August 1948: Maria Goeppert Mayer și modelul cochiliei nucleare

Maria Goeppert Mayer, care a făcut descoperiri importante despre structura nucleară, este una dintre cele doar două femei care au primit Premiul Nobel pentru fizică. Însă, la începutul carierei sale, a fost nevoită să petreacă mulți ani în posturi neplătite înainte de a obține o catedră de fizică. Cu toate acestea, ea a perseverat în cercetările sale. În august 1948, Goeppert Mayer a publicat prima sa lucrare în care detalia dovezile pentru modelul învelișului nuclear, care explică multe proprietăți ale nucleelor atomice.

Maria Goeppert s-a născut în 1906 în Kattowitz, care făcea parte din Germania la acea vreme. Când avea patru ani, familia ei s-a mutat la Göttingen, unde tatăl ei era profesor de pediatrie. De fapt, el a fost a șasea generație de profesori universitari din familie, iar Maria s-a mândrit mai târziu cu faptul că era a șaptea generație de academicieni. Tatăl ei a încurajat-o întotdeauna să crească și să devină mai mult decât o gospodină. Se presupunea că Maria va primi o educație și așa a făcut, chiar dacă era dificil pentru femei la acea vreme.

După ce a urmat școala publică și o academie pregătitoare pentru fete, în 1924 a intrat la Universitatea din Göttingen, unde la început intenționa să studieze matematică. Dar, după ce a participat la seminarul de mecanică cuantică al lui Max Born, s-a reorientat către fizică.

Și-a terminat doctoratul în 1930, cu o teză despre reacțiile cu fotoni dubli. În timp ce era la Göttingen, și-a întâlnit soțul, fizico-chimistul Joseph Mayer. După ce ea și-a terminat doctoratul, cuplul s-a mutat în SUA, unde el a obținut un loc de muncă la Universitatea Johns Hopkins din Baltimore. Regulile privind nepotismul au împiedicat universitatea să o angajeze ca profesor, așa că a lucrat ca voluntar, continuându-și propriile cercetări, care implicau în cea mai mare parte aplicarea mecanicii cuantice la probleme chimice. S-a confruntat cu o situație similară în 1939, când soțul ei a obținut un loc de muncă la Universitatea Columbia. Maria Goeppert Mayer a primit un spațiu de birou, dar niciun salariu. La început a lucrat la calculele privind proprietățile elementelor transuranice; mai târziu a lucrat cu Harold Urey la o metodă fotochimică de separare a izotopilor (metoda a fost abandonată ca fiind nepractică).

În 1946, Maria Goeppert Mayer și soțul ei s-au mutat la Chicago, unde a fost angajată cu jumătate de normă la Institutul de Studii Nucleare al Universității din Chicago și cu jumătate de normă la Laboratorul Național Argonne. Aici a început să lucreze cu Edward Teller la un proiect de determinare a originii elementelor.

Lucrarea presupunea crearea unei liste de abundențe izotopice. În timp ce făcea această listă, a devenit clar pentru Goeppert Mayer că nucleele cu 2, 8, 20, 28, 50, 82 sau 126 protoni sau neutroni erau deosebit de stabile. (Aceste numere au devenit cunoscute sub numele de „numere magice”, un termen despre care se crede că a fost inventat de Eugene Wigner, care era oarecum sceptic cu privire la modelul de cochilie). Această observație a determinat-o să sugereze o structură de cochilie pentru nuclee, analogă cu structura de cochilie a electronilor din atomi.

În modelul de cochilie nucleară, fiecare nucleon se mișcă într-un puț de potențial central creat de alți nucleoni, la fel cum electronii orbitează în jurul unui puț de potențial creat de nucleu în modelul de cochilie atomică. Orbitele formează o serie de învelișuri de energie crescândă. Nucleele cu învelișurile exterioare complet umplute sunt cele mai stabile.

Faptul că nucleele cu un anumit număr de nucleoni sunt deosebit de stabile fusese, de fapt, observat înainte, dar fizicienii erau atât de siguri că modelul învelișului nu poate fi corect, în parte pentru că un model alternativ, modelul picăturii lichide, care tratează nucleul ca pe o pată omogenă, a avut un succes destul de mare în explicarea fisiunii. În plus, fizicienii au presupus că interacțiunile dintre nucleoni ar fi prea puternice pentru ca nucleul să fie descris cu exactitate de un model de coajă, care tratează nucleonii ca particule independente. Goeppert Mayer, care avea o pregătire mai puțin formală în fizica nucleară, a fost mai puțin influențat de dovezile pentru modelul picăturii lichide.

Goeppert Mayer a luat apoi în considerare alte proprietăți nucleare și a constatat că toate acestea indicau mai mult sprijin pentru numerele magice. În august 1948, prima sa lucrare care rezuma dovezile pentru un model de coajă a nucleului a fost publicată în Physical Review.

Deși Goeppert Mayer a adunat dovezi pentru modelul de coajă nucleară, la început nu a putut explica secvența specifică a numerelor magice. Mecanica cuantică standard și un potențial central simplu nu puteau explica numerele magice mai mari de 20.

Principiul cheie i-a venit lui Goeppert Mayer atunci când Enrico Fermi a întrebat-o întâmplător dacă există vreo dovadă de cuplaj spin-orbită. Ea și-a dat seama imediat că acesta era răspunsul. Goeppert Mayer era acum capabilă să calculeze nivelurile de energie și numerele magice.

În timp ce își trimitea lucrarea la Physical Review pentru publicare, ea a luat cunoștință de o lucrare a lui Hans Jensen și a colegilor săi, care ajunseseră independent la același rezultat. Ea a cerut ca lucrarea ei să fie amânată pentru a fi publicată în același număr cu a lor, deși lucrarea ei a sfârșit prin a fi publicată în numărul de după a lor, în iunie 1949.

Goeppert Mayer nu l-a întâlnit pe Jensen la acea vreme, dar mai târziu cei doi s-au întâlnit. Au devenit prieteni și colaboratori și au scris împreună o carte despre modelul cochiliei nucleare. Jensen și Goeppert Mayer au câștigat Premiul Nobel în 1963 pentru activitatea lor privind modelul shell. Ei au împărțit premiul cu Eugene Wigner, pentru lucrări care nu au legătură între ele.

Maria Goeppert Mayer a fost numită profesor titular la Universitatea din California, San Diego, în 1960, dar a suferit un atac cerebral la scurt timp după aceea. Nu și-a revenit niciodată complet și a murit în 1972.

Istoria fizicii

This Month in Physics History
APS News Archives

Historic Sites Initiative
Localizări și detalii despre evenimente istorice din fizică

.