Utforska kärnkraftsvärlden: Gertrude Scharff-Goldhabers liv och vetenskap

Vissa människor vet redan från unga år att de vill bli vetenskapsmän och att de – med tillräcklig förmåga och ansträngning – kan nå det målet. Gertrude Scharff (Scharff-Goldhaber efter att hon gifte sig) kände den tidiga kallelsen. Och även om hon hade förmågan att uppfylla det, hade hennes väg till vetenskaplig framgång mer än sin del av personliga svårigheter och professionella hinder.

Född till en tysk-judisk familj den 14 juli 1911, levde hon genom första världskriget, efterkrigstidens omvälvningar i Tyskland och Hitlers uppgång. Efter att ha tagit sin doktorsexamen i fysik från universitetet i München, sökte hon inträde i ett yrke dominerat av män. När hon flydde från nazismen mötte hon svårigheter som invandrare till Storbritannien. Och när hon försökte bygga ett nytt liv i USA med sin fysiker man, kämpade hon fortfarande för att hitta vetenskaplig sysselsättning, eftersom nepotismens stela regler omintetgjorde hennes karriär.

Ändå uthärdade hon och etablerade sig som en högt respekterad kärnfysiker, en av de få pionjärkvinnorna i det området. Hennes forskning främjade förståelsen av kärnklyvning och bidrog till teorin om kärnstruktur. Hennes arbete erkändes 1972 när hon bara blev den tredje kvinnliga fysikern som valdes in i National Academy of Sciences. Hon är också väl ihågkommen som en förespråkare för kvinnor inom vetenskap, för att uppmuntra unga vetenskapsmän och för att kämpa för naturvetenskaplig utbildning.

Illavarslande tider, enastående student

Scharffs tidiga år i Tyskland, känd som Trude för sina vänner och familj, var turbulenta år, som omfattade första världskriget, politisk oro och ekonomiskt ruinerande hyperinflation efter landets nederlag 1918. Vid åtta års ålder såg hon kommunistiska revolutionärer slaktas av militär på gatorna i München, där hennes familj bodde. Senare skulle hon minnas att hon behövde äta bröd fyllt med sågspån. Oron fortsatte, med olycksbådande föraningar för tyska judar, när Hitler kom till makten 1933.

Mitt i allt detta fick Scharff en värdig utbildning. Enligt en memoarbok av hennes son Michael gick hon på en elitgymnasium för flickor. En enastående student utvecklade hon ett intresse för fysik. Hennes pappa hade hoppats att hon skulle studera juridik för att förbereda sig för att leda familjeföretaget, men hon var mer angelägen om att "förstå vad världen är gjord av", som hon senare uttryckte det.

På väg mot sitt mål gick Scharff in på universitetet i München 1930. Hennes utbildning kulminerade i att arbeta mot en doktorsexamen i fysik under Walther Gerlach, av den berömda Stern-Gerlach-experiment som 1922 fastställde förekomsten av kvantiserad spinn i ett magnetfält. Hennes forskning inom den kondenserade materiens fysik handlade om ferromagnetism.

Men yttre händelser förändrade hennes planer och hennes liv totalt. När nazismen spred sig fann Scharff sig utfryst av kollegor och tyska judar började fly landet. Hon var dock bra med i sin forskning. Som hon sa till en intervjuare 1990: "Jag borde ha gått tidigare. Men eftersom jag hade påbörjat mitt examensarbete kände jag att jag borde avsluta.”

Hon avslutade det 1935, men hon klippte det väldigt nära. Det var året då Nürnberglagarna antogs, som först definierade judar och senare romer och svarta tyskar som "underlägsna raser" och "statens fiender". De var i praktiken utestängda från det tyska samhället och utsattes för hårda straff för att ha brutit mot lagarna. Det antisemitiska våldet växte och Scharffs föräldrar omkom senare i Förintelsen.

