Raziskovanje jedrskega sveta: življenje in znanost Gertrude Scharff-Goldhaber

Nekateri že od malih nog vedo, da želijo biti znanstveniki in da – z dovolj sposobnosti in truda – ta cilj lahko dosežejo. Gertrude Scharff (Scharff-Goldhaber, potem ko se je poročila) začutila ta zgodnji klic. In čeprav je bila sposobna to izpolniti, je imela njena pot do znanstvenega uspeha več kot le osebne stiske in poklicne ovire.

Rojena 14. julija 1911 v nemško-judovski družini je preživela prvo svetovno vojno, povojne pretrese v Nemčiji in vzpon Hitlerja. Potem ko je doktorirala iz fizike na Univerzi v Münchnu, je iskala vstop v poklic, v katerem prevladujejo moški. Ko je bežala pred nacizmom, se je kot priseljenka v Združeno kraljestvo soočala s težavami. In ko je poskušala zgraditi novo življenje v ZDA s svojim možem fizikom, je še vedno težko našla znanstveno zaposlitev, saj so ji toga pravila nepotizma preprečila njeno kariero.

Vendar je zdržala in se uveljavila kot zelo cenjena jedrska fizičarka, ena redkih pionirk na tem področju. Njene raziskave so pripomogle k razumevanju jedrske cepitve in prispevale k teoriji strukture jedra. Njeno delo je bilo priznano leta 1972, ko je postala šele tretja fizičarka, izvoljena v Nacionalno akademijo znanosti. Dobro se je spominjajo tudi kot zagovornice žensk v znanosti, za spodbujanje mladih znanstvenikov in zagovarjanje znanstvenega izobraževanja.

Zlovešči časi, izjemen študent

Za svoje prijatelje in družino znana kot Trude, so bila Scharffova zgodnja leta v Nemčiji burna, vključevala so prvo svetovno vojno, politične nemire in gospodarsko uničujočo hiperinflacijo po porazu države leta 1918. Pri osmih letih je videla, kako so komunistične revolucionarje pobili komunisti. vojaško na ulicah Münchna, kjer je živela njena družina. Kasneje se je spomnila, da je morala jesti kruh, napolnjen z žagovino. Nemiri so se nadaljevali z zloveščimi slutnjami za nemške Jude, ko je Hitler leta 1933 prišel na oblast.

Med vsem tem je Scharff pridobil vredno izobrazbo. Po spominih njenega sina Michaela je obiskovala elitno srednjo šolo za dekleta. Kot odlična učenka se je zanimala za fiziko. Njen oče je upal, da bo študirala pravo, da bi se pripravila na vodenje družinskega podjetja, vendar si je bolj želela »razumeti, iz česa je svet«, kot se je pozneje izrazila.

Scharffova se je približevala svojemu cilju leta 1930 vpisala Univerzo v Münchnu. Njeno izobraževanje je doseglo vrhunec z delom za doktorat iz fizike pod vodstvom Waltherja Gerlacha, slavnega Stern-Gerlachov poskus, ki je leta 1922 ugotovil obstoj kvantiziranega spina v magnetnem polju. Njene raziskave v fiziki kondenziranih snovi so se ukvarjale s feromagnetizmom.

Toda zunanji dogodki so ji popolnoma spremenili načrte in življenje. Ko se je nacizem širil, so jo kolegi izobčili, nemški Judje pa so začeli bežati iz države. Vendar pa je dobro napredovala pri svojem raziskovanju. Kot je povedala sogovorniku leta 1990: »Morala bi oditi prej. Ker pa sem začel diplomsko nalogo, sem čutil, da bi jo moral dokončati.«

Končala je, leta 1935, vendar je zelo blizu. To je bilo leto, ko so bili sprejeti nürnberški zakoni, ki so najprej Jude, kasneje pa Rome in črne Nemce opredelili kot »nižje rase« in »državne sovražnike«. Dejansko so bili izključeni iz nemške družbe in so se soočili s strogimi kaznimi za kršenje zakonov. Antisemitsko nasilje je raslo in Scharffovi starši so pozneje umrli v holokavstu.

Ker se je Scharff zavedal, da je prav gotovo čas za pobeg iz Nemčije, je pisal 35 begunskim znanstvenikom, ki so iskali položaj drugje. Skoraj vsi so ji rekli, naj ne pride, ker je bilo znanstvenikov beguncev že prenasičeno – razen Maurice Goldhaber, mladega avstrijsko-židovskega fizika, ki ga je spoznala v Nemčiji. Ko je delal na doktoratu na Univerzi v Cambridgeu pod vodstvom Ernesta Rutherforda, je menil, da bi lahko bile priložnosti v Angliji. Ko se je preselila v London, se je Scharff šest mesecev preživljala s prodajo dragocene lastnine, ki je bila del njene poročne oprave – fotoaparata Leica, znanega po svoji fini optiki – in prevajanja člankov iz nemščine v angleščino. Nato je delala na Imperial College London pri Georgeu Thomsonu, kjer je preučevala uklon elektronov (v 1.937 si je s Clintonom Davissonom delil Nobelovo nagrado za odkritje učinka v kristalih), vendar nikoli ni našel neodvisnega raziskovalnega položaja.

