Het verkennen van de nucleaire wereld: het leven en de wetenschap van Gertrude Scharff-Goldhaber

Sommige mensen weten al op jonge leeftijd dat ze wetenschapper willen worden en dat ze dat doel - met voldoende bekwaamheid en inspanning - kunnen bereiken. Gertrude Schaff (Scharff-Goldhaber nadat ze getrouwd was) voelde die vroege roeping. En hoewel ze het vermogen had om het te vervullen, had haar pad naar wetenschappelijk succes meer dan alleen persoonlijke ontberingen en professionele obstakels.

Geboren in een Duits-Joodse familie op 14 juli 1911, maakte ze de Eerste Wereldoorlog, de naoorlogse onrust in Duitsland en de opkomst van Hitler mee. Na het behalen van haar doctoraat in de natuurkunde aan de Universiteit van München, zocht ze toegang tot een door mannen gedomineerd beroep. Toen ze het nazisme ontvluchtte, kreeg ze het moeilijk als immigrant in het VK. En toen ze met haar natuurkundige echtgenoot een nieuw leven probeerde op te bouwen in de VS, had ze nog steeds moeite om wetenschappelijk werk te vinden, omdat de rigide regels van nepotisme haar carrière dwarsboomden.

Toch hield ze het vol en vestigde ze zich als een zeer gerespecteerde kernfysicus, een van de weinige baanbrekende vrouwen op dat gebied. Haar onderzoek bevorderde het begrip van kernsplijting en droeg bij aan de theorie van nucleaire structuur. Haar werk werd erkend in 1972 toen ze pas de derde vrouwelijke natuurkundige werd die werd gekozen in de National Academy of Sciences. Ze wordt ook goed herinnerd als pleitbezorger voor vrouwen in de wetenschap, voor het aanmoedigen van jonge wetenschappers en voor het verdedigen van wetenschappelijk onderwijs.

Onheilspellende tijden, uitstekende student

Bekend als Trude bij haar vrienden en familie, waren Scharffs vroege jaren in Duitsland turbulent, met de Eerste Wereldoorlog, politieke onrust en economisch verwoestende hyperinflatie na de nederlaag van het land in 1918. Op achtjarige leeftijd zag ze hoe communistische revolutionairen werden afgeslacht door de militair in de straten van München, waar haar familie woonde. Later herinnerde ze zich dat ze brood met zaagsel had gegeten. De onrust duurde voort, met onheilspellende voorgevoelens voor Duitse joden, toen Hitler in 1933 aan de macht kwam.

Temidden van dit alles kreeg Scharff een waardige opleiding. Volgens een memoires van haar zoon Michael ging ze naar een elite middelbare school voor meisjes. Als uitstekende student ontwikkelde ze een interesse in natuurkunde. Haar vader had gehoopt dat ze rechten zou studeren om zich voor te bereiden op het leiden van het familiebedrijf, maar ze wilde liever 'begrijpen waar de wereld van gemaakt is', zoals ze het later verwoordde.

Op weg naar haar doel ging Scharff in 1930 naar de Universiteit van München. Haar opleiding culmineerde in het werken aan een doctoraat in de natuurkunde onder Walther Gerlach, van de beroemde Stern-Gerlach-experiment dat in 1922 het bestaan ​​van gekwantiseerde spin in een magnetisch veld vaststelde. Haar onderzoek in de fysica van de gecondenseerde materie ging over ferromagnetisme.

Maar gebeurtenissen van buitenaf hebben haar plannen en haar leven totaal veranderd. Terwijl het nazisme zich verspreidde, werd Scharff verbannen door collega's en begonnen Duitse joden het land te ontvluchten. Ze was echter goed op weg met haar onderzoek. Zoals ze in 1990 tegen een interviewer zei: “Ik had eerder moeten vertrekken. Maar sinds ik aan mijn scriptie was begonnen, vond ik dat ik het moest afmaken.”

