H Maria Goeppert Mayer και το πρότυπο φλοιών

Posted on 05/08/2014

0


… στην πυρηνική φυσική

Η Maria Goeppert Mayer έκανε σημαντικές ανακαλύψεις σχετικά με την πυρηνική δομή, και για τον λόγο αυτό είναι η μια από τις δυο γυναίκες που βραβεύθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής. Τον Αύγουστο του 1948, η Mayer δημοσίευσε την πρώτη της εργασία σχετικά με το πυρηνικό πρότυπο φλοιών, το οποίο προβλέπει πολλές ιδιότητες των πυρήνων των ατόμων.

Maria Goeppert Mayer

Maria Goeppert Mayer

Η Maria Goeppert γεννήθηκε στις 28 Ιουνίου του 1906 στην πόλη Kattowitz, που τότε ανήκε στη Γερμανία. Όταν έγινε τεσσάρων ετών η οικογένειά της μετακόμισε στο Göttingen, όπου ο πατέρας της ήταν καθηγητής της παιδιατρικής. Τελικά και η ίδια συνέχισε την ακαδημαϊκή παράδοση της οικογένειάς, και  μάλιστα ως εκπρόσωπος της έβδομης συνεχόμενης γενιάς από την πλευρά του πατέρα της, κάτι για το οποίο ήταν υπερήφανη.

Ο πατέρας της την παρότρυνε συνεχώς προς αυτή την κατεύθυνση, ώστε μεγαλώνοντας να μην γίνει μια απλή νοικοκυρά. Έτσι έλαβε την κατάλληλη εκπαίδευση, παρότι αυτό ήταν δύσκολο για τις γυναίκες εκείνη την εποχή, και το 1924 άρχισε τις σπουδές της στα Μαθηματικά στο πανεπιστήμιο του Göttingen. Όμως, όταν παρακολούθησε το σεμινάριο κβαντομηχανικής του Max Born, στράφηκε προς τη Φυσική. Και ίσως δεν θα μπορούσε να γίνει διαφορετικά δεδομένου ότι το Göttingen εθεωρείτο τότε ως η «χύτρα της κβαντομηχανικής».  Εκεί γνώρισε – εκτός από τους Max Born και James Franck που ήταν ήδη γνωστοί της οικογένειας Goeppert – τους Richard Courant, Hermann Weyl, Gustav Herglotz, Edmund Landau, Arthur Compton, Max Delbrueck, Paul A. M. Dirac, Enrico Fermi, Werner Heisenberg, John von Neumann, J. Robert Oppenheimer, Wolfgang Pauli, Linus Pauling, Leo Szilard, Edward Teller, Victor Weisskopf, αλλά και τον μετέπειτα σύζυγό της Joseph Mayer

Ολοκλήρωσε το διδακτορικό της το 1930, το οποίο είχε ως θέμα τις διπλές αντιδράσεις φωτονίων. Στη συνέχεια παντρεύτηκε τον φυσικό και χημικό Joseph Mayer και μετακόμισαν στις ΗΠΑ, σε μια άσχημη ομολογουμένως εποχή εξαιτίας της οικονομικής κρίσης του 1930.  Εκεί προσελήφθη (ο άντρας της) στο πανεπιστήμιο Johns Hopkins της Βαλτιμόρης. Οι κανόνες νεποτισμού εμπόδισαν την πρόσληψη της ίδιας ως καθηγήτρια και έτσι εργάστηκε εθελοντικά αμισθί, συνεχίζοντας την έρευνά της, κυρίως πάνω στις εφαρμογές της κβαντομηχανικής σε προβλήματα χημείας  – τα καλοκαίρια του 1931,32 και 33 επισκεπτόταν το Goettingen, όπου συνεργαζόταν με τον καθηγητή της Max Born.

Μια παρόμοια κατάσταση αντιμετώπισε όταν ο σύζυγός της διορίστηκε στο πανεπιστήμιο  Columbia. Στην Maria Goeppert Mayer δόθηκε ένα γραφείο για να εργάζεται – αλλά χωρίς μισθό. Αρχικά εργάστηκε πάνω στις ιδιότητες των υπερουράνιων στοιχείων και στη συνέχεια συνεργάστηκε με τον Harold Urey, στα πλαίσια του Manhattan Project, ερευνώντας μια φωτοχημική μέθοδο διαχωρισμού ισοτόπων (μια μέθοδο η οπαία τελικά εγκαταλείφθηκε ως μη πρακτική).

Τον Δεκέμβριο του 1941 της προσφέρθηκε για πρώτη φορά μια αμειβόμενη θέση διδασκαλίας στο Sarah Lawrence College, έστω ημι-απασχόλησης.

