Udforskning af den nukleare verden: Gertrude Scharff-Goldhabers liv og videnskab

Nogle mennesker ved fra en ung alder, at de gerne vil være videnskabsmand, og at de – med tilstrækkelig evne og indsats – kan nå det mål. Gertrude Scharff (Scharff-Goldhaber efter hun giftede sig) følte det tidlige kald. Og selvom hun havde evnen til at opfylde det, havde hendes vej til videnskabelig succes mere end sin andel af personlige strabadser og professionelle forhindringer.

Hun blev født i en tysk-jødisk familie den 14. juli 1911 og gennemlevede første verdenskrig, efterkrigstidens omvæltninger i Tyskland og Hitlers opståen. Efter at have opnået sin ph.d. i fysik fra universitetet i München søgte hun ind i et erhverv domineret af mænd. Da hun flygtede fra nazismen, stod hun over for vanskeligheder som immigrant til Storbritannien. Og da hun forsøgte at bygge et nyt liv i USA sammen med sin fysiker-mand, kæmpede hun stadig for at finde videnskabelig beskæftigelse, da nepotismens stive regler forpurrede hendes karriere.

Alligevel holdt hun ud og etablerede sig som en højt respekteret atomfysiker, en af ​​de få pionerkvinder i det område. Hendes forskning fremmede forståelsen af ​​nuklear fission og bidrog til teorien om nuklear struktur. Hendes arbejde blev anerkendt i 1972, da hun kun blev den tredje kvindelige fysiker valgt til National Academy of Sciences. Hun er også godt husket som en fortaler for kvinder i videnskaben, for at opmuntre unge videnskabsmænd og for at kæmpe for naturvidenskabelige uddannelser.

Ildevarslende tider, fremragende elev

Kendt som Trude af sine venner og familie, var Scharffs første år i Tyskland turbulente år, der omfattede Første Verdenskrig, politisk uro og økonomisk ødelæggende hyperinflation efter landets nederlag i 1918. I en alder af otte så hun kommunistiske revolutionære blive slagtet af militær i Münchens gader, hvor hendes familie boede. Senere kunne hun huske, at hun skulle spise brød fyldt med savsmuld. Uroen fortsatte, med ildevarslende forvarsler for tyske jøder, da Hitler kom til magten i 1933.

Midt i alt dette opnåede Scharff en værdig uddannelse. Ifølge en erindringsbog af hendes søn Michael, gik hun på en elitegymnasium for piger. Hun var en fremragende studerende og udviklede en interesse for fysik. Hendes far havde håbet, at hun ville læse jura for at forberede sig til at lede familievirksomheden, men hun var mere opsat på at "forstå, hvad verden er lavet af", som hun senere udtrykte det.

På vej mod sit mål gik Scharff ind på universitetet i München i 1930. Hendes uddannelse kulminerede med at arbejde hen imod en fysik-ph.d. under Walther Gerlach, af den berømte Stern-Gerlach-eksperiment, der i 1922 etablerede eksistensen af ​​kvantiseret spin i et magnetfelt. Hendes forskning i kondenseret stof fysik beskæftigede sig med ferromagnetisme.

Men udefrakommende begivenheder ændrede fuldstændig hendes planer og hendes liv. Da nazismen spredte sig, fandt Scharff sig udstødt af kolleger, og tyske jøder begyndte at flygte fra landet. Hun var dog godt med i sin forskning. Som hun fortalte en interviewer i 1990: "Jeg skulle være gået tidligere. Men da jeg var begyndt på mit speciale, følte jeg, at jeg skulle blive færdig.”

Hun blev færdig i 1935, men hun skar det meget tæt på. Det var året, hvor Nürnberg-lovene blev vedtaget, der først definerede jøder og senere roma- og sorte tyskere som "underordnede racer" og "statens fjender". De blev reelt udelukket fra det tyske samfund og stod over for hårde straffe for at overtræde lovene. Antisemitisk vold voksede, og Scharffs forældre omkom senere i Holocaust.

Han var klar over, at det helt sikkert var på tide at flygte fra Tyskland, og Scharff skrev til 35 flygtningeforskere, der søgte en stilling et andet sted. Næsten alle sagde til hende, at hun ikke skulle komme, fordi der allerede var en overflod af flygtningeforskere – bortset fra Maurice Goldhaber, en ung østrigsk-jødisk fysiker, hun havde mødt i Tyskland. Da han arbejdede på en ph.d.-grad ved University of Cambridge under Ernest Rutherford, mente han, at der kunne være muligheder i England. Da Scharff flyttede til London, levede Scharff i seks måneder ved at sælge en værdifuld besiddelse, der var en del af hendes bryllupsbukse – et Leica-kamera, kendt for sin fine optik – og oversætte artikler fra tysk til engelsk. Derefter arbejdede hun på Imperial College London under George Thomson og studerede elektrondiffraktion (i 1937 delte han Nobelprisen med Clinton Davisson for at opdage effekten i krystaller), men fandt aldrig en uafhængig forskerstilling.

I 1939 forbedredes hendes udsigter. Scharff giftede sig med Goldhaber og blev Scharff-Goldhaber, og parret flyttede til USA. Goldhaber havde en fakultetsstilling ved University of Illinois-Urbana, men Scharff-Goldhaber kunne ikke blive en fuldgyldig akademisk videnskabsmand, fordi anti-nepotisme love i Illinois ikke tillod universitetet at ansætte hende. Hun kunne kun forske som ulønnet assistent i sin mands laboratorium. Dette flyttede hende fra fysik af kondenseret stof til hans felt af kernefysik. Scharff-Goldhabers papirer i 1940'erne fremstillet under disse omstændigheder viser, at hun klarede overgangen glimrende - men hun nåede aldrig fuld fakultetsstatus i Illinois.

Et nyt laboratorium på Long Island

Først i 1950 fandt Scharff-Goldhaber og hendes mand sammen et sandt forskningshjem, på det nye Brookhaven National Laboratory (BNL), som var blevet grundlagt tre år tidligere. I dag er et amerikansk energiministerium, laboratoriets oprindelige mandat var at søge fredelig anvendelse af atomenergi. Dens videnskabelige indsats har siden diversificeret sig, men nuklear og højenergifysik forbliver en del af dens forskningsaktiviteter.

Hendes udnævnelse gjorde Scharff-Goldhaber til den første kvindelige fysiker ved BNL, og 15 år efter at have opnået sin grad, blev hun endelig betalt som professionel forsker. Alligevel opererede hun i en atmosfære, som hendes søn Michael beskriver som kun "modvilligt accepterende". Goldhaber blev ansat som "senior videnskabsmand" og drev sin egen forskningsgruppe, men Scharff-Goldhaber blev rangeret blot som en videnskabsmand i sin gruppe. (Goldhaber ville til sidst stige til direktør for laboratoriet 1961-1973, og Scharff-Goldhaber til senior videnskabsmand.)

Som den eneste kvinde med professionel videnskabelig status ved BNL havde Scharff-Goldhaber ingen kvindelige videnskabelige jævnaldrende. De fleste kvinder tilknyttet laboratoriet var mandlige videnskabsmænds ikke-arbejdende koner, som i 1950'erne udfyldte traditionelle roller. Med to børn, Michael og Alfred, havde Scharff-Goldhaber lignende opgaver; men ved sociale arrangementer var hun mere tilbøjelig til at tale fysik med mændene end at diskutere børnepasning med kvinderne. Inden for dette mandlige miljø dannede hun gode relationer til sine kolleger og med støttepersonalet, der producerede de isotoper, hun havde brug for til sin forskning ved BNL-reaktoren eller Van de Graaff-acceleratoren.

Fission og et fundamentalt eksperiment

Bortset fra perioden i 1930'erne, hvor hun stadig forsøgte at blive selvstændig videnskabsmand, opretholdt Scharff-Goldhaber et højt tempo i forskning og udgivelse, mens hun opfyldte familieforpligtelser. I 1936 udgav hun "The effect of stress on the magnetization above the Curie point" fra sit speciale. Hendes næste sæt papirer begyndte fire år senere, da hun skiftede til kernefysik i 1940 i Illinois, og hun skrev over et dusin mere, indtil hun var fuldt ud afviklet på BNL. I løbet af de næste 30 år udgav hun omkring 60 artikler mere, for det meste i Fysisk gennemgang, og bidrag til konferencehandlinger.

Leo Szilard: fysikeren, der forestillede sig atomvåben, men senere modsatte sig deres brug

Adskillige af de papirer, der stammer fra hendes arbejde i Illinois i 1940'erne, er særligt bemærkelsesværdige, herunder en, der vedrørte spontan nuklear fission. I 1938 havde Lise Meitner og Otto Frisch fundet ud af, at en urankerne bombarderet med neutroner kunne dele sig i to og frigive meget energi. Hvis neutroninduceret fission kunne gøres selvbærende, kunne det producere et enormt destruktivt våben. Med krig truende undersøgte europæiske og amerikanske fysikere selvopretholdende fission i håb om, at nazisterne ikke ville finde svaret først.

I 1942 viste Scharff-Goldhaber direkte, tilsyneladende for første gang, at uran, der undergik spontan fission, frigjorde neutroner sammen med energi. Disse neutroner kunne aktivere flere kerner og mere energi - en kaskadende kædereaktion, der kunne blive en atomeksplosion. Data som disse var afgørende for at opnå verdens første selvbærende kontrollerede atomreaktion i 1942, da atombomben blev bygget af Manhattan-projektet. Scharff-Goldhaberne var endnu ikke amerikanske statsborgere og var derfor ikke en del af projektet, men hendes resultat blev hemmeligt cirkuleret til relevante videnskabsmænd og blev offentliggjort efter krigen (Phys. Rev. 70 229).

I et separat papir udgivet i 1948 (Phys. Rev. 73 1472), svarede Scharff-Goldhaberne sammen på et grundlæggende spørgsmål: er beta-stråler nøjagtig det samme som elektroner? Opdaget i 1897 i katodestråler af JJ Thomson, elektroner var de første kendte elementarpartikler. Et par år senere i 1899 studerede Rutherford det nye fænomen radioaktivitet og fandt en ukendt emission, han kaldte beta-stråler. Disse viste sig at være ladede partikler med samme ladning/masseforhold e/m som elektroner og blev identificeret som sådan. Men spørgsmålet forblev: kunne beta-stråler og elektroner adskille sig i nogle andre egenskaber såsom spin?

Scharff-Goldhaberne testede smart denne hypotese ved at bruge Pauli udelukkelsesprincip, som, skrev de, "ikke ville holde for et par partikler, hvis de adskilte sig i nogen egenskab overhovedet". I deres eksperiment bestrålede de en blyprøve med beta-stråler. Hvis disse ikke var identiske med elektroner, ville de ikke adlyde Pauli-princippet. Så ville de blive fanget af blyatomer, gå ind i bundne baner, der allerede var fyldt med elektroner, og gå over til den laveste bane, hvilket forårsagede, at røntgenstråler blev udsendt. Hvis beta-stråler og elektroner var identiske, ville førstnævnte være udelukket fra at komme ind i atomare baner og producere røntgenstråler. Forsøget påviste ingen røntgenstråler ved de forventede energier, hvilket bekræfter, at beta-stråler er elektroner udsendt fra radioaktive kerner.

Spændte kerner og "magiske" tal

Fra begyndelsen af ​​1950'erne på BNL begyndte Scharff-Goldhaber, hvad der ville være hendes karrierelange projekt: at danne et systematisk billede af egenskaberne af exciterede kerner på tværs af det periodiske system. Hendes plan om at arbejde med "lavenergi" kernefysik afveg fra hendes mands voksende interesse for "højenergi" fysik, hvor enorme nye partikelacceleratorer undersøgte fundamentale partikler. Ifølge deres søn Michael fratog Scharff-Goldhabers adskilte vej hans far hendes store evner som eksperimentalist. Men han tilføjer, at "splittelsen ikke forhindrede familiens middagsbordsamtale i at fokusere på kernefysik, ligesom det havde gjort før, stort set til børnenes forvirring". (Senere fik han og Alfred hver sin doktorgrad i teoretisk partikelfysik.)

På det tidspunkt var den ophidsede kernes adfærd lige begyndt at blive forstået. Denne tætte suppe af protoner og neutroner kunne ses som en samling af partikler bundet sammen af ​​kernekræfter, der danner et medium med en energi, der udtrykkes i rotation eller vibration af hele kroppen. I den såkaldte "skalmodel" blev kernen dog set som et kvantesystem, hvor nukleoner optager energiniveauer, analogt med de diskrete niveauer eller "skaller", der er optaget af elektroner i et atom. Hver tilgang havde succeser. At behandle kernen som en væske førte til en forståelse af, hvordan den kunne deformeres og gennemgå fission. Skalmodellen forudsagde, at kerner med specifikke eller "magi", antallet af protoner eller neutroner (2, 8, 20, 28...) ville være usædvanligt stabile, igen analogt med fyldte elektroniske skaller i atomer.

Det var dog ikke klart, om eksperimentet virkelig understøttede skalmodellen, eller hvor hver tilgang bedst kunne anvendes. Scharff-Goldhabers omfattende forskning i forskellige kerner hjalp med at løse disse problemer. Hendes arbejde var betydningsfuldt i udviklingen af ​​den teori, der endelig forbandt de to tilgange, hvilket førte til Aage Niels Bohr, Ben Mottelson og Leo Rainwater deler 1975 Nobelprisen i fysik.

I 1950'erne målte Scharff-Goldhaber energien af ​​exciterede kerner i forhold til neutrontal og viste, at skalstrukturen påvirkede energien, som toppede ved de magiske tal. Hun bemærkede også en unormal ændring i energiniveauer med en stigning i antallet af neutroner, som hun relaterede til en ændring i kernens form. Senere udviklede hun sin egen "variabelt inertimoment” (VMI) model, som brugte formen af ​​kerner til at give yderligere indsigt i deres energier på tværs af det periodiske system.

Udover hendes bidrag til nuklear teori havde Scharff-Goldhabers forskning i denne æra usædvanlige træk. Hun skrev to artikler om VMI-modellen sammen med sin søn Alfred – så vidt vides den eneste mor-søn forskningsartikler i fysik (Phys. Rev. Lett. 24, 1349 ; Phys. Rev. C 17, 1171).

Hun forbedrede også sin dataanalyse ved at udvide standard nukliddiagrammet, hvor hver kerne er placeret i et todimensionelt plot af antallet af protoner versus antallet af neutroner. Scharff-Goldhaber limede lodrette stænger af længde proportional med den laveste excitationsenergi for hver nuklear art til den passende position på kortet. Længe før den rutinemæssige brug af 3D computervisualiseringer, var dette en enorm hjælp til at opdage vigtige funktioner såsom energiændringen mellem N = 88 og N = 90.

Sammen med sin forskning fandt Scharff-Goldhaber måder at hjælpe kvinder i videnskaben og til at bidrage til naturvidenskabelig uddannelse og det videnskabelige samfund. Blandt mange professionelle involveringer tjente hun i American Physical Society (APS) udvalg, der var dedikeret til kvinders status i fysik og til fysikundervisning før college. Hun var også kendt for at nå ud til tidlige karriereforskere - både mænd og kvinder. Den ene var Rosalyn Yalow, Goldhabers ph.d.-studerende ved Illinois, som delte 1977 Nobelprisen i fysiologi eller medicin til at opfinde radioimmunoassay-teknikken. Yalow har krediteret både sin rådgiver og Scharff-Goldhaber "for støtte og opmuntring". Scharff-Goldhaber udvidede også den intellektuelle atmosfære på BNL ved at grundlægge Brookhaven forelæsningsrække, med eminente talere som Richard Feynman. 

Pensioneret, men forsker stadig

Scharff-Goldhaber var startet på BNL relativt sent og var klar til at fortsætte sin forskning i lang tid, men tidens strenge pensionslove afsluttede officielt hendes ansættelse i 1977, 66 år gammel. Ifølge hendes søn Michael blev pensioneringen tvunget i en måde, som han kalder "subtilt sexistisk". Ikke desto mindre arbejdede hun uden løn og samarbejdede med andre videnskabsmænd og var medforfatter til forskningsartikler indtil 1988. Da et svigtende helbred begrænsede hendes aktiviteter, satte hun imidlertid pris på og søgte tilfredsstillelse i det, hun stadig kunne gøre, indtil hun døde i en alder af 86 år. 1998.

I 1990 bemærkede en journalist, der interviewede Scharff-Goldhaber, hendes "bløde, men insisterende beslutsomhed" - sandsynligvis netop de karaktertræk, der satte hende i stand til at overvinde barrierer for en forskerkarriere. I 2016, da han så tilbage på sin mors liv, beskrev Michael hende som "en person med enestående egenrådighed og endda stædighed, træk, som hun bestemt havde brug for ... for at forfølge en succesfuld karriere i en verden, der ofte blev sat imod hende".

Måske ville Scharff-Goldhaber være enig i disse vurderinger, men der er en anden, som jeg tror gælder. I 1972 skrev Scharff-Goldhaber, da han anmelder en bog om atomenergi af Isaac Asimov, at fremskridt inden for videnskab, blandt andre kvaliteter, er "baseret på det brændende ønske om at komme til bunds i tingene". Da hun skrev disse ord, reflekterede hun over, at hendes eget liv perfekt eksemplificerer den etos?

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/