Afmaken deed ze, in 1935, maar ze sneed het heel dichtbij. Dat was het jaar waarin de wetten van Neurenberg werden uitgevaardigd, die de eerste joden en later Roma en zwarte Duitsers definieerden als "inferieure rassen" en "vijanden van de staat". Ze werden effectief uitgesloten van de Duitse samenleving en kregen te maken met zware straffen voor het overtreden van de wetten. Het antisemitische geweld nam toe en de ouders van Scharff kwamen later om in de Holocaust.

Zich ervan bewust dat het zeker tijd was om uit Duitsland te ontsnappen, schreef Scharff aan 35 gevluchte wetenschappers die elders een baan zochten. Bijna allemaal zeiden ze dat ze niet moest komen omdat er al een overvloed aan gevluchte wetenschappers was – behalve Maurice Goldhaber, een jonge Oostenrijks-joodse natuurkundige die ze in Duitsland had ontmoet. Hij werkte aan een doctoraat aan de Universiteit van Cambridge onder leiding van Ernest Rutherford en dacht dat er kansen zouden zijn in Engeland. Scharff verhuisde naar Londen en verdiende zes maanden lang de kost door een kostbaar bezit te verkopen dat deel uitmaakte van haar huwelijksuitzet - een Leica-camera, bekend om zijn fijne optica - en artikelen uit het Duits in het Engels te vertalen. Daarna werkte ze aan het Imperial College London onder George Thomson, waar ze elektronendiffractie bestudeerde (in 1937 deelde hij de Nobelprijs met Clinton Davisson voor het ontdekken van het effect in kristallen), maar vond nooit een onafhankelijke onderzoekspositie.

In 1939 verbeterden haar vooruitzichten. Scharff trouwde met Goldhaber en werd Scharff-Goldhaber, en het paar verhuisde naar de VS. Goldhaber had een facultaire functie aan de Universiteit van Illinois-Urbana, maar Scharff-Goldhaber kon geen volwaardige academische wetenschapper worden, omdat anti-nepotismewetten in Illinois de universiteit niet toestonden haar in dienst te nemen. Ze kon alleen onderzoek doen als onbetaalde assistent in het laboratorium van haar man. Dit bracht haar van de fysica van de gecondenseerde materie naar zijn vakgebied van de kernfysica. Uit de papers van Scharff-Goldhaber die in de jaren veertig onder deze omstandigheden zijn geproduceerd, blijkt dat ze de overgang briljant heeft aangepakt - maar ze heeft nooit de volledige status van faculteit in Illinois bereikt.

Een nieuw laboratorium op Long Island

Pas in 1950 vonden Scharff-Goldhaber en haar man samen een echt onderzoekshuis, aan de nieuwe Brookhaven National Laboratory (BNL), dat drie jaar eerder was opgericht. Vandaag de dag een faciliteit van het Amerikaanse Ministerie van Energie, was het oorspronkelijke mandaat van het laboratorium om vreedzaam gebruik van atoomenergie te zoeken. Zijn wetenschappelijke inspanningen zijn sindsdien gediversifieerd, maar nucleaire en hoge-energiefysica blijven deel uitmaken van zijn onderzoeksactiviteiten.

Haar aanstelling maakte van Scharff-Goldhaber de eerste vrouwelijke natuurkundige bij BNL, en 15 jaar na het behalen van haar diploma kreeg ze eindelijk betaald als professioneel onderzoeker. Toch opereerde ze in een sfeer die haar zoon Michael omschrijft als slechts "met tegenzin accepterend". Goldhaber werd ingehuurd als een "senior wetenschapper" en leidde zijn eigen onderzoeksgroep, maar Scharff-Goldhaber werd gewoon gerangschikt als een wetenschapper binnen zijn groep. (Goldhaber zou uiteindelijk opklimmen tot directeur van het laboratorium 1961-1973, en Scharff-Goldhaber tot senior wetenschapper.)

