A nukleáris világ felfedezése: Gertrude Scharff-Goldhaber élete és tudománya

Vannak, akik már fiatalon tudják, hogy tudós akarnak lenni, és – kellő képességgel és erőfeszítéssel – elérhetik ezt a célt. Gertrude Scharff (Scharff-Goldhaber, miután férjhez ment) érezte ezt a korai elhívást. És bár megvolt a képessége ennek teljesítésére, a tudományos sikerhez vezető útján több volt, mint személyes nehézségek és szakmai akadályok.

14. július 1911-én német-zsidó családban született, átélte az első világháborút, a háború utáni németországi megrázkódtatásokat és Hitler felemelkedését. Miután a Müncheni Egyetemen szerzett PhD-fokozatot fizikából, egy olyan szakmába igyekezett, ahol a férfiak dominálnak. Amikor a nácizmus elől menekült, az Egyesült Királyságba bevándorlóként nehézségekbe ütközött. Amikor pedig fizikus férjével próbált új életet építeni az Egyesült Államokban, még mindig küzdött, hogy tudományos állást találjon, mivel a nepotizmus merev szabályai meghiúsították karrierjét.

Mégis kitartotta, és nagy tekintélyű atomfizikussá nőtte ki magát, egyike azon kevés úttörő nőnek ezen a területen. Kutatásai elősegítették a maghasadás megértését, és hozzájárultak a magszerkezet elméletéhez. Munkáját 1972-ben ismerték el, amikor csak a harmadik női fizikus lett, akit beválasztottak a Nemzeti Tudományos Akadémiára. Úgy is emlékeznek rá, mint a nők szószólója a tudományban, a fiatal tudósok bátorítása és a természettudományos oktatás támogatása.

Baljós idők, kiváló tanuló

A barátai és családja Trude-ként ismert Scharff németországi korai évei viharosak voltak, beleértve az első világháborút, a politikai nyugtalanságot és az ország 1918-as veresége utáni gazdaságilag pusztító hiperinflációt. Nyolc évesen látta, ahogy a kommunista forradalmárokat lemészárolták katonaság München utcáin, ahol a családja élt. Később eszébe jutott, hogy fűrészporral dúsított kenyeret kellett ennie. A zűrzavar folytatódott, a német zsidók számára baljós előérzetekkel, miközben Hitler 1933-ban hatalomra került.

Mindezek közepette Scharff méltó képzettséget szerzett. Fia, Michael emlékirata szerint egy elit lányközépiskolába járt. Kiváló tanulóként felkeltette érdeklődését a fizika. Apja abban reménykedett, hogy jogot tanul majd, hogy felkészüljön a családi vállalkozás irányítására, de ő jobban szerette volna, hogy „megértse, miből áll a világ”, ahogy később fogalmazott.

Célja felé haladva Scharff 1930-ban beiratkozott a müncheni egyetemre. Tanulmányai a fizika doktori fokozatának megszerzésében csúcsosodtak ki Walther Gerlach, a híres Stern–Gerlach kísérlet, amely 1922-ben megállapította a kvantált spin létezését mágneses térben. A kondenzált anyag fizikában végzett kutatásai a ferromágnesességgel foglalkoztak.

A külső események azonban teljesen megváltoztatták terveit és életét. A nácizmus terjedésével Scharff azon kapta magát, hogy kollégái kiközösítették, és a német zsidók menekülni kezdtek az országból. Ennek ellenére jól haladt a kutatásban. Ahogy 1990-ben mondta egy kérdezőnek: „Korábban kellett volna indulnom. De mivel elkezdtem a szakdolgozatomat, úgy éreztem, be kell fejeznem.”

1935-ben befejezte, de nagyon közel állt hozzá. Ebben az évben hozták meg a nürnbergi törvényeket, amelyek először a zsidókat, majd a romákat és a fekete németeket „alacsonyabb rendű fajként” és „az állam ellenségeiként” határozták meg. Gyakorlatilag kitiltották őket a német társadalomból, és kemény büntetéssel kellett szembenézniük a törvények megsértéséért. Az antiszemita erőszak nőtt, és Scharff szülei később elpusztultak a holokausztban.

Tudatában annak, hogy minden bizonnyal ideje elmenekülni Németországból, Scharff írt 35 menekült tudósnak, akik máshol kerestek állást. Szinte mindannyian azt mondták neki, hogy ne jöjjön, mert már nagy volt a menekült tudósok száma – kivéve Maurice Goldhaber, egy fiatal osztrák-zsidó fizikus, akivel Németországban találkozott. A Cambridge-i Egyetemen Ernest Rutherford vezetésével PhD fokozaton dolgozott, és úgy gondolta, hogy Angliában is adódhatnak lehetőségek. A Londonba költöző Scharff hat hónapig abból élt, hogy eladta az esküvői nadrágja részét képező értékes tulajdonát – egy Leica fényképezőgépet, amely jól ismert kiváló optikájáról –, és cikkeket fordított németről angolra. Ezután a londoni Imperial College-ban dolgozott George Thomson vezetésével, és az elektrondiffrakciót tanulmányozta (1937-ben megosztotta a Nobel-díjat Clinton Davissonnal a kristályok hatásának felfedezéséért), de soha nem talált önálló kutatói pozíciót.