Το 1946 η Maria Goeppert Mayer και ο σύζυγός της μετακόμισαν στο Chicago, όπου εργάστηκε στο πανεπιστήμιο του Chicago, αλλά και στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne, συνεργαζόμενη με τον Edward Teller σε ένα πρόγραμμα που ως στόχο είχε τον προσδιορισμό της προέλευσης των στοιχείων. Σ’ αυτή την εργασία έπρεπε να δημιουργηθεί μια λίστα με τις αφθονίες των στοιχείων. Καθώς η Goeppert Mayer κατασκεύαζε αυτή τη λίστα συνειδητοποίησε ότι οι πυρήνες με 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 πρωτόνια ή νετρόνια ήταν ιδιαίτερα σταθεροί. (Αργότερα, οι αριθμοί αυτοί έγιναν γνωστοί ως «μαγικοί αριθμοί», όρος που επινόησε ο Eugene Wigner, καθώς ήταν επιφυλακτικός με το πρότυπο των φλοιών). Αυτή η παρατήρηση την οδήγησε στο να προτείνει μια δομή φλοιών για τον πυρήνα, κάτι ανάλογο με την δομή των φλοιών των ηλεκτρονίων γύρω από τα άτομα.

Στο πυρηνικό πρότυπο φλοιών, κάθε νουκλεόνιο κινείται υπό την επίδραση ενός κεντρικού πηγαδιού δυναμικού που δημιουργείται από τα άλλα νουκλεόνια, ακριβώς όπως τα ηλεκτρόνια κινούνται σε ένα πηγάδι δυναμικού που δημιουργεί ο πυρήνας στο ατομικό πρότυπο φλοιών. Οι τροχιές σχηματίζουν μια σειρά από φλοιούς αυξανόμενης ενέργειας. Οι πυρήνες που έχουν συμπληρώσει πλήρως τους εξωτερικούς φλοιούς είναι πιο σταθεροί.

Το γεγονός ότι πυρήνες με συγκεκριμένο αριθμό νουκλεονίων ήταν ιδιαίτερα σταθεροί είχε παρατηρηθεί ήδη, αλλά οι φυσικοί δεν πίστευαν σε ένα μοντέλο φλοιών, εν μέρει επειδή το εναλλακτικό πρότυπο της υγρής σταγόνας ερμήνευε με επιτυχία την σχάση. Επιπλέον, οι φυσικοί υπέθεταν ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των νουκλεονίων στον πυρήνα ήταν αρκετά ισχυρές για να περιγραφούν με ακρίβεια από ένα πρότυπο φλοιών, βάσει του οποίου τα νουκλεόνια θεωρούνταν ανεξάρτητα σωματίδια. Η Goeppert Mayer, χωρίς εξειδίκευση στην πυρηνική φυσική, δεν ήταν επηρεασμένη από το κυρίαρχο πρότυπο της υγρής σταγόνας

Έτσι, εξέτασε κι άλλες πυρηνικές ιδιότητες βρίσκοντας ότι αυτές στηρίζουν τους μαγικούς αριθμούς. Τον Αύγουστο του 1948, στην πρώτη δημοσίευσή της στο Physical Review (On Closed Shells in Nuclei), συνόψιζε όλα τα επιχειρήματα για ένα πρότυπο φλοιών του πυρήνα. Αν και η Mayer είχε συλλέξει επιχειρήματα για το πυρηνικό πρότυπο φλοιών, αρχικά δεν μπορούσε να εξηγήσει την ακολουθία των μαγικών αριθμών. Η τυπική κβαντομηχανική και ένα απλό κεντρικό δυναμικό δεν μπορούσε να εξηγήσει τους μαγικούς αριθμούς μεγαλύτερους από το 20.

Maria Goeppert MayerΗ έμπνευση-κλειδί ήρθε στην Goeppert Mayer, όταν ο Enrico Fermi έτυχε να την ρωτήσει αν είχε κάποιο στοιχείο για την σύζευξη σπιν-τροχιάς. Τότε κατάλαβε πως αυτό ήταν η απάντηση. Η Mayer ήταν πλέον σε θέση να υπολογίσει τις ενεργειακές στάθμες και τους μαγικούς αριθμούς.

Καθώς είχε στείλει την εργασία της στο Physical Review (On Closed Shells in Nuclei. II) προς δημοσίευση, έμαθε ότι μια παρόμοια εργασία του Hans Jensen και των συνεργατών του κατέληγε στα ίδια συμπεράσματα. Η εργασία των Jensen et al δημοσιεύθηκε επίσης στο Physical Review.

Αργότερα η Goeppert Mayer συναντήθηκε με τον Jensen, έγιναν φίλοι και συνεργάτες, και έγραψαν ένα βιβλίο μαζί για το πυρηνικό πρότυπο φλοιών. Το 1963 Mayer και Jensen μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ φυσικής με τον Eugene Wigner, οι μεν για το πρότυπο των φλοιών και ο Wigner για την συνεισφορά του στη θεωρία του ατομικού πυρήνα και των στοιχειωδών σωματίων και την έρευνα σχετικά με τις θεμελιώδεις αρχές συμμετρίας.

Η Maria Goeppert Mayer διορίστηκε καθηγήτρια στο πανεπιστήμιο του San Diego στην California, το 1960. Όμως υπέστη εγκεφαλικό επεισόδιο αμέσως μετά. Ποτέ δεν επανήλθε πλήρως και πέθανε στις 20 Φεβρουαρίου 1972.

Πηγές: www.aps.org – www.physics.ucla.edu

Ετικέτα: