Sierpień 1948 r: Maria Goeppert Mayer and the Nuclear Shell Model

Maria Goeppert Mayer, która dokonała ważnych odkryć dotyczących struktury jądra atomowego, jest jedną z zaledwie dwóch kobiet, które otrzymały Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Jednak na początku swojej kariery była zmuszona spędzić wiele lat na niepłatnych stanowiskach, zanim udało jej się uzyskać tytuł profesora fizyki. Mimo to wytrwale prowadziła swoje badania. W sierpniu 1948 r. Goeppert Mayer opublikowała swoją pierwszą pracę, w której szczegółowo przedstawiła dowody na istnienie modelu powłoki jądrowej, który wyjaśnia wiele właściwości jąder atomowych.

Maria Goeppert urodziła się w 1906 r. w Kattowitz, które w tym czasie było częścią Niemiec. Kiedy miała cztery lata, jej rodzina przeniosła się do Getyngi, gdzie jej ojciec był profesorem pediatrii. W rzeczywistości był on profesorem uniwersyteckim w szóstym pokoleniu rodziny, a Maria była później dumna z tego, że jest pracownikiem naukowym w siódmym pokoleniu. Ojciec zawsze zachęcał ją, by wyrosła na kogoś więcej niż tylko na gospodynię domową. Zakładano, że Maria zdobędzie wykształcenie, i tak też zrobiła, mimo że w tamtych czasach było to trudne dla kobiet.

Po uczęszczaniu do szkoły publicznej i akademii przygotowującej do studiów dla dziewcząt, w 1924 roku wstąpiła na Uniwersytet w Getyndze, gdzie początkowo zamierzała studiować matematykę. Ale po uczęszczaniu na seminarium Maxa Borna z mechaniki kwantowej, zmieniła kierunek na fizykę.

Ukończyła studia doktoranckie w 1930 roku, z pracą na temat reakcji podwójnych fotonów. Podczas studiów w Getyndze poznała swojego męża, chemika fizycznego Josepha Mayera. Po ukończeniu studiów doktoranckich para przeniosła się do USA, gdzie on dostał pracę na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa w Baltimore. Zasady nepotyzmu nie pozwoliły uczelni zatrudnić jej na stanowisku profesora, więc pracowała jako wolontariuszka, kontynuując własne badania, z których większość dotyczyła zastosowania mechaniki kwantowej do problemów chemicznych. Podobna sytuacja spotkała ją w 1939 r., gdy jej mąż dostał pracę na Uniwersytecie Columbia. Maria Goeppert Mayer dostała miejsce w biurze, ale bez wynagrodzenia. Początkowo zajmowała się obliczeniami właściwości pierwiastków transuranowych; później pracowała z Haroldem Ureyem nad fotochemiczną metodą rozdzielania izotopów (metoda ta została zarzucona jako niepraktyczna).

W 1946 roku Maria Goeppert Mayer wraz z mężem przeprowadziła się do Chicago, gdzie została zatrudniona na pół etatu w Instytucie Badań Jądrowych Uniwersytetu Chicagowskiego i na pół etatu w Argonne National Laboratory. Tutaj rozpoczęła współpracę z Edwardem Tellerem nad projektem mającym na celu ustalenie pochodzenia pierwiastków.

Praca obejmowała stworzenie listy obfitości izotopów. Podczas tworzenia tej listy stało się jasne dla Goeppert Mayer, że jądra z 2, 8, 20, 28, 50, 82 lub 126 protonami lub neutronami są szczególnie stabilne. (Liczby te stały się znane jako „magiczne liczby”, termin ten, jak się uważa, został stworzony przez Eugene’a Wignera, który był nieco sceptyczny wobec modelu powłokowego). Ta obserwacja doprowadziła ją do zaproponowania struktury powłokowej dla jąder, analogicznej do struktury powłokowej elektronów w atomach.

W modelu powłokowym każdy nukleon porusza się w centralnej studni potencjału utworzonej przez inne nukleony, podobnie jak elektrony krążą wokół studni potencjału utworzonej przez jądro w modelu powłokowym atomu. Orbity te tworzą serię powłok o rosnącej energii. Jądra z całkowicie wypełnionymi zewnętrznymi powłokami są najbardziej stabilne.

Fakt, że jądra z pewną liczbą nukleonów były szczególnie stabilne został zauważony wcześniej, ale fizycy byli tak pewni, że model powłokowy nie mógł być poprawny, częściowo dlatego, że alternatywny model, model kropli cieczy, który traktuje jądro jako jednorodną bryłę, był całkiem udany w wyjaśnianiu rozszczepienia. Ponadto fizycy zakładali, że oddziaływania pomiędzy nukleonami będą zbyt silne, aby jądro mogło być dokładnie opisane przez model powłokowy, który traktuje nukleony jako niezależne cząstki. Goeppert Mayer, która miała mniejsze formalne wykształcenie w dziedzinie fizyki jądrowej, była mniej uprzedzona do dowodów na rzecz modelu kropli cieczy.

Goeppert Mayer rozważyła następnie inne właściwości jądrowe i stwierdziła, że wszystkie one wskazują na większe poparcie dla magicznych liczb. W sierpniu 1948 roku jej pierwsza praca podsumowująca dowody na model powłokowy jądra została opublikowana w Physical Review.

Ale Goeppert Mayer zebrała dowody na model powłokowy jądra, początkowo nie potrafiła wyjaśnić specyficznej sekwencji magicznych liczb. Standardowa mechanika kwantowa i prosty potencjał centralny nie mogły wyjaśnić magicznych liczb wyższych niż 20.

Kluczowe spostrzeżenie przyszło do Goeppert Mayer, gdy Enrico Fermi zapytał ją, czy są jakieś dowody na istnienie sprzężenia spin-orbita. Ona natychmiast uświadamiać sobie to być the odpowiedź. Goeppert Mayer była teraz w stanie obliczyć poziomy energetyczne i magiczne liczby.

Jak wysyłała swoją pracę do Physical Review w celu publikacji, dowiedziała się o pracy Hansa Jensena i kolegów, którzy niezależnie doszli do tego samego wyniku. Poprosiła, aby jej praca została opóźniona i opublikowana w tym samym numerze, co ich praca, ale w końcu jej praca została opublikowana w numerze po ich pracy, w czerwcu 1949 roku.

Goeppert Mayer nie spotkał Jensena w tym czasie, ale później obaj się spotkali. Zostali przyjaciółmi i współpracownikami, napisali też razem książkę o modelu powłoki jądrowej. Jensen i Goeppert Mayer otrzymali Nagrodę Nobla w 1963 r. za pracę nad modelem powłokowym. Dzielili nagrodę z Eugene Wigner, dla niepowiązanych work.

Maria Goeppert Mayer został powołany do pełnej profesury na University of California, San Diego w 1960 roku, ale doznał udaru wkrótce potem. Nigdy w pełni nie odzyskała zdrowia i zmarła w 1972 roku.

Historia fizyki

This Month in Physics History
APS News Archives

Historic Sites Initiative
Lokalizacje i szczegóły historycznych wydarzeń z dziedziny fizyki

.