1939-ben kilátásai javultak. Scharff feleségül vette Goldhabert, Scharff-Goldhaber lett, és a pár az Egyesült Államokba költözött. Goldhabernek az Illinois-Urbana Egyetemen volt kari állása, de Scharff-Goldhaber nem válhatott teljes értékű akadémikussá, mert az illinoisi nepotizmusellenes törvények nem tették lehetővé az egyetem számára, hogy felvegye őt. Kutatást csak fizetés nélküli asszisztensként végezhetett férje laborjában. Ez áthelyezte őt a sűrített anyag fizikából a magfizika területére. Scharff-Goldhaber 1940-es, ilyen körülmények között készült dolgozatai azt mutatják, hogy remekül kezelte az átmenetet – de soha nem érte el a teljes oktatói státuszt Illinoisban.

Egy új labor Long Islanden

Csak 1950-ben talált Scharff-Goldhaber és férje igazi kutatóotthonra, az új Brookhaven Nemzeti Laboratórium (BNL), amelyet három évvel korábban alapítottak. Ma az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának létesítménye, a laboratórium eredeti megbízatása az volt, hogy az atomenergia békés felhasználását keresse. Tudományos erőfeszítései azóta változatossá váltak, de a nukleáris és nagyenergiájú fizika továbbra is kutatási tevékenységei közé tartozik.

Kinevezése révén Scharff-Goldhaber lett az első női fizikus a BNL-nél, és 15 évvel a diploma megszerzése után végül hivatásos kutatóként fizették ki. Ennek ellenére olyan légkörben működött, amelyet fia, Michael csak „kedvetlenül elfogadónak” mond. Goldhabert „vezető tudósként” alkalmazták, és saját kutatócsoportot vezetett, de Scharff-Goldhabert egyszerűen tudósként sorolták be a csoportján belül. (Goldhaber végül 1961–1973 között a laboratórium igazgatójává, Scharff-Goldhaber pedig vezető tudósrá emelkedett.)

Scharff-Goldhabernek a BNL-nél az egyetlen professzionális tudományos státusszal rendelkező nőként nem volt női tudományos társai. A legtöbb nő, aki kapcsolatba került a laborral, férfi tudósok nem dolgozó felesége volt, akik az 1950-es években hagyományos szerepet töltöttek be. Scharff-Goldhabernek két gyermeke, Michael és Alfred hasonló feladatai voltak; de társasági eseményeken inkább fizikáról beszélt a férfiakkal, mint a nőkkel a gyermekgondozásról. Ebben a férfi közegben jó kapcsolatokat alakított ki kollégáival és a kisegítő személyzettel, akik a BNL reaktorban vagy a Van de Graaff gyorsítóban végzett kutatásaihoz szükséges izotópokat előállították.

Hasadás, és egy alapvető kísérlet

Az 1930-as évektől eltekintve, amikor még független tudós akart lenni, Scharff-Goldhaber lendületes ütemben végzett kutatást és publikációt, miközben eleget tett családi kötelezettségeinek. 1936-ban publikálta dolgozatából „A stressz hatása a Curie-pont feletti mágnesezettségre”. Következő dolgozatai négy évvel később kezdődtek, miután 1940-ben áttért a magfizikára Illinois-ban, és több mint egy tucat további írást írt, amíg teljesen letelepedett a BNL-nél. Az elkövetkező 30 évben további mintegy 60 dolgozatot publikált, többnyire a Fizikai áttekintés, valamint a konferencia anyagaihoz való hozzájárulások.

Szilárd Leó: a fizikus, aki atomfegyvereket képzelt el, de később ellenezte azok használatát

Az 1940-es években Illinoisban végzett munkájából származó számos irat különösen figyelemre méltó, köztük egy, amely a spontán maghasadásról szólt. 1938-ban Lise Meitner és Otto Frisch rájött, hogy a neutronokkal bombázott uránmag kettéhasadhat, és sok energiát szabadíthat fel. Ha a neutronok által kiváltott hasadást önfenntartóvá lehetne tenni, akkor óriási pusztító fegyvert lehetne előállítani. A háború közeledtével európai és amerikai fizikusok az önfenntartó hasadást vizsgálták abban a reményben, hogy nem a nácik találják meg először a választ.

