Изучение ядерного мира: жизнь и наука Гертруды Шарфф-Гольдхабер

Некоторые люди с юных лет знают, что хотят стать учеными и что при наличии достаточных способностей и усилий они могут достичь этой цели. Гертруда Шарфф (Шарфф-Гольдхабер после замужества) почувствовала это раннее призвание. И хотя у нее была возможность осуществить это, на ее пути к научному успеху было немало личных трудностей и профессиональных препятствий.

Родившись 14 июля 1911 года в немецко-еврейской семье, она пережила Первую мировую войну, послевоенные потрясения в Германии и приход к власти Гитлера. Получив докторскую степень по физике в Мюнхенском университете, она искала работу в профессии, в которой доминируют мужчины. Когда она бежала от нацизма, она столкнулась с трудностями иммиграции в Великобританию. И когда она попыталась построить новую жизнь в США со своим мужем-физиком, она все еще изо всех сил пыталась найти научную работу, поскольку жесткие правила кумовства мешали ее карьере.

Тем не менее она выстояла и зарекомендовала себя как очень уважаемый физик-ядерщик, одна из немногих женщин-первопроходцев в этой области. Ее исследования продвинули понимание ядерного деления и внесли свой вклад в теорию строения ядра. Ее работа была признана в 1972 году, когда она стала лишь третьей женщиной-физиком, избранной в Национальную академию наук. Ее также хорошо помнят как защитника женщин в науке, за поощрение молодых ученых и защиту научного образования.

Зловещие времена, выдающийся ученик

Шарфф, известная своим друзьям и семье как Трюда, первые годы жизни Шарф в Германии были неспокойными, включая Первую мировую войну, политические беспорядки и разрушительную для экономики гиперинфляцию после поражения страны в 1918 году. военных на улицах Мюнхена, где жила ее семья. Позже она вспоминала, что ей приходилось есть хлеб, насыпанный опилками. Беспорядки продолжались со зловещими предчувствиями для немецких евреев, когда Гитлер пришел к власти в 1933 году.

При этом Шарф получил достойное образование. По воспоминаниям ее сына Майкла, она посещала элитную среднюю школу для девочек. Выдающаяся ученица, она проявила интерес к физике. Ее отец надеялся, что она будет изучать право, чтобы подготовиться к управлению семейным бизнесом, но она больше стремилась «понять, из чего сделан мир», как она позже выразилась.

Двигаясь к своей цели, Шарфф поступила в Мюнхенский университет в 1930 году. Кульминацией ее образования стала работа над докторской диссертацией по физике под руководством Вальтера Герлаха, известного Эксперимент Штерна – Герлаха, установивший в 1922 г. существование квантованного спина в магнитном поле.. Ее исследования в области физики конденсированных сред касались ферромагнетизма.

Но внешние события полностью изменили ее планы и ее жизнь. По мере распространения нацизма Шарфф подвергалась остракизму со стороны коллег, а немецкие евреи начали бежать из страны. Однако она хорошо продвигалась в своих исследованиях. Как она сказала интервьюеру в 1990 году: «Мне нужно было уйти раньше. Но так как я начал свою диссертацию, я чувствовал, что должен закончить».

Финиш она сделала в 1935 году, но обрезала очень близко. В том же году были приняты Нюрнбергские законы, определявшие сначала евреев, а затем цыган и черных немцев как «низшие расы» и «врагов государства». Они были фактически исключены из немецкого общества и подверглись суровым наказаниям за нарушение законов. Антисемитское насилие росло, и позже родители Шарффа погибли во время Холокоста.

Понимая, что пора бежать из Германии, Шарфф написал 35 ученым-беженцам, ищущим работу в другом месте. Почти все говорили ей не приезжать, потому что ученых-беженцев уже было избыток — кроме Морис Гольдхабер, молодого австрийского еврея-физика, с которым она познакомилась в Германии. Работая над докторской диссертацией в Кембриджском университете под руководством Эрнеста Резерфорда, он думал, что в Англии могут быть возможности. Переехав в Лондон, Шарфф зарабатывала на жизнь в течение шести месяцев, продавая ценное имущество, которое было частью ее свадебного приданого, — камеру Leica, хорошо известную своей прекрасной оптикой, — и переводя статьи с немецкого на английский. Затем она работала в Имперском колледже Лондона под руководством Джорджа Томсона, изучая дифракцию электронов (в 1В 937 году он разделил Нобелевскую премию с Клинтоном Дэвиссоном за открытие эффекта в кристаллах.), но так и не нашел самостоятельной исследовательской позиции.

