Explorarea lumii nucleare: viața și știința lui Gertrude Scharff-Goldhaber

Unii oameni știu de mici că vor să fie om de știință și că – cu suficientă abilitate și efort – pot atinge acest obiectiv. Gertrude Scharff (Scharff-Goldhaber după ce s-a căsătorit) a simțit această chemare devreme. Și deși avea capacitatea de a o îndeplini, drumul ei către succesul științific a avut mai mult decât cota de greutăți personale și obstacole profesionale.

Născută într-o familie de evrei germani la 14 iulie 1911, ea a trecut prin Primul Război Mondial, revoltele postbelice din Germania și ascensiunea lui Hitler. După ce și-a câștigat doctoratul în fizică la Universitatea din München, ea a căutat să intre într-o profesie dominată de bărbați. Când a fugit de nazism, s-a confruntat cu dificultăți ca imigrantă în Marea Britanie. Și când a încercat să-și construiască o nouă viață în SUA alături de soțul ei fizician, încă s-a luptat să-și găsească un loc de muncă științific, deoarece regulile rigide ale nepotismului i-au zădărnicit cariera.

Cu toate acestea, ea a îndurat și s-a impus ca o fiziciană nucleară foarte respectată, una dintre puținele femei de pionierat în acea zonă. Cercetările ei au avansat în înțelegerea fisiunii nucleare și au contribuit la teoria structurii nucleare. Munca ei a fost recunoscută în 1972, când a devenit doar a treia femeie fizician aleasă la Academia Națională de Științe. Ea este, de asemenea, bine amintită ca un avocat al femeilor în știință, pentru încurajarea tinerilor oameni de știință și pentru promovarea educației științifice.

Vremuri de rău augur, elev remarcabil

Cunoscută drept Trude prietenilor și familiei ei, primii ani ai lui Scharff în Germania au fost cei turbulenți, cuprinzând Primul Război Mondial, tulburări politice și hiperinflație ruinătoare din punct de vedere economic după înfrângerea țării în 1918. La vârsta de opt ani, ea a văzut revoluționarii comuniști măcelăriți de către militar pe străzile din München, unde locuia familia ei. Mai târziu și-a amintit că a trebuit să mănânce pâine îmbogățită cu rumeguș. Tulburările au continuat, cu presimțiri de rău augur pentru evreii germani, când Hitler a ajuns la putere în 1933.

În toate acestea, Scharff a obținut o educație demnă. Potrivit unui memoriu al fiului ei Michael, ea a urmat un liceu de elită pentru fete. O studentă remarcabilă, a dezvoltat un interes pentru fizică. Tatăl ei sperase că va studia dreptul pentru a se pregăti pentru conducerea afacerii de familie, dar ea era mai dornică să „înțeleagă din ce este făcută lumea”, așa cum a spus ea mai târziu.

Îndreptându-se spre obiectivul ei, Scharff a intrat la Universitatea din München în 1930. Educația ei a culminat cu munca la un doctorat în fizică sub Walther Gerlach, al celebrului Experimentul Stern-Gerlach care, în 1922, a stabilit existența spinului cuantificat într-un câmp magnetic. Cercetările ei în fizica materiei condensate s-au ocupat de feromagnetism.

Dar evenimentele din afară i-au schimbat total planurile și viața. Pe măsură ce nazismul s-a răspândit, Scharff s-a trezit ostracizat de colegi, iar evreii germani au început să fugă din țară. Ea a fost, totuși, cu mult înainte în cercetarea ei. După cum a spus ea unui intervievator în 1990: „Ar fi trebuit să plec mai devreme. Dar de când mi-am început teza, am simțit că ar trebui să termin.”

A terminat, în 1935, dar a tăiat-o foarte aproape. Acela a fost anul în care au fost promulgate Legile de la Nürnberg, definindu-i mai întâi pe evrei și mai târziu pe romi și negri ca „rase inferioare” și „dușmani ai statului”. Aceștia au fost excluși efectiv din societatea germană și s-au confruntat cu pedepse dure pentru încălcarea legilor. Violența antisemită a crescut și părinții lui Scharff au pierit mai târziu în Holocaust.

