Portret Marii Goeppert-Mayer | domena publiczna, Wikimedia Commons
| Weronika Cygan |
Za swój model powłokowego jądra atomowego w 1963 roku otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Przy okazji przylgnął też do niej przydomek „Cebulowej Madonny”.
Pochodzeniu z inteligenckiej rodziny zawdzięczała wykształcenie, do którego w czasach, gdy żyła dostęp miało niewiele kobiet. Pomimo tego jej ścieżka edukacyjna nie należała do łatwych.
– Z innymi badaczkami tych czasów łączy ją fakt wywodzenia się ze środowiska, gdzie ceniło się również edukację dziewcząt. Ojciec Marii Goeppert-Mayer był w szóstym pokoleniu profesorem. Matka – nauczycielka francuskiego – także dorastała w rodzinie ceniącej wykształcenie – mówi dr hab. Elżbieta Stephan, prof. UŚ z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
Trudne początki
Urodzona 28 czerwca 1906 roku w Katowicach noblistka dość szybko przeniosła się z rodzicami do Getyngi. Już jako czterolatka nasiąknęła akademicką atmosferą – jej ojciec otrzymał posadę na tamtejszym uniwersytecie. W niemieckim mieście zdała maturę, a następnie podjęła studia matematyczne, by po trzech latach przerzucić się na fizykę kwantową. Wówczas Uniwersytet w Getyndze cieszył się wyjątkową renomą jako centrum badań nad tą szybko rozkwitającą dziedziną. Promotorem obronionej w 1930 roku przez katowiczankę pracy doktorskiej był sam Max Born.
Krótko po zdobyciu dyplomu Maria Goeppert-Mayer udała się do Stanów Zjednoczonych – ojczyzny niedawno poślubionego przez nią chemika Josepha Edwarda Mayera.
– Wyjechała z nadzieją, że tam będzie miała większe szanse na rozwój i karierę naukową. Niestety bardzo się zawiodła, ponieważ zasady na uniwersytetach amerykańskich zabraniały zatrudniania współmałżonków. Początek jej kariery to sztafeta wolontariatów i różnych prac zleconych. Niemniej cały czas starała się mieć kontakt ze środowiskiem naukowym – tłumaczy prof. Elżbieta Stephan.
Przełomem w karierze przyszłej noblistki było włączenie jej do prac nad projektem amerykańskiej broni atomowej w programie Manhattan. Po wojnie została wreszcie po raz pierwszy formalnie zatrudniona. Dzięki temu mogła podjąć się działań, które ostatecznie doprowadziły ją do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.
Maria Goeppert-Mayer w czasie ceremonii wręczenia Nagrody Nobla (z królem Gustawem Adolfem) | domena publiczna, Wikimedia Commons
Magia liczb
„Za odkrycia związane z powłokowym modelem jąder atomowych” – tak brzmiało uzasadnienie Komitetu Noblowskiego, przyznającego Marii Goeppert-Mayer oraz J. Hansowi D. Jensenowi medal za równoległą pracę nad tym samym zagadnieniem.
– Żeby zrozumieć wagę odkrycia trzeba sobie uzmysłowić, na jakim etapie rozwoju była fizyka jądrowa, w momencie gdy Maria Goeppert-Mayer podjęła swoje badania – mówi fizyczka z UŚ. Znano już wówczas skład jądra atomowego złożonego z nukleonów (protonów i neutronów), całkiem dobrze orientowano się też w charakterze odziaływania jądrowego. Znanych było wiele jąder i ich własności takich jak masa, ładunek czy energia wiązania. Wciąż jednak nie dysponowano wystarczającą wiedzą na temat tego, jak skonstruowane jest jądro atomu. W dotychczasowych koncepcjach brakowało kilku puzzli lub nie pasowały do siebie. Katowiczance udało się znaleźć niezbędny element układanki.
Sekret krył się w powłokach oraz liczbach magicznych – własnościach silnie związanych jąder atomowych o określonej liczbie protonów lub neutronów. Przez długi czas regularność tych liczb pozostawała niezrozumiana. Dopiero opisany przez noblistkę model powłokowy wyjaśnił znaczenie liczb magicznych i pozwolił zrozumieć, jak przekładają się one na własności jąder.
Warto zaznaczyć, że opisanych przez Marię Goeppert-Mayer powłok nie należy mylić ze znajdującymi się wokół jądra powłokami elektronowymi. Te ostatnie są znacznie większych rozmiarów i ich zapełnienie przez elektrony determinuje własności chemiczne atomów. Powłoki jądrowe tworzą samo jądro – gdyby wielkość atomu przyrównać do stadionu piłkarskiego, to jądro byłoby mniej więcej rozmiarów cebuli. W obu przypadkach uporządkowanie wywodzi się z zakazu Pauliego, zabraniającego dwóm cząstkom (elektronom, protonom, neutronom) zajmowania tego samego stanu.