Als enige vrouw met een professionele wetenschappelijke status bij BNL had Scharff-Goldhaber geen vrouwelijke wetenschappelijke collega's. De meeste vrouwen die met het lab verbonden waren, waren de niet-werkende echtgenotes van mannelijke wetenschappers, die in de jaren vijftig traditionele rollen vervulden. Met twee kinderen, Michael en Alfred, had Scharff-Goldhaber vergelijkbare verantwoordelijkheden; maar op sociale evenementen praatte ze eerder over natuurkunde met de mannen dan over kinderopvang met de vrouwen. Binnen dit mannelijke milieu bouwde ze goede relaties op met haar collega's en met de ondersteunende staf die de isotopen produceerde die ze nodig had voor haar onderzoek aan de BNL-reactor of de Van de Graaff-versneller.

Kernsplijting en een fundamenteel experiment

Met uitzondering van de periode in de jaren dertig, toen ze nog steeds probeerde een onafhankelijke wetenschapper te worden, handhaafde Scharff-Goldhaber een hoog tempo van onderzoek en publicatie, terwijl ze haar gezinsverplichtingen nakwam. In 1930 publiceerde ze "The effect of stress on the magnetization above the Curie point" uit haar proefschrift. Haar volgende reeks papers begon vier jaar later, toen ze in 1936 in Illinois overstapte op kernfysica, en ze schreef er meer dan een dozijn totdat ze volledig gesetteld was bij BNL. In de daaropvolgende 1940 jaar publiceerde ze nog zo'n 30 artikelen, voornamelijk in de fysieke beoordeling, en bijdragen aan congresverslagen.

Leo Szilard: de natuurkundige die kernwapens voor ogen had, maar zich later verzette tegen het gebruik ervan

Verschillende van de artikelen die voortkomen uit haar werk in Illinois in de jaren veertig zijn bijzonder opmerkelijk, waaronder een die ging over spontane kernsplijting. In 1940 hadden Lise Meitner en Otto Frisch ontdekt dat een uraniumkern gebombardeerd met neutronen in tweeën kon splitsen en veel energie vrijgeven. Als door neutronen veroorzaakte splijting zelfvoorzienend zou kunnen worden gemaakt, zou het een enorm destructief wapen kunnen produceren. Met de naderende oorlog onderzochten Europese en Amerikaanse natuurkundigen zelfvoorzienende kernsplijting in de hoop dat de nazi's niet eerst het antwoord zouden vinden.

In 1942 toonde Scharff-Goldhaber rechtstreeks aan, blijkbaar voor het eerst, dat uranium dat spontane splijting onderging, samen met energie neutronen vrijgaf. Deze neutronen zouden meer kernen en meer energie kunnen activeren - een trapsgewijze kettingreactie die een nucleaire explosie zou kunnen worden. Gegevens zoals deze waren cruciaal voor het bereiken van 's werelds eerste zelfvoorzienende gecontroleerde nucleaire reactie in 1942, toen de atoombom werd gebouwd door het Manhattan Project. De Scharff-Goldhabers waren nog geen Amerikaans staatsburger en maakten dus geen deel uit van het project, maar haar resultaat werd in het geheim verspreid onder relevante wetenschappers en werd na de oorlog gepubliceerd (Fys. ds. 70 229).

In een apart artikel gepubliceerd in 1948 (Fysiek. ds. 73 1472), beantwoordden de Scharff-Goldhabers samen een fundamentele vraag: zijn bètastralen exact hetzelfde als elektronen? Ontdekt in 1897 in kathodestralen door JJ Thomson, waren elektronen de eerste bekende elementaire deeltjes. Een paar jaar later, in 1899, bestudeerde Rutherford het nieuwe fenomeen radioactiviteit en vond een onbekende emissie die hij bètastralen noemde. Dit bleken geladen deeltjes te zijn met dezelfde lading/massa-verhouding e/m als elektronen en werden als zodanig geïdentificeerd. Maar de vraag bleef: kunnen bètastralen en elektronen verschillen in een andere eigenschap, zoals spin?