Medveten om att det med all säkerhet var dags att fly från Tyskland skrev Scharff till 35 flyktingforskare som sökte en position någon annanstans. Nästan alla sa åt henne att inte komma eftersom det redan fanns en mängd flyktingforskare – förutom Maurice Goldhaber, en ung österrikisk-judisk fysiker som hon hade träffat i Tyskland. När han arbetade på en doktorsexamen vid University of Cambridge under Ernest Rutherford, trodde han att det kunde finnas möjligheter i England. När hon flyttade till London försörjde sig Scharff i sex månader genom att sälja en värdefull ägodel som ingick i hennes bröllopsbyxa – en Leica-kamera, välkänd för sin fina optik – och översätta artiklar från tyska till engelska. Sedan arbetade hon vid Imperial College London under George Thomson och studerade elektrondiffraktion (i 1937 delade han Nobelpriset med Clinton Davisson för att han upptäckt effekten i kristaller), men hittade aldrig en oberoende forskarposition.

1939 förbättrades hennes utsikter. Scharff gifte sig med Goldhaber och blev Scharff-Goldhaber och paret flyttade till USA. Goldhaber hade en fakultetstjänst vid University of Illinois-Urbana, men Scharff-Goldhaber kunde inte bli en fullfjädrad akademisk vetenskapsman, eftersom antinepotismlagar i Illinois inte tillät universitetet att anställa henne. Hon kunde bara forska som oavlönad assistent i sin mans labb. Detta flyttade henne från den kondenserade materiens fysik till hans kärnfysikområde. Scharff-Goldhabers papper på 1940-talet som producerades under dessa omständigheter visar att hon hanterade övergången briljant – men hon nådde aldrig full fakultetsstatus i Illinois.

Ett nytt labb på Long Island

Först 1950 hittade Scharff-Goldhaber och hennes man tillsammans ett riktigt forskningshem, på det nya Brookhaven National Laboratory (BNL), som hade grundats tre år tidigare. Idag är en US Department of Energy-anläggning, labbets ursprungliga mandat var att söka fredlig användning av atomenergi. Dess vetenskapliga ansträngningar har sedan dess diversifierats men kärn- och högenergifysik är fortfarande en del av dess forskningsverksamhet.

Hennes utnämning gjorde Scharff-Goldhaber till den första kvinnliga fysikern vid BNL, och 15 år efter att hon tog sin examen fick hon äntligen betalt som professionell forskare. Trots det verkade hon i en atmosfär som hennes son Michael beskriver som bara "motvilligt accepterande". Goldhaber anställdes som "senior scientist" och drev sin egen forskargrupp, men Scharff-Goldhaber rankades helt enkelt som en vetenskapsman inom sin grupp. (Goldhaber skulle så småningom bli chef för labbet 1961–1973 och Scharff-Goldhaber till senior vetenskapsman.)

Som den enda kvinnan med professionell vetenskaplig status vid BNL hade Scharff-Goldhaber inga kvinnliga vetenskapliga kamrater. De flesta kvinnor som associerades med labbet var de icke-arbetande fruarna till manliga vetenskapsmän, som på 1950-talet fyllde traditionella roller. Med två barn, Michael och Alfred, hade Scharff-Goldhaber liknande ansvarsområden; men vid sociala tillställningar var hon mer benägen att prata fysik med männen än att diskutera barnomsorg med kvinnorna. Inom denna manliga miljö bildade hon goda relationer med sina kollegor och med supportpersonalen som producerade de isotoper hon behövde för sin forskning vid BNL-reaktorn eller Van de Graaff-acceleratorn.

Fission och ett fundamentalt experiment

Med undantag för perioden på 1930-talet då hon fortfarande försökte bli en oberoende vetenskapsman, höll Scharff-Goldhaber ett högt tempo i forskning och publicering, samtidigt som hon uppfyllde familjeförpliktelserna. 1936 publicerade hon "The effect of stress on the magnetization above the Curie point" från sin avhandling. Hennes nästa uppsättning papper började fyra år senare, när hon bytte till kärnfysik 1940 i Illinois, och hon skrev över ett dussin till tills hon var helt bosatt på BNL. Under de kommande 30 åren publicerade hon ytterligare ett 60-tal artiklar, mestadels i Fysisk granskning, och bidrag till konferenshandlingar.

Leo Szilard: fysikern som föreställde sig kärnvapen men som senare motsatte sig användningen av dem

Flera av de papper som härrörde från hennes arbete i Illinois på 1940-talet är särskilt anmärkningsvärda, inklusive en som rörde spontan kärnklyvning. 1938 hade Lise Meitner och Otto Frisch funnit att en urankärna bombarderad med neutroner kunde delas i två delar och frigöra mycket energi. Om neutroninducerad fission kunde göras självförsörjande skulle det kunna producera ett enormt destruktivt vapen. Med krig i antågande undersökte europeiska och amerikanska fysiker självförsörjande fission i hopp om att nazisterna inte skulle hitta svaret först.

