Khám phá thế giới hạt nhân: cuộc đời và khoa học của Gertrude Scharff-Goldhaber

Một số người từ khi còn nhỏ đã biết rằng họ muốn trở thành một nhà khoa học và rằng – với đủ khả năng và nỗ lực – họ có thể đạt được mục tiêu đó. Gertrude Scharff (Scharff-Goldhaber sau khi cô ấy kết hôn) đã sớm cảm nhận được tiếng gọi đó. Và mặc dù cô ấy có khả năng hoàn thành nó, nhưng con đường dẫn đến thành công trong khoa học của cô ấy có nhiều khó khăn cá nhân và trở ngại nghề nghiệp hơn.

Sinh ra trong một gia đình người Đức gốc Do Thái vào ngày 14 tháng 1911 năm XNUMX, bà đã sống qua Chiến tranh thế giới thứ nhất, những biến động sau chiến tranh ở Đức và sự trỗi dậy của Hitler. Sau khi lấy bằng tiến sĩ vật lý tại Đại học Munich, cô đã tìm cách tham gia vào một nghề do nam giới thống trị. Khi chạy trốn khỏi chủ nghĩa Quốc xã, cô phải đối mặt với những khó khăn khi là người nhập cư vào Vương quốc Anh. Và khi cô ấy cố gắng xây dựng một cuộc sống mới ở Mỹ với người chồng là nhà vật lý của mình, cô ấy vẫn phải vật lộn để tìm việc làm khoa học, vì các quy tắc cứng nhắc của chế độ gia đình trị đã cản trở sự nghiệp của cô ấy.

Tuy nhiên, cô ấy đã chịu đựng và khẳng định mình là một nhà vật lý hạt nhân rất được kính trọng, một trong số ít phụ nữ tiên phong trong lĩnh vực đó. Nghiên cứu của cô đã nâng cao hiểu biết về phản ứng phân hạch hạt nhân và đóng góp vào lý thuyết về cấu trúc hạt nhân. Công trình của bà được công nhận vào năm 1972 khi bà trở thành nhà vật lý nữ thứ ba được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Cô cũng được nhớ đến với tư cách là người ủng hộ phụ nữ trong khoa học, khuyến khích các nhà khoa học trẻ và ủng hộ giáo dục khoa học.

Thời gian đáng ngại, học sinh xuất sắc

Được bạn bè và gia đình gọi là Trude, những năm đầu của Scharff ở Đức đầy sóng gió, bao gồm Chiến tranh thế giới thứ nhất, bất ổn chính trị và siêu lạm phát tàn phá nền kinh tế sau thất bại của đất nước năm 1918. Năm 1933 tuổi, cô chứng kiến ​​những nhà cách mạng Cộng sản bị tàn sát bởi chính quyền quân đội trên đường phố Munich, nơi gia đình cô sinh sống. Sau đó, cô nhớ lại việc phải ăn bánh mì nhồi mùn cưa. Tình trạng hỗn loạn tiếp tục, với những điềm báo đáng ngại cho người Do Thái Đức, khi Hitler lên nắm quyền vào năm XNUMX.

Giữa tất cả những điều này, Scharff đã có được một nền giáo dục xứng đáng. Theo hồi ký của con trai bà, Michael, bà theo học một trường trung học ưu tú dành cho nữ sinh. Là một học sinh xuất sắc, cô bắt đầu quan tâm đến vật lý. Cha cô ấy đã hy vọng cô ấy sẽ học luật để chuẩn bị cho việc quản lý công việc kinh doanh của gia đình, nhưng cô ấy quan tâm hơn đến việc "hiểu thế giới được tạo nên từ đâu", như sau này cô ấy nói.

Tiến tới mục tiêu của mình, Scharff nhập học Đại học Munich năm 1930. Quá trình học vấn của bà đạt đến đỉnh cao khi bà làm tiến sĩ vật lý dưới sự hướng dẫn của Walther Gerlach, người nổi tiếng. Thí nghiệm Stern–Gerlach, vào năm 1922, đã chứng minh sự tồn tại của spin lượng tử hóa trong từ trường. Nghiên cứu của cô về vật lý chất rắn liên quan đến hiện tượng sắt từ.