Leta 1939 so se njeni obeti izboljšali. Scharff se je poročil z Goldhaberjem in postal Scharff-Goldhaber, in par se je preselil v ZDA. Goldhaberjeva je imela fakultetni položaj na Univerzi Illinois-Urbana, vendar Scharff-Goldhaberjeva ni mogla postati polnopravna akademska znanstvenica, ker zakoni proti nepotizmu v Illinoisu univerzi niso dovolili, da bi jo zaposlila. Raziskovala je lahko le kot neplačana pomočnica v moževem laboratoriju. To jo je iz fizike kondenzirane snovi premaknilo na njegovo področje jedrske fizike. Dokumenti Scharff-Goldhaberjeve iz 1940-ih, ki so nastali v teh okoliščinah, kažejo, da je prehod opravila briljantno – vendar nikoli ni dosegla polnega statusa fakultete v Illinoisu.

Nov laboratorij na Long Islandu

Šele leta 1950 sta Scharff-Goldhaber in njen mož skupaj našla pravi raziskovalni dom, na novem Nacionalni laboratorij Brookhaven (BNL), ki je bila ustanovljena tri leta prej. Prvotni mandat laboratorija, ki je danes objekt ameriškega ministrstva za energijo, je bil iskanje miroljubne uporabe atomske energije. Njegova znanstvena prizadevanja so se od takrat razširila, vendar jedrska fizika in fizika visokih energij ostajata del njegovih raziskovalnih dejavnosti.

Zaradi njenega imenovanja je Scharff-Goldhaberjeva postala prva fizičarka na BNL in 15 let po diplomi je končno dobila plačilo kot poklicna raziskovalka. Kljub temu je delovala v atmosferi, ki jo njen sin Michael opisuje kot le »nejevoljno sprejemanje«. Goldhaber je bil najet kot "višji znanstvenik" in je vodil svojo raziskovalno skupino, vendar je bil Scharff-Goldhaber uvrščen preprosto kot znanstvenik znotraj svoje skupine. (Goldhaber se je sčasoma povzpel do direktorja laboratorija 1961–1973, Scharff-Goldhaber pa do višjega znanstvenika.)

Kot edina ženska s strokovnim znanstvenim statusom na BNL Scharff-Goldhaberjeva ni imela znanstvenih kolegic. Večina žensk, povezanih z laboratorijem, so bile nezaposlene žene znanstvenikov, ki so v petdesetih letih prejšnjega stoletja opravljali tradicionalne vloge. Z dvema otrokoma, Michaelom in Alfredom, je imela Scharff-Goldhaber podobne odgovornosti; toda na družabnih dogodkih se je bolj verjetno pogovarjala o fiziki z moškimi kot o varstvu otrok z ženskami. V tem moškem okolju je vzpostavila dobre odnose s sodelavci in s pomožnim osebjem, ki je proizvajalo izotope, ki jih je potrebovala za svoje raziskave v reaktorju BNL ali Van de Graaffovem pospeševalniku.

Fisija in temeljni eksperiment

Razen v obdobju tridesetih let prejšnjega stoletja, ko je še vedno poskušala postati neodvisna znanstvenica, je Scharff-Goldhaberjeva vzdrževala hiter tempo raziskovanja in objavljanja, medtem ko je izpolnjevala družinske obveznosti. Leta 1930 je objavila "Učinek stresa na magnetizacijo nad Curiejevo točko" iz svoje disertacije. Njena naslednja zbirka člankov se je začela štiri leta pozneje, ko je leta 1936 v Illinoisu prešla na jedrsko fiziko, napisala pa jih je še več kot ducat, dokler se ni popolnoma ustalila na BNL. V naslednjih 1940 letih je objavila še približno 30 člankov, večinoma v Fizični pregled, in prispevki v zborniku konference.

Leo Szilard: fizik, ki je predvidel jedrsko orožje, vendar je kasneje nasprotoval njegovi uporabi

Več člankov, ki izhajajo iz njenega dela v Illinoisu v štiridesetih letih prejšnjega stoletja, je še posebej opaznih, vključno s tistim, ki se nanaša na spontano jedrsko fisijo. Leta 1940 sta Lise Meitner in Otto Frisch ugotovila, da se lahko uranovo jedro, obstreljeno z nevtroni, razcepi na dvoje in sprosti veliko energije. Če bi lahko z nevtroni povzročeno fisijo naredili samozadostno, bi lahko proizvedla izjemno uničujoče orožje. Ob bližajoči se vojni so evropski in ameriški fiziki raziskovali samozadostno cepitev v upanju, da nacisti ne bodo prvi našli odgovora.