1942 visade Scharff-Goldhaber direkt, tydligen för första gången, att uran som genomgick spontan fission frigjorde neutroner tillsammans med energi. Dessa neutroner kan aktivera fler kärnor och mer energi – en kaskadkedjereaktion som kan bli en kärnexplosion. Data som dessa var avgörande för att uppnå världens första självförsörjande kontrollerade kärnreaktion 1942, då atombomben byggdes av Manhattan-projektet. Scharff-Goldhabers var ännu inte amerikanska medborgare och var därför inte en del av projektet, men hennes resultat cirkulerades i hemlighet till relevanta vetenskapsmän och publicerades efter kriget (Phys. Varv. 70 229).

I en separat tidning publicerad 1948 (Phys. Varv. 73 1472), svarade Scharff-Goldhaberna tillsammans på en grundläggande fråga: är beta-strålar exakt samma som elektroner? Upptäcktes 1897 i katodstrålar av JJ Thomson, elektroner var de första kända elementarpartiklarna. Några år senare, 1899, studerade Rutherford det nya fenomenet radioaktivitet och fann ett okänt utsläpp som han kallade beta-strålar. Dessa visade sig vara laddade partiklar med samma förhållande mellan laddning och massa e/m som elektroner och identifierades som sådana. Men frågan kvarstod: kan beta-strålar och elektroner skilja sig åt i någon annan egenskap som spinn?

Scharff-Goldhabers testade skickligt denna hypotes genom att använda Pauli uteslutningsprincip, som, de skrev, "inte skulle hålla för ett par partiklar om de skilde sig åt i någon egenskap som helst". I sitt experiment bestrålade de ett blyprov med betastrålar. Om dessa inte var identiska med elektroner skulle de inte lyda Pauli-principen. Sedan skulle de fångas upp av blyatomer, gå in i bundna banor som redan är fyllda med elektroner och övergå till den lägsta omloppsbanan, vilket gör att röntgenstrålar sänds ut. Om beta-strålar och elektroner var identiska, skulle de förra hindras från att komma in i atomära banor och producera röntgenstrålar. Experimentet upptäckte inga röntgenstrålar vid de förväntade energierna, vilket bekräftar att beta-strålar är elektroner som emitteras från radioaktiva kärnor.

Upphetsade kärnor och "magiska" siffror

Med början i början av 1950-talet på BNL började Scharff-Goldhaber vad som skulle bli hennes karriärlånga projekt: att bilda en systematisk bild av egenskaperna hos exciterade kärnor över det periodiska systemet. Hennes plan att arbeta med "lågenergi" kärnfysik avvek från hennes mans växande intresse för "högenergi"-fysik, där enorma nya partikelacceleratorer undersökte fundamentala partiklar. Enligt deras son Michael berövade Scharff-Goldhabers separata väg hans far hennes stora förmågor som experimentalist. Men han tillägger att "splittringen inte hindrade familjens middagsbordssamtal från att fokusera på kärnfysik, precis som tidigare, till stor del till barnens förbryllande". (Senare tog han och Alfred en doktorsexamen i teoretisk partikelfysik.)

Vid den tiden började man bara förstå beteendet hos den exciterade kärnan. Denna täta soppa av protoner och neutroner kan ses som en samling partiklar som är sammanbundna av kärnkrafter och bildar ett medium med en energi som uttrycks i rotation eller vibration av hela kroppen. I den så kallade "skalmodellen" sågs kärnan som ett kvantsystem där nukleoner upptar energinivåer, analogt med de diskreta nivåerna eller "skalen" som upptas av elektroner i en atom. Varje tillvägagångssätt hade framgångar. Att behandla kärnan som en vätska ledde till en förståelse för hur den kunde deformeras och genomgå klyvning. Skalmodellen förutspådde att kärnor med specifika, eller "magi”, antal protoner eller neutroner (2, 8, 20, 28...) skulle vara exceptionellt stabila, återigen analogt med fyllda elektroniska skal i atomer.

