Augusti 1948: Maria Goeppert Mayer and the Nuclear Shell Model

Maria Goeppert Mayer, som gjorde viktiga upptäckter om kärnans struktur, är en av endast två kvinnor som har fått Nobelpriset i fysik. Men under sin tidiga karriär tvingades hon tillbringa många år på obetalda tjänster innan hon kunde få en professur i fysik. Trots detta framhärdade hon i sin forskning. I augusti 1948 publicerade Goeppert Mayer sin första artikel där hon redogjorde för bevisen för kärnskalsmodellen, som förklarar många egenskaper hos atomkärnor.

Maria Goeppert föddes 1906 i Kattowitz, som då var en del av Tyskland. När hon var fyra år gammal flyttade familjen till Göttingen, där hennes far var professor i pediatrik. I själva verket var han den sjätte generationens universitetsprofessor i familjen, och Maria var senare stolt över att vara den sjunde generationens akademiker. Hennes far uppmuntrade henne alltid att växa upp och bli mer än en hemmafru. Det antogs att Maria skulle skaffa sig en utbildning, och det gjorde hon också, även om det var svårt för kvinnor vid den tiden.

Efter att ha gått i en offentlig skola och en högskoleförberedande akademi för flickor började hon 1924 vid universitetet i Göttingen, där hon till en början hade för avsikt att studera matematik. Men efter att ha deltagit i Max Borns seminarium om kvantmekanik bytte hon inriktning till fysik.

Hon disputerade 1930 med en avhandling om dubbelfotonreaktioner. Under sin tid i Göttingen träffade hon sin make, fysikalisk kemist Joseph Mayer. Efter att hon hade disputerat flyttade paret till USA, där han fick jobb vid Johns Hopkins University i Baltimore. Reglerna om nepotism hindrade universitetet från att anställa henne som professor, så hon arbetade som volontär och fortsatte sin egen forskning, som till största delen handlade om att tillämpa kvantmekanik på kemiska problem. Hon råkade ut för en liknande situation 1939 när hennes man fick jobb vid Columbia University. Maria Goeppert Mayer fick kontorsutrymme, men ingen lön. Till en början arbetade hon med beräkningar av egenskaper hos transuraner; senare arbetade hon tillsammans med Harold Urey med en fotokemisk metod för isotopseparation (metoden övergavs som opraktisk).

År 1946 flyttade Maria Goeppert Mayer och hennes man till Chicago, där hon var anställd på halvtid vid Chicagos universitet, Institute for Nuclear Studies, och på halvtid vid Argonne National Laboratory. Här började hon samarbeta med Edward Teller i ett projekt för att fastställa grundämnenas ursprung.

Arbetet innebar att skapa en förteckning över isotopernas abundans. När Goeppert Mayer gjorde denna lista blev det tydligt för henne att kärnor med 2, 8, 20, 28, 50, 82 eller 126 protoner eller neutroner var särskilt stabila. (Dessa tal blev kända som ”magiska tal”, en term som tros ha myntats av Eugene Wigner, som var något skeptisk till skalmodellen). Denna observation fick henne att föreslå en skalstruktur för atomkärnor, analogt med elektronernas skalstruktur i atomer.

I den nukleära skalmodellen rör sig varje nukleon i en central potentialbrunn som skapats av andra nukleoner, på samma sätt som elektronerna kretsar kring en potentialbrunn som skapats av kärnan i den atomära skalmodellen. Banorna bildar en serie skal med ökande energi. Kärnor med helt fyllda yttre skal är mest stabila.

Det faktum att kärnor med ett visst antal nukleoner var särskilt stabila hade faktiskt uppmärksammats tidigare, men fysikerna var så säkra på att en skalmodell inte kunde vara korrekt, delvis på grund av att en alternativ modell, vätskedroppsmodellen, som behandlar kärnan som en homogen klump, hade varit ganska framgångsrik när det gällde att förklara klyvning. Dessutom antog fysikerna att växelverkan mellan nukleoner skulle vara för stark för att kärnan skulle kunna beskrivas korrekt av en skalmodell, som behandlar nukleoner som oberoende partiklar. Goeppert Mayer, som hade mindre formell utbildning i kärnfysik, var mindre fördomsfull inför bevisen för vätskedroppsmodellen.

Goeppert Mayer övervägde sedan andra kärntekniska egenskaper och fann att de alla pekade på mer stöd för magiska tal. I augusti 1948 publicerades hennes första artikel som sammanfattade bevisen för en skalmodell av kärnan i Physical Review.

Och även om Goeppert Mayer hade samlat bevis för kärnans skalmodell kunde hon till en början inte förklara den specifika sekvensen av magiska nummer. Standardkvantmekanik och en enkel centralpotential kunde inte förklara de magiska talen högre än 20.

Den avgörande insikten fick Goeppert Mayer när Enrico Fermi råkade fråga henne om det fanns några bevis för spin-orbitkoppling. Hon insåg genast att detta var svaret. Goeppert Mayer kunde nu beräkna energinivåer och magiska tal.

När hon skickade sin artikel till Physical Review för publicering fick hon kännedom om en artikel av Hans Jensen och kollegor, som oberoende av varandra hade kommit fram till samma resultat. Hon bad att hennes artikel skulle skjutas upp för att publiceras i samma nummer som deras, även om hennes artikel till slut publicerades i numret efter deras, i juni 1949.

Goeppert Mayer hade inte träffat Jensen vid den tidpunkten, men senare träffades de två. De blev vänner och medarbetare och skrev tillsammans en bok om den nukleära skalmodellen. Jensen och Goeppert Mayer fick Nobelpriset 1963 för sitt arbete med skalmodellen. De delade priset med Eugene Wigner, för arbete utan anknytning till detta.

Maria Goeppert Mayer utsågs 1960 till ordinarie professor vid University of California, San Diego, men drabbades kort därefter av en stroke. Hon återhämtade sig aldrig helt och dog 1972.

Fysikhistoria

Denna månad i fysikens historia
APS-nyhetsarkiv

Initiativ för historiska platser
Lokaliseringar och uppgifter om historiska fysikhändelser

.