1942-ben Scharff-Goldhaber közvetlenül kimutatta, látszólag először, hogy a spontán hasadáson átesett urán energiával együtt neutronokat szabadít fel. Ezek a neutronok több atommagot és több energiát aktiválhatnak – egy lépcsőzetes láncreakció, amely nukleáris robbanássá válhat. Az ehhez hasonló adatok kulcsfontosságúak voltak a világ első önfenntartó, szabályozott nukleáris reakciójának megvalósításához 1942-ben, mivel az atombombát a Manhattan Project építette. A Scharff-Goldhaberek még nem voltak amerikai állampolgárok, így nem vettek részt a projektben, de eredményét titokban eljuttatták az illetékes tudósokhoz, és a háború után publikálták (Phys. Fordulat. 70 229).

Egy 1948-ban megjelent külön cikkben (Phys. Fordulat. 73 1472), a Scharff-Goldhaberek együtt válaszoltak egy alapvető kérdésre: vajon a béta-sugarak pontosan ugyanazok, mint az elektronok? JJ Thomson 1897-ben fedezte fel a katódsugarakban, az elektronok voltak az első ismert elemi részecskék. Néhány évvel később, 1899-ben Rutherford a radioaktivitás új jelenségét tanulmányozta, és talált egy ismeretlen emissziót, amelyet béta-sugárzásnak nevezett. Kiderült, hogy ezek töltött részecskék azonos töltés/tömeg aránnyal e/m elektronokként, és ilyenként azonosították. De a kérdés továbbra is fennáll: különbözhetnek-e a béta-sugarak és az elektronok más tulajdonságokban, például a spinben?

A Scharff-Goldhaberek ügyesen tesztelték ezt a hipotézist a Pauli kizárási elv, amely – írták – „egy részecskepárra sem felelne meg, ha bármilyen tulajdonságukban különböznének”. Kísérletükben ólommintát sugároztak be béta-sugárzással. Ha ezek nem lennének azonosak az elektronokkal, nem engedelmeskednének a Pauli-elvnek. Ezután ólomatomok fogják be őket, kötött pályákra lépnek, amelyek már tele vannak elektronokkal, és a legalacsonyabb pályára állnak át, ami röntgensugárzást bocsát ki. Ha a béta-sugarak és az elektronok azonosak lennének, az előbbiek nem léphetnek atomi pályára, és nem termelhetnek röntgensugarakat. A kísérlet nem észlelt a várt energiájú röntgensugárzást, ami megerősíti, hogy a béta-sugarak radioaktív atommagokból kibocsátott elektronok.

Izgatott magok és „varázslatos” számok

Az 1950-es évek elejétől a BNL-nél Scharff-Goldhaber belekezdett abba a projektbe, amely egész pályafutása volt: szisztematikus képet alkotni a periódusos rendszerben gerjesztett magok tulajdonságairól. Terve, hogy az „alacsony energiájú” magfizikával foglalkozzon, eltért férje növekvő érdeklődésétől a „nagy energiájú” fizika iránt, ahol hatalmas új részecskegyorsítók vizsgálták az alapvető részecskéket. Michael fiuk szerint Scharff-Goldhaber külön útja megfosztotta apját nagy kísérletezői képességeitől. De hozzáteszi, hogy „a szétválás nem akadályozta meg abban, hogy a családi vacsoraasztal-beszélgetés az atomfizikára összpontosítson, ahogyan korábban is, nagyrészt a gyerekek megdöbbenésére”. (Később ő és Alfred egyaránt doktori címet szerzett elméleti részecskefizikából.)

Akkoriban a gerjesztett mag viselkedését még csak elkezdték felfogni. A protonok és neutronok e sűrű levesét nukleáris erők által összekötött részecskék halmazának tekinthetjük, és olyan közeget alkotnak, amelynek energiája az egész test forgásában vagy rezgésében fejeződik ki. Az úgynevezett „héjmodellben” azonban az atommagot kvantumrendszernek tekintették, ahol a nukleonok energiaszinteket foglalnak el, hasonlóan az atomban lévő elektronok által elfoglalt diszkrét szintekhez vagy „héjakhoz”. Mindegyik megközelítésnek volt sikere. Az atommag folyadékként való kezelése annak megértéséhez vezetett, hogy hogyan deformálódhat és hogyan hasadhat át. A héjmodell azt jósolta, hogy a magok specifikus, ill.varázslat”, a protonok vagy neutronok száma (2, 8, 20, 28…) kivételesen stabilak lennének, ismét analógok az atomokban lévő töltött elektronikus héjakkal.

Nem volt azonban világos, hogy a kísérlet valóban támogatja-e a shell-modellt, vagy hol lehet a legjobban alkalmazni az egyes megközelítéseket. Scharff-Goldhaber kiterjedt kutatása a különböző magokra segített megoldani ezeket a kérdéseket. Munkája jelentős volt annak az elméletnek a kidolgozásában, amely végül összekapcsolta a két megközelítést, ami elvezetett Aage Niels Bohr, Ben Mottelson és Leo Rainwater megosztva az 1975-ös fizikai Nobel-díjat.