В 1939 году ее перспективы улучшились. Шарфф вышла замуж за Голдхабера, став Шарфф-Голдхабер, и пара переехала в США. У Гольдхабер была должность преподавателя в Университете Иллинойса в Урбане, но Шарфф-Гольдхабер не могла стать полноценным академическим ученым, потому что законы против кумовства в Иллинойсе не позволяли университету нанять ее. Она могла заниматься исследованиями только в качестве бесплатного ассистента в лаборатории своего мужа. Это переместило ее из физики конденсированного состояния в его область ядерной физики. Документы Шарфф-Гольдхабер в 1940-х годах, подготовленные при таких обстоятельствах, показывают, что она блестяще справилась с переходом, но она так и не достигла полного статуса преподавателя в Иллинойсе.

Новая лаборатория на Лонг-Айленде

Только в 1950 году Шарфф-Гольдхабер и ее муж вместе нашли настоящий исследовательский дом в новом Брукхейвенская национальная лаборатория (BNL), которая была основана тремя годами ранее. Сегодня лаборатория является объектом Министерства энергетики США, первоначальный мандат которой заключался в поиске мирного использования атомной энергии. С тех пор его научная деятельность диверсифицировалась, но ядерная физика и физика высоких энергий остаются частью его исследовательской деятельности.

Ее назначение сделало Шарфф-Гольдхабер первой женщиной-физиком в BNL, и через 15 лет после получения степени ей наконец начали платить как профессиональному исследователю. Тем не менее, она действовала в атмосфере, которую ее сын Майкл описывает как «неохотно принимающую». Гольдхабер был нанят как «старший научный сотрудник» и руководил собственной исследовательской группой, но Шарфф-Гольдхабер считался просто ученым в своей группе. (Гольдхабер в конечном итоге дослужился до директора лаборатории в 1961–1973 годах, а Шарфф-Гольдхабер до старшего научного сотрудника.)

Как единственная женщина с профессиональным научным статусом в BNL, Шарфф-Гольдхабер не имела равных женщин-ученых. Большинство женщин, связанных с лабораторией, были неработающими женами ученых-мужчин, которые в 1950-х годах выполняли традиционные роли. С двумя детьми, Майклом и Альфредом, у Шарфф-Гольдхабера были аналогичные обязанности; но на светских мероприятиях она чаще говорила о физике с мужчинами, чем об уходе за детьми с женщинами. В этой мужской среде у нее сложились хорошие отношения со своими коллегами и со вспомогательным персоналом, который производил изотопы, необходимые ей для ее исследований на реакторе БНЛ или ускорителе Ван де Граафа.

Деление и фундаментальный эксперимент

За исключением периода 1930-х годов, когда она все еще пыталась стать независимым ученым, Шарфф-Гольдхабер поддерживала быстрый темп исследований и публикаций, выполняя при этом семейные обязательства. В 1936 году она опубликовала «Влияние напряжения на намагниченность выше точки Кюри» из своей диссертации. Ее следующий набор статей начался четыре года спустя, когда она переключилась на ядерную физику в 1940 году в Иллинойсе, и она написала еще более дюжины, пока полностью не устроилась в BNL. В течение следующих 30 лет она опубликовала еще около 60 статей, в основном в Физический обзор, и вклады в материалы конференции.

Лео Сцилард: физик, который предвидел создание ядерного оружия, но позже выступил против его использования.

Несколько статей, появившихся в результате ее работы в Иллинойсе в 1940-х годах, особенно примечательны, в том числе статья, посвященная спонтанному делению ядер. В 1938 году Лиза Мейтнер и Отто Фриш обнаружили, что ядро ​​урана, бомбардированное нейтронами, может разделиться на две части и высвободить много энергии. Если бы деление, вызванное нейтронами, можно было бы сделать самоподдерживающимся, оно могло бы создать чрезвычайно разрушительное оружие. С приближением войны европейские и американские физики исследовали самоподдерживающееся деление, надеясь, что нацисты не найдут ответ первыми.

