核の世界を探る：ガートルード・シャルフ＝ゴールドハーバーの生命と科学

幼い頃から科学者になりたいと思っていて、十分な能力と努力があればその目標を達成できることを知っている人もいます。 ガートルード・シャーフ （彼女が結婚した後のシャルフ・ゴールドハーバー）は、その初期の召しを感じました。 彼女にはそれを実現する能力がありましたが、科学的成功への道のりには、個人的な苦難や専門的な障害の分担以上のものがありました.

14 年 1911 月 XNUMX 日にドイツ系ユダヤ人の家庭に生まれた彼女は、第一次世界大戦、戦後のドイツの動乱、ヒトラーの台頭を経験しました。 ミュンヘン大学で物理学の博士号を取得した後、彼女は男性が支配する職業への参入を目指しました。 彼女がナチズムから逃れたとき、彼女は英国への移民として困難に直面しました。 そして、彼女が物理学者の夫と一緒に米国で新しい生活を築こうとしたとき、縁故主義の厳格な規則が彼女のキャリアを妨げたため、彼女は依然として科学者の仕事を見つけるのに苦労していました.

それでも彼女は耐え、非常に尊敬される核物理学者としての地位を確立し、その分野で数少ない先駆的な女性の 1972 人になりました。 彼女の研究は核分裂の理解を深め、核構造の理論に貢献しました。 彼女の業績は、XNUMX 年に全米科学アカデミーに選出された XNUMX 人目の女性物理学者になったときに認められました。 彼女はまた、若い科学者を奨励し、科学教育を擁護することで、科学における女性の擁護者としてもよく知られています.

不吉な時代、優秀な学生

友人や家族には「トゥルーデ」として知られるシャルフのドイツでの初期の頃は、第一次世界大戦、政情不安、1918 年のドイツの敗北後の経済的に破滅的なハイパーインフレなど、激動の時代でした。彼女の家族が住んでいたミュンヘンの通りで軍隊。 後で彼女は、おがくずでかさばったパンを食べなければならなかったことを思い出しました。 1933年にヒトラーが権力の座に就くと、混乱は続き、ドイツのユダヤ人にとって不吉な予感がした.

そんな中、シャルフは立派な教育を受けました。 息子のマイケルの回顧録によると、彼女は女子のためのエリート高校に通っていました。 優秀な学生だった彼女は、物理学に興味を持ちました。 彼女の父親は、彼女が家業を経営する準備をするために法律を勉強することを望んでいましたが、後で彼女が言ったように、彼女は「世界が何でできているかを理解する」ことに熱心でした.

彼女の目標に向かって、シャルフは 1930 年にミュンヘン大学に入学しました。 1922年に磁場中の量子化されたスピンの存在を確立したスターン・ゲルラッハの実験. 凝縮物質物理学における彼女の研究は、強磁性を扱っていました。

しかし、外部の出来事が彼女の計画と人生を完全に変えてしまいました。 ナチズムが広まるにつれ、シャルフは同僚からのけ者にされ、ドイツ系ユダヤ人は国外に逃亡し始めました。 しかし、彼女は研究を順調に進めていました。 彼女が 1990 年にインタビュアーに語ったように、「私はもっと早く出発すべきでした。 しかし、私は論文を書き始めたので、終わらせなければならないと感じました。」

彼女は1935年に仕上げましたが、彼女はそれを非常に近くにカットしました. それはニュルンベルク法が制定された年であり、最初のユダヤ人、後にロマ人と黒人ドイツ人を「劣った人種」と「国家の敵」と定義した. 彼らは事実上ドイツ社会から締め出され、法律に違反すると厳しい罰則に直面しました。 反ユダヤ主義の暴力が拡大し、シャーフの両親は後にホロコーストで亡くなりました。

ドイツから逃れる時が来たのは間違いないことを認識していたシャルフは、他の場所での職を求めている35人の難民科学者に手紙を書いた. すでに難民科学者があふれていたので、ほとんどの人が来るなと彼女に言いました。 モーリス・ゴールドハーバー、彼女がドイツで会った若いオーストリア系ユダヤ人の物理学者。 ケンブリッジ大学でアーネスト・ラザフォードの下で博士号を取得していた彼は、イギリスにチャンスがあると考えました。 ロンドンに移り住んだシャルフは、結婚式の道具一式の一部だった大切な持ち物（光学系で有名なライカのカメラ）を売り、記事をドイツ語から英語に翻訳することで、1 か月間生計を立てていました。 その後、彼女はインペリアル カレッジ ロンドンでジョージ トムソンの下で働き、電子回折を研究しました (XNUMX937年、彼は結晶の効果を発見したことでクリントン・デイヴィソンとノーベル賞を共有しました）、しかし、独立した研究職を見つけることはありませんでした。

1939 年、彼女の見通しは改善しました。 Scharff は Goldhaber と結婚し、Scharff-Goldhaber となり、夫婦は米国に引っ越しました。 ゴールドハーバーはイリノイ大学アーバナ校の教職に就いていたが、イリノイ州の反縁故主義法により大学は彼女を雇うことができなかったため、シャーフ=ゴールドハーバーは本格的な科学者になることはできなかった。 彼女は、夫の研究室で無給の助手としてしか研究をすることができませんでした。 これにより、彼女は物性物理学から核物理学の彼の分野に移りました。 このような状況下で作成された 1940 年代のシャルフ ゴールドハーバーの論文は、彼女が移行を見事に処理したことを示しています。

ロングアイランドの新しいラボ

1950 年になって初めて、シャルフ ゴールドハーバーと彼女の夫は、新しい研究拠点を共同で見つけました。 ブルックヘブン国立研究所 (BNL) は XNUMX 年前に設立されました。 現在、米国エネルギー省の施設である研究所の当初の使命は、原子力の平和利用を追求することでした。 それ以来、その科学的取り組みは多様化していますが、核および高エネルギー物理学は依然としてその研究活動の一部です。

彼女の任命により、シャーフ＝ゴールドハーバーは BNL で最初の女性物理学者となり、学位を取得してから 15 年後、彼女はついにプロの研究者として報酬を受け取るようになりました。 それでも、彼女は息子のマイケルが「しぶしぶ受け入れる」だけだと説明する雰囲気の中で活動しました。 ゴールドハーバーは「上級科学者」として雇われ、独自の研究グループを運営していましたが、シャーフ＝ゴールドハーバーは単にグループ内の科学者としてランク付けされていました。 (ゴールドハーバーは最終的に 1961 年から 1973 年にかけて研究所の所長になり、シャーフ=ゴールドハーバーは上級科学者になった。)

BNL で専門的な科学的地位を持つ唯一の女性として、Scharff-Goldhaber には女性の科学者仲間がいませんでした。 研究室に所属する女性のほとんどは、1950 年代には伝統的な役割を担っていた男性科学者の妻で、働いていませんでした。 マイケルとアルフレッドの XNUMX 人の子供を持つシャルフ ゴールドハーバーには、同様の責任がありました。 しかし社交行事では、育児について女性と話し合うよりも、男性と物理について話す傾向が強かった。 この男性環境の中で、彼女は同僚や、BNL 原子炉またはヴァン デ グラーフ加速器での研究に必要な同位体を生成したサポート スタッフと良好な関係を築きました。

核分裂と基礎実験

彼女がまだ独立した​​科学者になろうとしていた 1930 年代を除いて、シャーフ＝ゴールドハーバーは家族の義務を果たしながら、活発な研究と出版のペースを維持しました。 1936 年、彼女は論文から「キュリー点を超える磁化への応力の影響」を発表しました。 彼女の次の一連の論文は 1940 年後に始まり、30 年にイリノイ大学で核物理学に切り替えた後、BNL に完全に落ち着くまでさらに 60 本以上の論文を書きました。 次の XNUMX 年間で、彼女はさらに約 XNUMX の論文を発表しました。 フィジカルレビュー、 および会議議事録への貢献。

レオ・シラード：核兵器を構想したが、後にその使用に反対した物理学者

1940 年代のイリノイ州での彼女の研究から生まれた論文のいくつかは特に注目に値し、その中には自発核分裂に関するものも含まれます。 1938 年、リーゼ マイトナーとオットー フリッシュは、中性子を照射したウラン原子核が XNUMX つに分裂し、多くのエネルギーを放出できることを発見しました。 中性子誘発核分裂を自立させることができれば、非常に破壊的な兵器を生み出すことができます。 戦争が迫る中、ヨーロッパとアメリカの物理学者は、ナチスが最初に答えを見つけないことを期待して、自立した核分裂を調査しました。

1942年、シャルフ・ゴールドハーバーは、明らかに初めて、自然核分裂を起こしているウランがエネルギーとともに中性子を放出することを直接示した。 これらの中性子は、より多くの核とより多くのエネルギーを活性化する可能性があります – 核爆発になる可能性のあるカスケード連鎖反応. このようなデータは、1942 年に原子爆弾がマンハッタン計画によって製造されていたため、世界で初めて自律的に制御された核反応を達成するために不可欠でした。 Scharff-Goldhabers はまだ米国市民ではなかったため、プロジェクトの一部ではありませんでしたが、彼女の結果は関連する科学者に秘密裏に回覧され、戦後に出版されました (Phys。 牧師 70 229).

1948 年に発行された別の論文 (物理。 改訂. 73 1472）、シャーフ・ゴールドハーバーは一緒に基本的な質問に答えました：ベータ線は電子とまったく同じですか？ 1897 年に JJ トムソンによって陰極線で発見された電子は、最初に知られている素粒子でした。 数年後の 1899 年、ラザフォードは放射能の新しい現象を研究していて、ベータ線と呼ばれる未知の放射を発見しました。 これらは、同じ電荷対質量比を持つ荷電粒子であることが判明しました e/m 電子として、そのように識別されました。 しかし、疑問は残りました: ベータ線と電子は、スピンなどの他の特性で異なるのでしょうか?

Scharff-Goldhabers は、 パウリの排他原理、彼らは書いた、「それらが何らかの特性で異なっていれば、粒子のペアには当てはまらないでしょう」. 彼らの実験では、鉛のサンプルにベータ線を照射しました。 これらが電子と同一でなければ、パウリの原理に従わないでしょう。 その後、鉛原子に捕らえられ、すでに電子で満たされた束縛軌道に入り、最下層軌道に遷移してX線を放出します。 ベータ線と電子が同一である場合、前者は原子軌道に入って X 線を生成することができなくなります。 この実験では、期待されたエネルギーで X 線が検出されず、ベータ線が放射性原子核から放出された電子であることが確認されました。

励起原子核と「魔法の」数

1950 年代初頭に BNL で開始した Scharff-Goldhaber は、彼女の生涯にわたるプロジェクトとなるプロジェクトを開始しました。それは、周期表全体で励起された原子核の特性の体系的な図を作成することでした。 「低エネルギー」核物理学を研究するという彼女の計画は、巨大な新しい粒子加速器が基本粒子を調査する「高エネルギー」物理学への夫の関心の高まりから分岐しました。 息子のマイケルによると、シャルフ＝ゴールドハーバーの別の道は、父親から実験家としての彼女の優れた能力を奪ったという。 しかし、彼は、「家族の夕食の席での会話が以前と同じように核物理学に集中することを妨げるものではなく、主に子供たちを当惑させた」と付け加えた. (後に、彼とアルフレッドはそれぞれ理論素粒子物理学の博士号を取得しました。)

当時は、励起核の挙動が把握され始めたばかりでした。 この陽子と中性子の濃密なスープは、核力によって結合された粒子の集まりと見なすことができ、体全体の回転または振動で表現されるエネルギーを持つ媒体を形成します。 しかし、いわゆる「殻モデル」では、原子核は、原子内の電子が占める離散準位または「殻」に類似した、核子がエネルギー準位を占める量子系と見なされていました。 それぞれのアプローチは成功しました。 核を液体として扱うことで、核がどのように変形し、分裂するかを理解することができました。 シェルモデルは、特定の核、または「魔法」、陽子または中性子の数 (2, 8, 20, 28…) は非常に安定しており、これも原子内の満たされた電子殻に似ています。

しかし、実験がシェル モデルを本当に支持しているかどうか、または各アプローチをどこに適用するのが最適かは明らかではありませんでした。 Scharff-Goldhaber のさまざまな原子核に関する広範な研究が、これらの問題の解決に役立ちました。 彼女の仕事は、最終的に XNUMX つのアプローチを結び付ける理論を開発する上で重要でした。 Aage Niels Bohr、Ben Mottelson、Leo Rainwater が 1975 年のノーベル物理学賞を共有.