Leta 1942 je Scharff-Goldhaber neposredno pokazal, očitno prvič, da uran pri spontani cepitvi sprošča nevtrone skupaj z energijo. Ti nevtroni bi lahko aktivirali več jeder in več energije – kaskadna verižna reakcija, ki bi lahko postala jedrska eksplozija. Takšni podatki so bili ključni za doseganje prve samozadostne nadzorovane jedrske reakcije na svetu leta 1942, ko je projekt Manhattan izdeloval atomsko bombo. Scharff-Goldhaber še nista bila državljana ZDA in zato nista bila del projekta, vendar je bil njen rezultat na skrivaj posredovan ustreznim znanstvenikom in objavljen po vojni (Fiz. Rev. 70 229).

V ločenem dokumentu, objavljenem leta 1948 (Phys. Rev. 73 1472), sta Scharff-Goldhaber skupaj odgovorila na temeljno vprašanje: ali so beta žarki popolnoma enaki elektronom? Elektroni, ki jih je leta 1897 v katodnih žarkih odkril JJ Thomson, so bili prvi znani osnovni delci. Nekaj ​​let pozneje, leta 1899, je Rutherford preučeval nov pojav radioaktivnosti in odkril neznano emisijo, ki jo je imenoval beta žarki. Izkazalo se je, da so to nabiti delci z enakim razmerjem naboja in mase e/m kot elektroni in so bili kot taki identificirani. Vendar je ostalo vprašanje: ali se lahko beta žarki in elektroni razlikujejo v kakšni drugi lastnosti, kot je vrtenje?

Scharff-Goldhaberji so to hipotezo spretno preizkusili z uporabo Paulijevo izključitveno načelo, kar, kot so zapisali, "ne bi držalo za par delcev, če bi se razlikovali v kakršni koli lastnosti". V svojem poskusu so vzorec svinca obsevali z beta žarki. Če ti ne bi bili identični elektronom, ne bi upoštevali Paulijevega načela. Nato bi jih ujeli atomi svinca, vstopili v vezane orbite, že napolnjene z elektroni, in prešli v najnižjo orbito, kar bi povzročilo oddajanje rentgenskih žarkov. Če bi bili beta žarki in elektroni enaki, bi prvim prepovedali vstop v atomsko orbito in ustvarjanje rentgenskih žarkov. Poskus ni zaznal rentgenskih žarkov pri pričakovanih energijah, kar potrjuje, da so beta žarki elektroni, ki jih oddajajo radioaktivna jedra.

Vzbujena jedra in "magična" števila

Scharff-Goldhaberjeva se je začela v zgodnjih petdesetih letih 1950. stoletja pri BNL in začela projekt, ki je bil njena kariera: oblikovati sistematično sliko lastnosti vzbujenih jeder v periodnem sistemu. Njen načrt za delo na področju jedrske fizike z nizko energijo se je razlikoval od moževega naraščajočega zanimanja za fiziko z »visokimi energijami«, kjer so ogromni novi pospeševalniki delcev raziskovali osnovne delce. Po besedah ​​njunega sina Michaela je ločena pot Scharff-Goldhaberja njegovega očeta prikrajšala za njene velike sposobnosti eksperimentalke. Vendar dodaja, da "razkol ni preprečil, da bi se družinski pogovor za večerjo osredotočil na jedrsko fiziko, tako kot je bil prej, predvsem na zmedo otrok". (Pozneje sta on in Alfred vsak doktorirala iz teoretične fizike delcev.)

Takrat je bilo obnašanje vzbujenega jedra šele začeti dojemati. Na to gosto juho protonov in nevtronov bi lahko gledali kot na zbirko delcev, povezanih z jedrskimi silami, ki tvorijo medij z energijo, ki se izraža v vrtenju ali vibriranju celotnega telesa. V tako imenovanem "modelu lupine" pa je bilo jedro obravnavano kot kvantni sistem, kjer nukleoni zasedajo energijske nivoje, podobno kot diskretni nivoji ali "lupine", ki jih zasedajo elektroni v atomu. Vsak pristop je bil uspešen. Obravnavanje jedra kot tekočine je vodilo do razumevanja, kako se lahko deformira in podvrže cepitvi. Model lupine je napovedal, da bodo jedra s specifičnimi ali "magija«, števila protonov ali nevtronov (2, 8, 20, 28 ...) bi bil izjemno stabilen, spet analogno napolnjenim elektronskim lupinam v atomih.