De Scharff-Goldhabers testten deze hypothese slim door gebruik te maken van de Pauli uitsluitingsprincipe, wat, zo schreven ze, "niet zou gelden voor een paar deeltjes als ze in welke eigenschap dan ook verschilden". In hun experiment bestraalden ze een loodmonster met bètastralen. Als deze niet identiek waren aan elektronen, zouden ze niet gehoorzamen aan het Pauli-principe. Dan zouden ze worden gevangen door loodatomen, gebonden banen binnengaan die al gevuld zijn met elektronen, en overgaan naar de laagste baan, waardoor röntgenstralen worden uitgezonden. Als bètastralen en elektronen identiek zouden zijn, zou de eerste worden uitgesloten van het binnendringen van atomaire banen en het produceren van röntgenstralen. Het experiment detecteerde geen röntgenstralen met de verwachte energieën, wat bevestigt dat bètastralen elektronen zijn die worden uitgezonden door radioactieve kernen.

Opgewonden kernen en "magische" getallen

Begin jaren vijftig begon Scharff-Goldhaber bij BNL aan wat haar carrièrelange project zou worden: een systematisch beeld vormen van de eigenschappen van aangeslagen kernen in het periodiek systeem. Haar plan om in 'lage-energie'-kernfysica te gaan werken, week af van de groeiende belangstelling van haar man voor 'hoge-energie'-fysica, waar enorme nieuwe deeltjesversnellers fundamentele deeltjes onderzochten. Volgens hun zoon Michael beroofde het aparte pad van Scharff-Goldhaber zijn vader van haar grote capaciteiten als experimentator. Maar hij voegt eraan toe dat "de splitsing niet verhinderde dat het gesprek aan de familietafel zich concentreerde op kernfysica, net als voorheen, grotendeels tot verbijstering van de kinderen". (Later behaalden hij en Alfred elk een doctoraat in de theoretische deeltjesfysica.)

In die tijd begon het gedrag van de aangeslagen kern net te worden begrepen. Deze dichte soep van protonen en neutronen zou kunnen worden gezien als een verzameling deeltjes die door kernkrachten aan elkaar zijn gebonden en een medium vormen met een energie die wordt uitgedrukt in rotatie of trilling van het hele lichaam. In het zogenaamde "schilmodel" werd de kern echter gezien als een kwantumsysteem waarin nucleonen energieniveaus bezetten, analoog aan de discrete niveaus of "schillen" die worden ingenomen door elektronen in een atoom. Elke aanpak had successen. Door de kern als een vloeistof te behandelen, kreeg men inzicht in hoe deze kon vervormen en splijten. Het schaalmodel voorspelde dat kernen met specifieke, ofmagie”, aantallen protonen of neutronen (2, 8, 20, 28…) zou uitzonderlijk stabiel zijn, wederom analoog aan gevulde elektronische schillen in atomen.

Het was echter niet duidelijk of het experiment het shell-model echt ondersteunde, of waar elke benadering het beste kon worden toegepast. Het uitgebreide onderzoek van Scharff-Goldhaber naar verschillende kernen hielp deze problemen op te lossen. Haar werk was belangrijk bij het ontwikkelen van de theorie die uiteindelijk de twee benaderingen met elkaar verbond, wat leidde tot Aage Niels Bohr, Ben Mottelson en Leo Rainwater delen de Nobelprijs voor natuurkunde in 1975.

In de jaren vijftig mat Scharff-Goldhaber de energie van aangeslagen kernen versus het aantal neutronen en toonde aan dat de structuur van de schil de energie beïnvloedde, die piekte op de magische getallen. Ze merkte ook een abnormale verandering in energieniveaus op met een toename van het aantal neutronen, wat ze in verband bracht met een verandering in de vorm van de kern. Later ontwikkelde ze haar eigen “variabel traagheidsmoment”(VMI) -model, dat de vorm van kernen gebruikte om meer inzicht te geven in hun energieën in het periodiek systeem.