1950 年代に、Scharff-Goldhaber は中性子数に対する励起原子核のエネルギーを測定し、シェル構造がエネルギーに影響を与え、魔法数でピークに達することを示しました。 彼女はまた、中性子の数の増加に伴うエネルギーレベルの異常な変化に注目し、それを原子核の形状の変化に関連付けました。 その後、彼女は独自の「可変慣性モーメント」 (VMI) モデル。原子核の形状を使用して、周期表全体のエネルギーをさらに詳しく調べました。

彼女の原子核理論への貢献に加えて、この時代のシャーフ＝ゴールドハーバーの研究には珍しい特徴がありました。 彼女は息子のアルフレッドと一緒に VMI モデルに関する XNUMX つの論文を書きました。Phys。 牧師レット。 24、1349 ; 物理。 Rev. C 17、1171）.

彼女はまた、各核が陽子数対中性子数の 3 次元プロットに配置される標準核種チャートを拡張することによって、データ分析を強化しました。 Scharff-Goldhaber は、各核種の最低励起エネルギーに比例する長さの垂直ロッドをチャート上の適切な位置に接着しました。 XNUMXD コンピューター ビジュアライゼーションが日常的に使用されるずっと前に、これはエネルギー変化などの重要な特徴を見つけるのに非常に役立ちました N = 88と N = 90。

彼女の研究に加えて、Scharff-Goldhaber は科学分野で女性を支援し、科学教育と科学コミュニティに貢献する方法を見つけました。 多くの専門的関与の中で、彼女は物理学における女性の地位と大学前の物理学教育に専念するアメリカ物理学会 (APS) 委員会に参加しました。 彼女はまた、キャリアの浅い科学者 (男性と女性の両方) に手を差し伸べることでも知られていました。 一つは ロザリン・ヤロー、イリノイ州のゴールドハーバーの博士課程の学生で、1977 年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。 ラジオイムノアッセイ技術を発明した。 Yalow は、彼女の顧問と Scharff-Goldhaber の両方が「サポートと励まし」を与えてくれたと述べています。 Scharff-Goldhaber はまた、BNL の知的雰囲気を広げました。 ブルックヘブン レクチャー シリーズ、リチャード・ファインマンなどの著名な講演者をフィーチャー。 

引退したけど研究中

Scharff-Goldhaber は比較的遅く BNL に着任し、長い間研究を続ける準備ができていましたが、当時の厳しい退職法により、1977 年に 66 歳で正式に彼女の雇用を終了しました。彼が「微妙な性差別主義者」と呼ぶ方法。 それにもかかわらず、彼女は無給で働き、1988 年まで他の科学者と協力して研究論文を共著しました。 86年。

1990 年に、シャーフ ゴールドハーバーにインタビューしたジャーナリストは、彼女の「ソフトだが執拗な決意」を指摘しました。これは、彼女が研究キャリアへの障壁を克服することを可能にしたまさにその性格特性である可能性があります。 2016年、母親の人生を振り返り、マイケルは母親のことを「独特の気まぐれさ、さらには頑固ささえも備えた人であり、しばしば彼女に敵対する世界で成功するキャリアを追求するために必要な特徴だった」と述べています。

おそらく、Scharff-Goldhaber はこれらの評価に同意するでしょうが、私が当てはまると思われる評価がもう 1972 つあります。 XNUMX年、アイザック・アシモフによる核エネルギーに関する本をレビューしたシャーフ=ゴールドハーバーは、科学の進歩は、他の性質の中でも「物事の根底に到達したいという燃えるような欲求に基づいている」と書いています。 それらの言葉を書いて、彼女は自分の人生がその精神を完全に体現していると考えましたか?

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/