В 1942 г. Шарф-Гольдхабер прямо показал, по-видимому, впервые, что уран при самопроизвольном делении выделяет вместе с энергией нейтроны. Эти нейтроны могут активировать больше ядер и больше энергии — каскадная цепная реакция, которая может стать ядерным взрывом. Подобные данные имели решающее значение для осуществления первой в мире самоподдерживающейся управляемой ядерной реакции в 1942 году, когда в рамках Манхэттенского проекта создавалась атомная бомба. Шарф-Голдхаберы еще не были гражданами США и поэтому не участвовали в проекте, но ее результат был тайно распространен среди соответствующих ученых и опубликован после войны (Phys. Ред. 70 229).

В отдельной статье, опубликованной в 1948 г.физ. Преподобный. 73 1472), Шарф-Гольдхабер вместе ответили на фундаментальный вопрос: бета-лучи точно такие же, как электроны? Электроны, открытые в 1897 году Дж. Дж. Томсоном в катодных лучах, были первыми известными элементарными частицами. Несколько лет спустя, в 1899 году, Резерфорд изучал новое явление радиоактивности и обнаружил неизвестное излучение, которое он назвал бета-лучами. Это оказались заряженные частицы с одинаковым отношением заряда к массе. Эм как электроны и были идентифицированы как таковые. Но оставался вопрос: могут ли бета-лучи и электроны отличаться каким-то другим свойством, например спином?

Шарф-Гольдхаберы остроумно проверили эту гипотезу, используя Принцип исключения Паули, что, как они писали, «не было бы справедливо для пары частиц, если бы они отличались каким-либо свойством». В своем эксперименте они облучили образец свинца бета-лучами. Если бы они не были идентичны электронам, они не подчинялись бы принципу Паули. Затем они будут захвачены атомами свинца, выйдут на связанные орбиты, уже заполненные электронами, и перейдут на самую низкую орбиту, вызывая испускание рентгеновских лучей. Если бы бета-лучи и электроны были идентичными, первым было бы запрещено выходить на атомные орбиты и производить рентгеновские лучи. Эксперимент не обнаружил рентгеновских лучей с ожидаемыми энергиями, что подтверждает, что бета-лучи — это электроны, испускаемые радиоактивными ядрами.

Возбужденные ядра и «магические» числа

Начиная с начала 1950-х годов в BNL Шарфф-Гольдхабер приступила к тому, что станет ее карьерным проектом: сформировать систематизированную картину свойств возбужденных ядер в периодической таблице. Ее планы работать в области ядерной физики «низких энергий» расходились с растущим интересом ее мужа к физике «высоких энергий», где огромные новые ускорители элементарных частиц исследовали фундаментальные частицы. По словам их сына Майкла, отдельный путь Шарфф-Гольдхабер лишил отца ее больших способностей экспериментатора. Но он добавляет, что «раскол не помешал разговору за семейным обеденным столом сосредоточиться на ядерной физике, как это было раньше, в основном к недоумению детей». (Позже он и Альфред получили докторские степени в области теоретической физики элементарных частиц.)

В то время поведение возбужденного ядра только начиналось понимать. Этот плотный суп из протонов и нейтронов можно рассматривать как совокупность частиц, связанных между собой ядерными силами, образующих среду с энергией, которая выражается во вращении или вибрации всего тела. Однако в так называемой «оболочке» ядро ​​рассматривалось как квантовая система, в которой нуклоны занимают энергетические уровни, аналогичные дискретным уровням или «оболочкам», занимаемым электронами в атоме. Каждый подход имел успех. Рассмотрение ядра как жидкости привело к пониманию того, как оно может деформироваться и подвергаться делению. Модель оболочки предсказала, что ядра со специфическими или «магия», количество протонов или нейтронов (2, 8, 20, 28…) будет исключительно стабильным, опять же аналогично заполненным электронным оболочкам в атомах.

