoger dan 20 niet verklaren.

Het sleutelinzicht kwam tot Goeppert Mayer toen Enrico Fermi haar toevallig vroeg of er enig bewijs was voor spin-orbit koppeling. Zij realiseerde zich onmiddellijk dat dit het antwoord was. Goeppert Mayer was nu in staat om energieniveaus en magische getallen te berekenen.

Toen zij haar artikel voor publicatie naar de Physical Review stuurde, werd zij zich bewust van een artikel van Hans Jensen en collega’s, die onafhankelijk van elkaar tot hetzelfde resultaat waren gekomen. Ze vroeg of haar artikel kon worden uitgesteld om te worden gepubliceerd in hetzelfde nummer als dat van hen, hoewel het hare uiteindelijk werd gepubliceerd in het nummer na dat van hen, in juni 1949.

Goeppert Mayer had Jensen op dat moment nog niet ontmoet, maar later ontmoetten de twee elkaar wel. Ze werden vrienden en medewerkers, en schreven samen een boek over het nucleaire schelpmodel. Jensen en Goeppert Mayer wonnen de Nobelprijs in 1963 voor hun werk aan het schillenmodel. Zij deelden de prijs met Eugene Wigner, voor niet verwant werk.

Maria Goeppert Mayer werd in 1960 benoemd tot hoogleraar aan de Universiteit van Californië, San Diego, maar kreeg kort daarna een beroerte. Zij herstelde nooit volledig en overleed in 1972.

Fysicageschiedenis

Deze maand in de geschiedenis van de fysica
APS Nieuwsarchieven

Historic Sites Initiative
Locaties en details van historische fysica-evenementen