Nhưng những sự kiện bên ngoài đã thay đổi hoàn toàn kế hoạch và cuộc đời cô. Khi chủ nghĩa Quốc xã lan rộng, Scharff thấy mình bị đồng nghiệp tẩy chay và những người Do Thái Đức bắt đầu chạy trốn khỏi đất nước. Tuy nhiên, cô ấy đã rất thành công trong nghiên cứu của mình. Khi cô ấy nói với một người phỏng vấn vào năm 1990: “Đáng lẽ tôi nên rời đi sớm hơn. Nhưng vì tôi đã bắt đầu luận án của mình, tôi cảm thấy mình nên hoàn thành.”

Cô ấy đã hoàn thành, vào năm 1935, nhưng cô ấy đã cắt nó rất gần. Đó là năm Luật Nuremberg được ban hành, xác định người Do Thái đầu tiên và sau đó là người Romani và người Đức da đen là “các chủng tộc thấp kém” và “kẻ thù của nhà nước”. Họ đã bị cấm tham gia xã hội Đức một cách hiệu quả và phải đối mặt với những hình phạt khắc nghiệt nếu vi phạm luật pháp. Bạo lực bài Do Thái gia tăng và cha mẹ của Scharff sau đó đã chết trong Holocaust.

Nhận thức được rằng chắc chắn đã đến lúc phải trốn khỏi Đức, Scharff đã viết thư cho 35 nhà khoa học tị nạn đang tìm kiếm một vị trí ở nơi khác. Hầu như tất cả đều bảo cô ấy đừng đến vì đã có rất nhiều nhà khoa học tị nạn – ngoại trừ Maurice Goldhaber, một nhà vật lý trẻ người Áo gốc Do Thái mà cô đã gặp ở Đức. Làm tiến sĩ tại Đại học Cambridge dưới thời Ernest Rutherford, anh ấy nghĩ rằng có thể có cơ hội ở Anh. Chuyển đến London, Scharff kiếm sống trong sáu tháng bằng cách bán vật sở hữu quý giá là một phần trong bộ đồ cưới của cô - một chiếc máy ảnh Leica, nổi tiếng với hệ thống quang học tốt - và dịch các bài báo từ tiếng Đức sang tiếng Anh. Sau đó, cô làm việc tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn dưới thời George Thomson, nghiên cứu nhiễu xạ điện tử (năm 1937 ông đã chia sẻ giải thưởng Nobel với Clinton Davisson vì đã khám phá ra hiệu ứng trong tinh thể), nhưng chưa bao giờ tìm được một vị trí nghiên cứu độc lập.

Năm 1939, triển vọng của cô được cải thiện. Scharff kết hôn với Goldhaber, trở thành Scharff-Goldhaber, và cặp đôi chuyển đến Mỹ. Goldhaber có một vị trí giảng viên tại Đại học Illinois-Urbana, nhưng Scharff-Goldhaber không thể trở thành một nhà khoa học hàn lâm chính thức, vì luật chống gia đình trị ở Illinois không cho phép trường đại học thuê cô. Cô ấy chỉ có thể nghiên cứu với tư cách là một trợ lý không được trả lương trong phòng thí nghiệm của chồng mình. Điều này đã chuyển cô từ vật lý vật chất ngưng tụ sang lĩnh vực vật lý hạt nhân của anh ấy. Các bài báo của Scharff-Goldhaber vào những năm 1940 được sản xuất trong hoàn cảnh này cho thấy bà đã xử lý quá trình chuyển đổi một cách xuất sắc - nhưng bà chưa bao giờ đạt được vị trí giảng viên chính thức tại Illinois.

Một phòng thí nghiệm mới ở Long Island

Chỉ đến năm 1950, Scharff-Goldhaber và chồng mới cùng nhau tìm được một ngôi nhà nghiên cứu thực sự, tại cơ sở mới. Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (BNL), được thành lập ba năm trước đó. Ngày nay, một cơ sở của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nhiệm vụ ban đầu của phòng thí nghiệm là tìm cách sử dụng năng lượng nguyên tử một cách hòa bình. Kể từ đó, các nỗ lực khoa học của nó đã được đa dạng hóa nhưng vật lý hạt nhân và năng lượng cao vẫn là một phần trong các hoạt động nghiên cứu của nó.