Однако было неясно, действительно ли эксперимент поддерживает модель оболочки и где лучше всего применять каждый подход. Обширные исследования Шарфа-Гольдхабера по различным ядрам помогли решить эти проблемы. Ее работа сыграла важную роль в разработке теории, которая, наконец, соединила два подхода, что привело к Оге Нильс Бор, Бен Моттельсон и Лео Рейнуотер делят Нобелевскую премию по физике 1975 года..

В 1950-х годах Шарфф-Гольдхабер измерил зависимость энергии возбужденных ядер от числа нейтронов и показал, что структура оболочки влияет на энергию, которая достигает максимума при магических числах. Она также отметила аномальное изменение энергетических уровней при увеличении числа нейтронов, которое она связала с изменением формы ядра. Позже она разработала собственную «переменный момент инерции” (VMI), в которой форма ядер использовалась для дальнейшего понимания их энергий в периодической таблице.

Помимо ее вклада в ядерную теорию, исследования Шарф-Гольдхабер того времени имели необычные черты. Она написала две статьи о модели VMI вместе со своим сыном Альфредом - насколько известно, единственные исследовательские работы матери и сына в физике (Phys. Преподобный Летт. 24, 1349 ; физ. Преподобный С 17, 1171).

Она также усовершенствовала свой анализ данных, расширив стандартную диаграмму нуклидов, где каждое ядро ​​помещено в двумерный график зависимости количества протонов от количества нейтронов. Шарф-Гольдхабер приклеил вертикальные стержни, длина которых пропорциональна наименьшей энергии возбуждения для каждого вида ядер, в соответствующее положение на диаграмме. Задолго до рутинного использования трехмерных компьютерных визуализаций это было огромным подспорьем в выявлении важных особенностей, таких как изменение энергии между N = 88 и N = 90.

Наряду со своими исследованиями Шарфф-Гольдхабер нашла способы помочь женщинам в науке и внести свой вклад в научное образование и научное сообщество. Помимо многих профессиональных занятий, она работала в комитетах Американского физического общества (APS), занимающихся положением женщин в физике и дошкольным физическим образованием. Она также была известна тем, что обращалась к начинающим ученым — как мужчинам, так и женщинам. Один был Розалин Ялоу , аспирант Гольдхабера в Иллинойсе, получившая Нобелевскую премию 1977 года по физиологии и медицине. за изобретение метода радиоиммунологического анализа. Ялоу выразила благодарность своему советнику и Шарфф-Гольдхаберу «за поддержку и поддержку». Шарфф-Гольдхабер также расширил интеллектуальную атмосферу в BNL, основав Серия лекций Брукхейвена, с участием выдающихся ораторов, таких как Ричард Фейнман. 

На пенсии, но все еще исследую

Шарфф-Гольдхабер начала работать в BNL относительно поздно и была готова продолжать свои исследования в течение длительного времени, но строгие пенсионные законы той эпохи официально прекратили ее работу в 1977 году в возрасте 66 лет. По словам ее сына Майкла, выход на пенсию был вынужден в способ, который он называет «слегка сексистским». Тем не менее, работая бесплатно, она сотрудничала с другими учеными и была соавтором научных статей до 1988 года. Однако, когда ухудшение здоровья ограничило ее деятельность, она ценила и искала удовлетворения в том, что она все еще могла делать, пока не умерла в возрасте 86 лет. 1998.

В 1990 году журналист, взявший у Шарфф-Гольдхабер интервью, отметил ее «мягкую, но настойчивую решимость» — вероятно, те самые черты характера, которые позволили ей преодолеть барьеры на пути к исследовательской карьере. В 2016 году, оглядываясь на жизнь своей матери, Майкл описал ее как «человека уникального своенравия и даже упрямства, черт, которые ей, безусловно, были нужны… чтобы сделать успешную карьеру в мире, который часто был настроен против нее».

Возможно, Шарф-Гольдхабер согласился бы с этими оценками, но есть и другая, которая, как мне кажется, применима. В 1972 году, рецензируя книгу Айзека Азимова об атомной энергетике, Шарфф-Гольдхабер писал, что прогресс в науке, помимо прочих качеств, «основан на жгучем желании докопаться до сути вещей». Написав эти слова, размышляла ли она о том, что ее собственная жизнь прекрасно иллюстрирует этот дух?

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/