Az 1950-es években Scharff-Goldhaber megmérte a gerjesztett atommagok energiáját a neutronszám függvényében, és kimutatta, hogy a héj szerkezete befolyásolja az energiát, amely a mágikus számoknál tetőzött. Megfigyelte továbbá az energiaszintek rendellenes változását a neutronok számának növekedésével, amit az atommag alakjának változásával hoz összefüggésbe. Később kifejlesztette a sajátjátváltozó tehetetlenségi nyomaték” (VMI) modell, amely az atommagok alakját használta fel, hogy további betekintést nyújtson energiáikba a periódusos rendszerben.

A nukleáris elmélethez való hozzájárulása mellett Scharff-Goldhaber kutatásai ebben a korszakban szokatlan vonásokkal is rendelkeztek. A VMI-modellről két dolgozatot írt fiával, Alfréddal együtt – eddig ez az egyetlen anya-fia kutatómunka a fizikában (Phys. Rev. Lett. 24, 1349 ; Phys. Rev. C 17, 1171).

Az adatelemzést a standard nukliddiagram kiterjesztésével is javította, ahol az egyes atommagok a protonok és a neutronok számának kétdimenziós diagramjában vannak elhelyezve. Scharff-Goldhaber a legalacsonyabb gerjesztési energiával arányos hosszúságú függőleges rudakat ragasztott az egyes nukleáris fajok esetében a diagram megfelelő helyére. Jóval a 3D-s számítógépes vizualizációk rutin használata előtt ez óriási segítséget jelentett olyan fontos jellemzők észlelésében, mint például az energiaváltozás N = 88 és N = 90.

Scharff-Goldhaber kutatásaival együtt megtalálta a módját, hogyan segítse a nőket a tudományban, és hozzájáruljon a tudományos oktatáshoz és a tudományos közösséghez. Számos szakmai tevékenység mellett az Amerikai Fizikai Társaság (APS) bizottságaiban is részt vett, amelyek a nők fizikális helyzetével és a főiskola előtti fizikaoktatással foglalkoztak. Arról is ismert volt, hogy megkereste a pályakezdő tudósokat – férfiakat és nőket egyaránt. Az egyik volt Rosalyn Yalow, Goldhaber Illinois-i PhD-hallgatója, aki 1977-ben megosztott fiziológiai és orvosi Nobel-díjat a radioimmunoassay technika feltalálásáért. Yalow tanácsadójának és Scharff-Goldhabernek is köszönetet mondott „támogatásért és bátorításért”. Scharff-Goldhaber a BNL szellemi légkörét is szélesítette azáltal, hogy megalapította a Brookhaven előadássorozat, olyan kiváló előadókkal, mint Richard Feynman. 

Nyugdíjas, de még mindig kutat

Scharff-Goldhaber viszonylag későn kezdett a BNL-nél, és sokáig készen állt a kutatás folytatására, de a korszak szigorú nyugdíjtörvényei 1977-ben, 66 évesen hivatalosan véget vetettek a munkaviszonyának. Fia, Michael szerint a visszavonulást olyan módon, amit ő „finoman szexistának” nevez. Ennek ellenére, fizetés nélkül dolgozott, 1988-ig együttműködött más tudósokkal, és társszerzőjeként kutatási cikkeket írt. Amikor azonban az egészségi állapot megromlása korlátozta tevékenységét, értékelte és kereste megelégedését, amit még tehetett, egészen addig, amíg 86 éves korában meg nem halt. 1998.

1990-ben egy Scharff-Goldhaberrel interjút készítő újságíró megjegyezte, hogy „puha, de kitartó elszántsága” – valószínűleg éppen azok a jellemvonások, amelyek lehetővé tették számára, hogy leküzdje a kutatói pálya előtt álló akadályokat. 2016-ban, visszatekintve édesanyja életére, Michael úgy jellemezte őt, mint „egyedülálló szándékos, sőt makacs személyiség, olyan tulajdonságok, amelyekre minden bizonnyal szüksége volt… hogy sikeres karriert folytasson egy olyan világban, amelyet gyakran szembeállítottak vele”.

Talán Scharff-Goldhaber egyetértene ezekkel az értékelésekkel, de szerintem van egy másik is, amelyre érvényes. 1972-ben, Isaac Asimov atomenergiáról szóló könyvét ismertetve Scharff-Goldhaber azt írta, hogy a tudomány fejlődése, többek között, „a dolgok mélyére való eljutás égető vágyán alapul”. Amikor ezeket a szavakat írta, azt gondolta, hogy saját élete tökéletesen példázza ezt a szellemiséget?

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/