Conștient că era cu siguranță timpul să evadeze din Germania, Scharff a scris celor 35 de oameni de știință refugiați care căutau o poziție în altă parte. Aproape toți i-au spus să nu vină pentru că era deja o mulțime de oameni de știință refugiați – cu excepția Maurice Goldhaber, o tânără fiziciană austro-evreică pe care o cunoscuse în Germania. Lucrând la un doctorat la Universitatea din Cambridge sub conducerea lui Ernest Rutherford, el a crezut că ar putea exista oportunități în Anglia. Mutată la Londra, Scharff și-a câștigat existența timp de șase luni vânzând o posesie prețuită care făcea parte din trusoul ei de nuntă – o cameră Leica, binecunoscută pentru optica sa fină – și traducând articole din germană în engleză. Apoi a lucrat la Imperial College London sub conducerea lui George Thomson, studiind difracția electronilor (în 1937 a împărțit Premiul Nobel cu Clinton Davisson pentru descoperirea efectului în cristale), dar nu a găsit niciodată o poziție de cercetare independentă.

În 1939 perspectivele ei s-au îmbunătățit. Scharff s-a căsătorit cu Goldhaber, devenind Scharff-Goldhaber, iar cuplul s-a mutat în SUA. Goldhaber avea un post de facultate la Universitatea Illinois-Urbana, dar Scharff-Goldhaber nu putea deveni un om de știință academic cu drepturi depline, deoarece legile anti-nepotism din Illinois nu permiteau universității să o angajeze. Putea să facă cercetări doar ca asistentă neplătită în laboratorul soțului ei. Acest lucru a mutat-o ​​de la fizica materiei condensate în domeniul său de fizică nucleară. Lucrările lui Scharff-Goldhaber din anii 1940, produse în aceste circumstanțe, arată că ea s-a ocupat cu brio de tranziție – dar nu a atins niciodată statutul de facultate complet la Illinois.

Un nou laborator pe Long Island

Abia în 1950, Scharff-Goldhaber și soțul ei au găsit împreună un adevărat cămin de cercetare, la noul Laboratorul Național Brookhaven (BNL), care fusese fondată cu trei ani mai devreme. Astăzi, o unitate a Departamentului de Energie al SUA, mandatul inițial al laboratorului a fost să caute utilizări pașnice ale energiei atomice. Eforturile sale științifice s-au diversificat de atunci, dar fizica nucleară și de înaltă energie rămân parte din activitățile sale de cercetare.

Numirea ei a făcut-o pe Scharff-Goldhaber prima femeie fizician la BNL, iar la 15 ani după ce și-a obținut diploma, a fost în sfârșit plătită ca cercetător profesionist. Chiar și așa, ea a funcționat într-o atmosferă pe care fiul ei, Michael, o descrie doar „acceptând-o cu reține”. Goldhaber a fost angajat ca „om de știință senior” și și-a condus propriul grup de cercetare, dar Scharff-Goldhaber a fost clasat simplu ca om de știință în cadrul grupului său. (Goldhaber va ajunge în cele din urmă la funcția de director al laboratorului 1961-1973, iar Scharff-Goldhaber la funcția de om de știință senior.)

Fiind singura femeie cu statut științific profesional la BNL, Scharff-Goldhaber nu avea colegi de sex feminin. Majoritatea femeilor asociate cu laboratorul erau soțiile nemuncioase ale oamenilor de știință bărbați, care în anii 1950 ocupau roluri tradiționale. Cu doi copii, Michael și Alfred, Scharff-Goldhaber avea responsabilități similare; dar la evenimentele sociale era mai probabil să vorbească despre fizică cu bărbații decât să discute despre îngrijirea copiilor cu femeile. În acest mediu masculin, ea a format relații bune cu colegii săi și cu personalul de sprijin care producea izotopii de care avea nevoie pentru cercetarea ei la reactorul BNL sau acceleratorul Van de Graaff.

Fisiunea și un experiment fundamental

Cu excepția perioadei din anii 1930, când încă încerca să devină un om de știință independent, Scharff-Goldhaber a menținut un ritm alert de cercetare și publicare, îndeplinind în același timp obligațiile familiei. În 1936 a publicat „Efectul stresului asupra magnetizării deasupra punctului Curie” din teza ei. Următorul ei set de lucrări a început patru ani mai târziu, odată ce a trecut la fizica nucleară în 1940, la Illinois, și a mai scris peste o duzină până când s-a stabilit pe deplin la BNL. În următorii 30 de ani, ea a publicat încă 60 de lucrări, mai ales în Examinare fizică, și contribuții la lucrările conferinței.

Leo Szilard: fizicianul care a avut în vedere arme nucleare, dar ulterior s-a opus folosirii lor

Câteva dintre lucrările rezultate din munca ei la Illinois în anii 1940 sunt deosebit de remarcabile, inclusiv una care se referă la fisiunea nucleară spontană. În 1938, Lise Meitner și Otto Frisch au descoperit că un nucleu de uraniu bombardat cu neutroni se poate împărți în două și eliberează multă energie. Dacă fisiunea indusă de neutroni ar putea fi autosusținută, ar putea produce o armă extrem de distructivă. În vreme ce războiul se profilează, fizicienii europeni și americani au investigat fisiunea autosusținută în speranța că naziștii nu vor găsi primii răspunsul.