Việc bổ nhiệm bà đã khiến Scharff-Goldhaber trở thành nhà vật lý nữ đầu tiên tại BNL, và 15 năm sau khi lấy bằng, cuối cùng bà cũng được trả lương như một nhà nghiên cứu chuyên nghiệp. Mặc dù vậy, bà hoạt động trong một bầu không khí mà con trai bà, Michael mô tả là chỉ “miễn cưỡng chấp nhận”. Goldhaber được thuê với tư cách là một “nhà khoa học cấp cao” và điều hành nhóm nghiên cứu của riêng mình, nhưng Scharff-Goldhaber chỉ được xếp hạng đơn giản là một nhà khoa học trong nhóm của mình. (Goldhaber cuối cùng trở thành giám đốc phòng thí nghiệm 1961–1973, và Scharff-Goldhaber trở thành nhà khoa học cấp cao.)

Là người phụ nữ duy nhất có tư cách khoa học chuyên nghiệp tại BNL, Scharff-Goldhaber không có đồng nghiệp khoa học nữ nào. Hầu hết phụ nữ liên quan đến phòng thí nghiệm là những người vợ không làm việc của các nhà khoa học nam, những người vào những năm 1950 đã đảm nhận các vai trò truyền thống. Với hai người con, Michael và Alfred, Scharff-Goldhaber cũng có những trách nhiệm tương tự; nhưng tại các sự kiện xã hội, cô ấy thường nói chuyện vật lý với đàn ông hơn là thảo luận về việc chăm sóc con cái với phụ nữ. Trong môi trường toàn nam giới này, cô đã hình thành mối quan hệ tốt với các đồng nghiệp của mình và với các nhân viên hỗ trợ đã tạo ra các đồng vị mà cô cần cho nghiên cứu của mình tại lò phản ứng BNL hoặc máy gia tốc Van de Graaff.

Sự phân hạch, và một thí nghiệm cơ bản

Ngoại trừ giai đoạn vào những năm 1930 khi bà vẫn đang cố gắng trở thành một nhà khoa học độc lập, Scharff-Goldhaber đã duy trì tốc độ nghiên cứu và xuất bản nhanh chóng, đồng thời đáp ứng các nghĩa vụ của gia đình. Năm 1936, bà xuất bản “Ảnh hưởng của ứng suất đối với sự từ hóa phía trên điểm Curie” từ luận án của mình. Bộ bài báo tiếp theo của cô ấy bắt đầu bốn năm sau đó, khi cô ấy chuyển sang vật lý hạt nhân vào năm 1940 tại Illinois, và cô ấy đã viết hơn chục bài báo khác cho đến khi hoàn toàn ổn định tại BNL. Trong 30 năm tiếp theo, bà đã xuất bản thêm khoảng 60 bài báo, chủ yếu là trên tạp chí Đánh giá vật lý, và đóng góp cho kỷ yếu hội nghị.

Leo Szilard: nhà vật lý đã hình dung ra vũ khí hạt nhân nhưng sau đó phản đối việc sử dụng chúng

Một số bài báo phát sinh từ công việc của bà tại Illinois vào những năm 1940 đặc biệt đáng chú ý, trong đó có một bài liên quan đến phân hạch hạt nhân tự phát. Năm 1938, Lise Meitner và Otto Frisch đã phát hiện ra rằng một hạt nhân uranium bị bắn phá bởi neutron có thể tách làm đôi và giải phóng nhiều năng lượng. Nếu sự phân hạch do neutron gây ra có thể tự duy trì, thì nó có thể tạo ra một loại vũ khí có sức hủy diệt cực lớn. Khi chiến tranh sắp xảy ra, các nhà vật lý châu Âu và Mỹ đã điều tra sự phân hạch tự duy trì với hy vọng rằng Đức quốc xã sẽ không tìm ra câu trả lời trước.