Cebulowe jądro atomowe
O ile w ramach pewnego uproszczenia zdarza się budowę atomu porównywać do Układu Słonecznego – z centralnym Słońcem (jądrem atomowym) i okalającymi go planetami (elektronami) – o tyle w przypadku powłokowego modelu samego jądra atomowego byłoby to porównanie zbyt daleko idące. Jądro nie posiada bowiem swojego „Słońca” w centrum, gdyż tworzą je równoprawne sobie protony i neutrony.
– Chcąc to intuicyjnie wytłumaczyć Maria Goeppert-Mayer wprowadziła porównanie do cebuli. Wielu pewnie kojarzy taką analogię z filmu „Shrek”, w którym mowa o tym, że ogry mają warstwy tak samo jak cebula, ale można ją zastosować również do jądra atomowego, które całe jest zbudowane z powłok, wypełnionych osobno przez protony i neutrony. Kwantowo-mechaniczny opis tego modelu wymagał wiedzy i z dziedziny matematyki, i z fizyki kwantowej, więc przygotowanie noblistki podczas studiów oraz jej umiejętności w tym zakresie miały kluczowe znaczenie – wyjaśnia prof. Elżbieta Stephan.
Ponadto, w trakcie swoich prac noblistka zauważyła, iż przewidywane przez model powłokowy wartości liczb magicznych nie zgadzają się z danymi pozyskanymi w wyniku eksperymentów. To drugie ważne odkrycie ostatecznie doprowadziło ją do zrozumienia struktury jądra atomowego.
W zaproponowanym przez siebie modelu jądra atomowego Maria Goeppert-Mayer dodatkowo wprowadziła sprzężenie spinu nukleonu z jego ruchem orbitalnym na danej powłoce. – Pozwoliło to odtworzyć liczby magiczne i ostatecznie przyczyniło się do sukcesu modelu powłokowego. To było absolutnym przełomem. Od tego momentu fizyka jądrowa wiedziała, czym jest oraz jak działa obiekt, którym się zajmuje. Można było na podstawie liczby nukleonów określonego rodzaju przewidywać własności jąder – podsumowuje ekspertka z UŚ.
Mural Marii Goeppert-Mayer na ścianie budynku rektoratu UŚ w Katowicach | fot. Weronika Cygan
Żywa spuścizna
Powłokowy model jądra zaproponowany przez katowiczankę do dziś obowiązuje w fizyce i jest stale rozwijany przez kolejne pokolenia naukowców. Kolejnym kamieniem milowym w tej historii był wręczony w 1975 roku Nobel, tym razem za uzupełnienie koncepcji Marii Goeppert-Mayer o nową jakość. Wyróżnienie otrzymało trzech fizyków: Aage Niels Bohr, Benjamin Mottelson i James Rainwater. Uwzględnili oni istnienie jąder zdeformowanych. Panowie zwrócili uwagę na tzw. ruchy kolektywne, gdy pewne nukleony razem ulegają wzbudzeniom, powodując drganie powierzchni jądra. Model kolektywny uzupełnił model powłokowy, lepiej opisując własności dużych jąder odległych od „liczb magicznych”.
Koncepcja opracowana ponad 70 lat temu (zaproponowana w czasopiśmie Physical Review 78 z 1950 roku) przez urodzoną w Katowicach badaczkę wciąż pozwala tworzyć nowe teorie fizyczne. Nieustannie poszukiwane są kolejne liczby magiczne oraz ciężkie jądra atomowe.
– Fizycy spodziewają się, że jest jeszcze jakaś wyspa stabilności i wokół kolejnej liczby magicznej grupują się jądra, które będą żyły nie tylko przez mikrosekundy, sekundy czy minuty, ale przez lata. Odkrycie takich jąder byłoby pięknym zwieńczeniem modelu powłokowego – twierdzi prof. Elżbieta Stephan.
Maria Goeppert-Mayer udzielała się również poza nauką, uczestnicząc aktywnie w sferze społecznej. Mocno wyrażała swój sprzeciw wobec rozprzestrzeniania broni jądrowej. Zmarła niespełna dziesięć lat po odebraniu noblowskiego medalu na skutek zawału serca.
W 2023 roku upływa równe 60 lat od wręczenia fizyczce Nagrody Nobla.
Źródła
- Laureaci Nagrody Nobla urodzeni na Śląsku. Wszechnica Górnośląskiego Towarzystwa Przyjaciół Nauk im. W. Roździeńskiego w Katowicach, 2000
- Hanel S., Maria Goeppert-Mayer – the ‘magic numbers’ champion [dostęp: 27.06.2023]