În 1942, Scharff-Goldhaber a arătat în mod direct, aparent pentru prima dată, că uraniul supus fisiunii spontane a eliberat neutroni împreună cu energie. Acești neutroni ar putea activa mai multe nuclee și mai multă energie - o reacție în lanț în cascadă care ar putea deveni o explozie nucleară. Date ca acestea au fost cruciale pentru realizarea primei reacții nucleare controlate auto-susținute din lume în 1942, deoarece bomba atomică era construită de Proiectul Manhattan. Familia Scharff-Goldhaber nu erau încă cetățeni americani și, prin urmare, nu făceau parte din proiect, dar rezultatul ei a fost distribuit în secret oamenilor de știință relevanți și a fost publicat după război (Fizic. Rev. 70 229).

Într-o lucrare separată publicată în 1948 (Fiz. Rev. 73 1472), membrii Scharff-Goldhaber au răspuns împreună la o întrebare fundamentală: sunt razele beta exact aceleași cu electronii? Descoperiți în 1897 în raze catodice de JJ Thomson, electronii au fost primele particule elementare cunoscute. Câțiva ani mai târziu, în 1899, Rutherford studia noul fenomen al radioactivității și a găsit o emisie necunoscută pe care a numit-o raze beta. Acestea s-au dovedit a fi particule încărcate cu același raport sarcină/masă e/m ca electroni și au fost identificați ca atare. Dar întrebarea a rămas: ar putea razele beta și electronii să difere în alte proprietăți, cum ar fi spinul?

Familia Scharff-Goldhabers au testat inteligent această ipoteză folosind Principiul excluderii Pauli, care, au scris ei, „nu ar fi valabil pentru o pereche de particule dacă diferă în vreo proprietate”. În experimentul lor, au iradiat o probă de plumb cu raze beta. Dacă aceștia nu ar fi identici cu electronii, ei nu s-ar supune principiului Pauli. Apoi ar fi capturați de atomii de plumb, vor intra pe orbite legate deja pline cu electroni și vor trece pe orbita cea mai inferioară, determinând emisia de raze X. Dacă razele beta și electronii ar fi identici, primii ar fi interzis să intre pe orbitele atomice și să producă raze X. Experimentul nu a detectat raze X la energiile așteptate, confirmând că razele beta sunt electroni emiși din nucleele radioactive.

Nuclee excitate și numere „magice”.

Începând de la începutul anilor 1950 la BNL, Scharff-Goldhaber a început ceea ce ar fi proiectul ei de-a lungul carierei: să formeze o imagine sistematică a proprietăților nucleelor ​​excitate din tabelul periodic. Planul ei de a lucra în fizica nucleară cu „energie joasă” s-a îndepărtat de interesul crescând al soțului ei pentru fizica cu „energie înaltă”, unde noi acceleratori uriași de particule au sondat particule fundamentale. Potrivit fiului lor Michael, calea separată a lui Scharff-Goldhaber l-a lipsit pe tatăl său de marile ei abilități de experimentator. Dar el adaugă că „despărțirea nu a împiedicat conversația de la masa de familie să se concentreze pe fizica nucleară, așa cum a făcut-o înainte, în mare parte spre nedumerirea copiilor”. (Mai târziu, el și Alfred au obținut fiecare un doctorat în fizica teoretică a particulelor.)

La acea vreme, comportamentul nucleului excitat tocmai începea să fie înțeles. Această supă densă de protoni și neutroni ar putea fi privită ca o colecție de particule legate între ele de forțe nucleare, formând un mediu cu o energie care este exprimată în rotația sau vibrația întregului corp. În așa-numitul „model de înveliș”, totuși, nucleul a fost văzut ca un sistem cuantic în care nucleonii ocupă niveluri de energie, analog cu nivelurile discrete sau „cochilii” ocupate de electroni într-un atom. Fiecare abordare a avut succese. Tratarea nucleului ca pe un lichid a condus la înțelegerea modului în care s-ar putea deforma și a suferi fisiune. Modelul învelișului a prezis că nucleele cu specific, sau „magie”, numere de protoni sau neutroni (2, 8, 20, 28...) ar fi excepțional de stabil, din nou analog cu învelișurile electronice umplute în atomi.