Vendar ni bilo jasno, ali je eksperiment res podpiral model lupine ali kje bi bilo mogoče vsak pristop najbolje uporabiti. Scharff-Goldhaberjeva obsežna raziskava različnih jeder je pomagala rešiti ta vprašanja. Njeno delo je bilo pomembno pri razvoju teorije, ki je končno povezala oba pristopa, kar je pripeljalo do Aage Niels Bohr, Ben Mottelson in Leo Rainwater si delijo Nobelovo nagrado za fiziko leta 1975.

V petdesetih letih prejšnjega stoletja je Scharff-Goldhaber izmeril energijo vzbujenih jeder glede na število nevtronov in pokazal, da struktura lupine vpliva na energijo, ki je dosegla vrh pri magičnih številkah. Opazila je tudi nenormalno spremembo ravni energije s povečanjem števila nevtronov, kar je povezala s spremembo oblike jedra. Kasneje je razvila lastno "spremenljiv vztrajnostni moment” (VMI), ki je uporabil obliko jeder za nadaljnji vpogled v njihove energije v periodnem sistemu.

Poleg njenih prispevkov k jedrski teoriji so imele raziskave Scharff-Goldhaberjeve v tem obdobju nenavadne značilnosti. Skupaj s sinom Alfredom je napisala dve prispevki o modelu VMI – kolikor je znano, edini raziskovalni nalogi mati-sin v fiziki (Fiz. Rev. Lett. 24, 1349 ; Phys. Rev. C 17, 1171).

Prav tako je izboljšala svojo analizo podatkov z razširitvijo standardne karte nuklidov, kjer je vsako jedro postavljeno v dvodimenzionalni graf števila protonov v primerjavi s številom nevtronov. Scharff-Goldhaber je prilepil navpične palice dolžine, ki je sorazmerna z najnižjo energijo vzbujanja za vsako jedrsko vrsto, na ustrezen položaj na grafikonu. Dolgo pred rutinsko uporabo 3D računalniških vizualizacij je bila to izjemna pomoč pri odkrivanju pomembnih značilnosti, kot je sprememba energije med N = 88 in N = 90.

Skupaj s svojim raziskovanjem je Scharff-Goldhaber našla načine, kako pomagati ženskam v znanosti ter prispevati k znanstvenemu izobraževanju in znanstveni skupnosti. Med številnimi poklicnimi vpletenostmi je sodelovala v odborih Ameriškega fizikalnega društva (APS), posvečenih statusu žensk v fiziki in fizikalnemu izobraževanju pred fakulteto. Znana je bila tudi po tem, da je dosegla znanstvenike na začetku kariere – tako moške kot ženske. Ena je bila Rosalyn Yalow, Goldhaberjeva doktorska študentka v Illinoisu, ki si je leta 1977 delila Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino za izum tehnike radioimunskih testov. Yalow je svojemu svetovalcu in Scharff-Goldhaberju pripisala "podporo in spodbudo". Scharff-Goldhaber je razširil tudi intelektualno vzdušje v BNL z ustanovitvijo Serija predavanj Brookhaven, ki vključuje eminentne govornike, kot je Richard Feynman. 

Upokojen, a še vedno raziskuje

Scharff-Goldhaberjeva je na BNL začela sorazmerno pozno in je bila pripravljena nadaljevati svoje raziskave še dolgo, vendar so jo zaradi strogih zakonov o upokojevanju te dobe uradno končali leta 1977, ko je bila stara 66 let. Po besedah ​​njenega sina Michaela je bila upokojitev prisiljena l. način, ki ga imenuje "subtilno seksističen". Kljub temu je ob delu brez plačila sodelovala z drugimi znanstveniki in bila soavtorica raziskovalnih člankov vse do leta 1988. Ko jo je načeto zdravje omejevalo pri dejavnostih, je cenila in iskala zadovoljstvo v tem, kar še lahko počne, dokler ni umrla v starosti 86 let v 1998.

Leta 1990 je novinar, ki je intervjuval Scharff-Goldhaber, opazil njeno "mehko, a vztrajno odločnost" - verjetno prav značajske lastnosti, ki so ji omogočile premagati ovire za raziskovalno kariero. Leta 2016, ko se je ozrl nazaj na življenje svoje matere, jo je Michael opisal kot "osebo edinstvene svojeglavosti in celo trmoglavosti, lastnosti, ki jih je zagotovo potrebovala … za uspešno kariero v svetu, ki je bil pogosto postavljen proti njej".

Morda bi se Scharff-Goldhaber strinjal s temi ocenami, vendar obstaja še ena, za katero menim, da velja. Leta 1972 je Scharff-Goldhaber ob recenziji knjige o jedrski energiji Isaaca Asimova zapisal, da napredek v znanosti med drugimi lastnostmi »temelji na goreči želji, da bi stvarem prišli do dna«. Ali je ob pisanju teh besed mislila, da njeno lastno življenje popolnoma ponazarja ta etos?

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/