Det var dock inte klart om experimentet verkligen stödde skalmodellen eller var varje tillvägagångssätt bäst kunde tillämpas. Scharff-Goldhabers omfattande forskning om olika kärnor bidrog till att lösa dessa problem. Hennes arbete var betydelsefullt för att utveckla teorin som slutligen kopplade ihop de två tillvägagångssätten, vilket ledde till Aage Niels Bohr, Ben Mottelson och Leo Rainwater delade 1975 års Nobelpris i fysik.

På 1950-talet mätte Scharff-Goldhaber energin hos exciterade kärnor kontra neutrontal och visade att skalstrukturen påverkade energin, som nådde sin topp vid de magiska talen. Hon noterade också en onormal förändring i energinivåer med en ökning av antalet neutroner, vilket hon relaterade till en förändring i kärnans form. Senare utvecklade hon sin egen "variabelt tröghetsmoment” (VMI) modell, som använde formen av kärnor för att ge ytterligare insikt i deras energier över det periodiska systemet.

Förutom hennes bidrag till kärnkraftsteorin hade Scharff-Goldhabers forskning under denna tid ovanliga drag. Hon skrev två artiklar om VMI-modellen tillsammans med sin son Alfred – så vitt man vet, den enda mor-son-forskningen i fysik (Phys. Pastor Lett. 24, 1349 ; Phys. Rev. C 17, 1171).

Hon förbättrade också sin dataanalys genom att utöka standardnukliddiagrammet, där varje kärna placeras i en tvådimensionell plot av antalet protoner kontra antalet neutroner. Scharff-Goldhaber limmade vertikala stavar med en längd proportionell mot den lägsta excitationsenergin för varje nukleär art till lämplig position på kartan. Långt innan den rutinmässiga användningen av 3D-datorvisualiseringar var detta ett enormt hjälpmedel för att upptäcka viktiga funktioner som energiförändringen mellan N = 88 och N = 90.

Tillsammans med sin forskning hittade Scharff-Goldhaber sätt att hjälpa kvinnor inom vetenskapen och att bidra till vetenskapsutbildning och det vetenskapliga samfundet. Bland många professionella engagemang verkade hon i American Physical Society (APS) kommittéer ägnade åt kvinnors ställning i fysik och till fysikutbildning före högskola. Hon var också känd för att nå ut till tidiga forskare – både män och kvinnor. En var Rosalyn Yalow, Goldhabers doktorand i Illinois, som fick 1977 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för att uppfinna radioimmunoanalystekniken. Yalow har krediterat både sin rådgivare och Scharff-Goldhaber "för stöd och uppmuntran". Scharff-Goldhaber breddade också den intellektuella atmosfären på BNL genom att grunda Brookhaven föreläsningsserie, med framstående talare som Richard Feynman. 

Pensionerad, men forskar fortfarande

Scharff-Goldhaber hade börjat på BNL relativt sent och var redo att fortsätta sin forskning under en lång tid, men tidens stränga pensionslagar avslutade officiellt hennes anställning 1977, 66 år gammal. Enligt hennes son Michael tvingades pensioneringen i ett sätt som han kallar "subtilt sexistiskt". Trots att hon arbetade utan lön, samarbetade hon med andra forskare och var medförfattare till forskningsartiklar fram till 1988. När sviktande hälsa begränsade hennes aktiviteter, uppskattade hon dock och sökte tillfredsställelse i det hon fortfarande kunde göra, tills hon dog vid 86 års ålder. 1998.

1990 noterade en journalist som intervjuade Scharff-Goldhaber hennes "mjuka men enträgna beslutsamhet" - troligen själva karaktärsdragen som gjorde det möjligt för henne att övervinna hinder för en forskarkarriär. 2016, när han ser tillbaka på sin mammas liv, beskrev Michael henne som "en person med unik egensinnighet och till och med envishet, egenskaper som hon verkligen behövde ... för att göra en framgångsrik karriär i en värld som ofta ställdes emot henne".

Kanske skulle Scharff-Goldhaber hålla med om dessa bedömningar, men det finns en annan som jag tror gäller. 1972, när han recenserade en bok om kärnenergi av Isaac Asimov, skrev Scharff-Goldhaber att framsteg inom vetenskapen, bland andra egenskaper, är "baserad på den brinnande önskan att gå till botten med saker och ting". När hon skrev dessa ord, reflekterade hon över att hennes eget liv perfekt exemplifierar den etosen?

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/