Nu a fost clar, totuși, dacă experimentul a sprijinit într-adevăr modelul shell sau unde ar putea fi cel mai bine aplicată fiecare abordare. Cercetările ample ale lui Scharff-Goldhaber asupra diferitelor nuclee au ajutat la rezolvarea acestor probleme. Munca ei a fost semnificativă în dezvoltarea teoriei care a conectat în cele din urmă cele două abordări, ceea ce a condus la Aage Niels Bohr, Ben Mottelson și Leo Rainwater împărtășesc Premiul Nobel pentru Fizică în 1975.

În anii 1950, Scharff-Goldhaber a măsurat energia nucleelor ​​excitate în raport cu numărul de neutroni și a arătat că structura învelișului a influențat energia, care a atins apogeul la numerele magice. Ea a observat, de asemenea, o schimbare anormală a nivelurilor de energie cu o creștere a numărului de neutroni, pe care a legat-o de o schimbare a formei nucleului. Mai târziu și-a dezvoltat propriul „moment de inerție variabil” (VMI), care a folosit forma nucleelor ​​pentru a oferi mai multe informații despre energiile lor din tabelul periodic.

Pe lângă contribuțiile ei la teoria nucleară, cercetările lui Scharff-Goldhaber în această eră au avut caracteristici neobișnuite. Ea a scris două lucrări despre modelul VMI împreună cu fiul ei Alfred – din câte se știe, singurele lucrări de cercetare mamă-fiu în fizică (Fizic. Pr. Lett. 24, 1349 ; Fiz. Rev. C 17, 1171).

Ea și-a îmbunătățit, de asemenea, analiza datelor prin extinderea diagramei standard de nuclizi, unde fiecare nucleu este plasat într-o diagramă bidimensională a numărului de protoni față de numărul de neutroni. Scharff-Goldhaber a lipit tije verticale cu lungime proporțională cu cea mai mică energie de excitație pentru fiecare specie nucleară în poziția corespunzătoare pe diagramă. Cu mult înainte de utilizarea de rutină a vizualizărilor 3D pe computer, acesta a fost un ajutor extraordinar în identificarea caracteristicilor importante, cum ar fi schimbarea energiei între N = 88 și N = 90.

Împreună cu cercetările sale, Scharff-Goldhaber a găsit modalități de a ajuta femeile în știință și de a contribui la educația științifică și la comunitatea științifică. Printre multe implicări profesionale, ea a făcut parte din comitetele Societății Americane de Fizică (APS) dedicate statutului femeii în fizică și educației fizice preuniversitare. Era cunoscută și pentru că a contactat oamenii de știință aflați la începutul carierei – atât bărbați, cât și femei. Unul a fost Rosalyn Yalow, doctorand a lui Goldhaber la Illinois, care a împărtășit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină în 1977 pentru inventarea tehnicii de radioimunotest. Yalow l-a creditat atât pe consilierul ei, cât și pe Scharff-Goldhaber „pentru sprijin și încurajare”. De asemenea, Scharff-Goldhaber a lărgit atmosfera intelectuală la BNL prin fondarea Seria de prelegeri Brookhaven, cu vorbitori eminenti precum Richard Feynman. 

Pensionat, dar încă cercetează

Scharff-Goldhaber începuse la BNL relativ târziu și era gata să-și continue cercetările pentru o lungă perioadă de timp, dar legile stricte ale epocii privind pensionarea i-au încetat oficial angajarea în 1977, în vârstă de 66 de ani. Potrivit fiului ei Michael, pensionarea a fost forțată în un mod pe care el îl numește „subtil sexist”. Cu toate acestea, lucrând fără plată, ea a colaborat cu alți oameni de știință și a coautorat lucrări de cercetare până în 1988. Când sănătatea ei ia restrâns activitățile, ea a apreciat și a căutat satisfacție în ceea ce mai putea face, până când a murit la vârsta de 86 de ani. 1998.

În 1990, o jurnalistă care i-a intervievat Scharff-Goldhaber a remarcat „determinarea ei blândă, dar insistentă” – probabil chiar trăsăturile de caracter care i-au permis să depășească barierele din calea unei cariere de cercetare. În 2016, privind în urmă la viața mamei sale, Michael a descris-o ca fiind „o persoană cu o voință unică și chiar cu încăpățânare, trăsături de care cu siguranță avea nevoie... pentru a urma o carieră de succes într-o lume care i-a fost adesea împotriva ei”.

Poate că Scharff-Goldhaber ar fi de acord cu aceste evaluări, dar mai există una care cred că se aplică. În 1972, recenzând o carte despre energia nucleară a lui Isaac Asimov, Scharff-Goldhaber a scris că progresul în știință, printre alte calități, se bazează pe „dorința arzătoare de a ajunge la fundul lucrurilor”. Scriind acele cuvinte, a reflectat ea că propria ei viață exemplifica perfect acel etos?

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/