Naast haar bijdragen aan de nucleaire theorie, had het onderzoek van Scharff-Goldhaber in deze tijd ongebruikelijke kenmerken. Samen met haar zoon Alfred schreef ze twee papers over het VMI-model – voor zover bekend de enige moeder-zoon research papers in de natuurkunde (Phys. Lett. 24, 1349 ; Fysiek. Ds. C 17, 1171).

Ze verbeterde ook haar gegevensanalyse door de standaard nuclidenkaart uit te breiden, waarbij elke kern in een tweedimensionale grafiek van het aantal protonen versus het aantal neutronen wordt geplaatst. Scharff-Goldhaber lijmde verticale staven met een lengte die evenredig is met de laagste excitatie-energie voor elke nucleaire soort op de juiste positie op de kaart. Lang voordat 3D-computervisualisaties routinematig werden gebruikt, was dit een enorm hulpmiddel bij het opmerken van belangrijke kenmerken, zoals de energieverandering tussen N = 88 en N = 90.

Samen met haar onderzoek vond Scharff-Goldhaber manieren om vrouwen in de wetenschap te helpen en om bij te dragen aan wetenschappelijk onderwijs en de wetenschappelijke gemeenschap. Naast vele professionele betrokkenheid, was ze lid van commissies van de American Physical Society (APS) die zich bezighielden met de status van vrouwen in de natuurkunde en met pre-universitair natuurkundeonderwijs. Ze stond er ook om bekend dat ze contact zocht met wetenschappers uit de vroege carrière, zowel mannen als vrouwen. Een was Rosalyn Yalow, Goldhaber's promovendus in Illinois, die in 1977 de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde deelde voor het uitvinden van de radioimmunoassay-techniek. Yalow heeft zowel haar adviseur als Scharff-Goldhaber gecrediteerd "voor steun en aanmoediging". Scharff-Goldhaber verbreedde ook de intellectuele sfeer bij BNL door de oprichting van de Brookhaven Lezingenserie, met vooraanstaande sprekers als Richard Feynman. 

Gepensioneerd, maar nog steeds aan het onderzoeken

Scharff-Goldhaber was relatief laat bij BNL begonnen en was klaar om haar onderzoek lange tijd voort te zetten, maar de strenge pensioenwetten van die tijd maakten officieel een einde aan haar dienstverband in 1977, op 66-jarige leeftijd. Volgens haar zoon Michael werd de pensionering gedwongen in een manier die hij 'subtiel seksistisch' noemt. Desalniettemin werkte ze zonder loon samen met andere wetenschappers en was ze co-auteur van onderzoekspapers tot 1988. Toen haar slechte gezondheid haar activiteiten beperkte, waardeerde ze echter en zocht voldoening in wat ze nog kon doen, totdat ze stierf op 86-jarige leeftijd in 1998.

In 1990 merkte een journalist die Scharff-Goldhaber interviewde haar "zachte maar aanhoudende vastberadenheid" op - waarschijnlijk juist de karaktereigenschappen die haar in staat stelden barrières voor een onderzoekscarrière te overwinnen. In 2016, terugkijkend op het leven van zijn moeder, beschreef Michael haar als "een persoon met een unieke eigenzinnigheid en zelfs koppigheid, eigenschappen die ze zeker nodig had ... om een ​​succesvolle carrière na te streven in een wereld die vaak tegen haar was ingesteld".

Misschien zou Scharff-Goldhaber het eens zijn met deze beoordelingen, maar er is er nog een die volgens mij van toepassing is. In 1972 schreef Scharff-Goldhaber in een recensie van een boek over kernenergie van Isaac Asimov dat vooruitgang in de wetenschap, naast andere kwaliteiten, "gebaseerd is op het brandende verlangen om de dingen tot op de bodem uit te zoeken". Denkde ze er bij het schrijven van die woorden aan dat haar eigen leven dat ethos perfect illustreert?

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/