Năm 1942, Scharff-Goldhaber lần đầu tiên trực tiếp chỉ ra rằng uranium trải qua quá trình phân hạch tự phát giải phóng neutron cùng với năng lượng. Những neutron này có thể kích hoạt nhiều hạt nhân hơn và nhiều năng lượng hơn – một phản ứng dây chuyền theo tầng có thể trở thành một vụ nổ hạt nhân. Những dữ liệu như thế này rất quan trọng để đạt được phản ứng hạt nhân có kiểm soát tự duy trì đầu tiên trên thế giới vào năm 1942, khi bom nguyên tử đang được Dự án Manhattan chế tạo. Scharff-Goldhaber chưa phải là công dân Hoa Kỳ và do đó không phải là một phần của dự án, nhưng kết quả của cô ấy đã được bí mật gửi cho các nhà khoa học có liên quan và được công bố sau chiến tranh (Thể chất. Rev. 70 229).

Trong một bài báo riêng xuất bản năm 1948 (vật lý. Tái bản. 73 1472), vợ chồng Scharff-Goldhabers đã cùng nhau trả lời một câu hỏi cơ bản: tia beta có giống hệt như electron không? Được phát hiện vào năm 1897 trong tia âm cực bởi JJ Thomson, electron là hạt cơ bản đầu tiên được biết đến. Vài năm sau, vào năm 1899, Rutherford đang nghiên cứu hiện tượng phóng xạ mới, và phát hiện ra một loại phát xạ mà ông gọi là tia beta. Chúng hóa ra là các hạt tích điện có cùng tỷ lệ điện tích trên khối lượng e / m như các electron và được xác định như vậy. Nhưng câu hỏi vẫn còn đó: tia beta và electron có thể khác nhau ở một số tính chất khác chẳng hạn như spin không?

Scharff-Goldhabers đã khéo léo kiểm tra giả thuyết này bằng cách sử dụng nguyên tắc loại trừ Pauli, mà họ đã viết, “sẽ không đủ cho một cặp hạt nếu chúng khác nhau về bất kỳ tính chất nào”. Trong thí nghiệm của mình, họ đã chiếu xạ một mẫu chì bằng tia beta. Nếu chúng không đồng nhất với electron, chúng sẽ không tuân theo nguyên lý Pauli. Sau đó, chúng sẽ bị các nguyên tử chì bắt giữ, đi vào quỹ đạo liên kết đã chứa đầy electron và chuyển sang quỹ đạo thấp nhất, khiến tia X được phát ra. Nếu tia beta và electron giống hệt nhau, thì tia trước sẽ bị cấm đi vào quỹ đạo nguyên tử và tạo ra tia X. Thí nghiệm không phát hiện ra tia X ở năng lượng dự kiến, xác nhận rằng tia beta là các electron phát ra từ hạt nhân phóng xạ.

Hạt nhân kích thích và những con số “thần kỳ”

Bắt đầu từ đầu những năm 1950 tại BNL, Scharff-Goldhaber bắt đầu dự án lâu dài trong sự nghiệp của mình: hình thành một bức tranh có hệ thống về tính chất của các hạt nhân bị kích thích trong bảng tuần hoàn. Kế hoạch làm việc trong lĩnh vực vật lý hạt nhân “năng lượng thấp” của cô khác với mối quan tâm ngày càng tăng của chồng cô đối với vật lý “năng lượng cao”, nơi các máy gia tốc hạt khổng lồ mới thăm dò các hạt cơ bản. Theo con trai Michael của họ, con đường riêng của Scharff-Goldhaber đã tước đi khả năng tuyệt vời của bà với tư cách là một nhà thực nghiệm. Nhưng anh ấy nói thêm rằng “sự chia rẽ không ngăn cản cuộc trò chuyện trên bàn ăn tối của gia đình tập trung vào vật lý hạt nhân, giống như trước đây, phần lớn là do bọn trẻ bối rối”. (Sau này ông và Alfred mỗi người lấy bằng tiến sĩ về vật lý hạt cơ bản lý thuyết.)

Vào thời điểm đó, hành vi của hạt nhân bị kích thích chỉ mới bắt đầu được nắm bắt. Có thể xem món súp đậm đặc gồm proton và neutron này như một tập hợp các hạt liên kết với nhau bằng lực hạt nhân, tạo thành một môi trường có năng lượng được biểu thị bằng chuyển động quay hoặc dao động của toàn bộ cơ thể. Tuy nhiên, trong cái gọi là “mô hình lớp vỏ”, hạt nhân được coi là một hệ lượng tử trong đó các nucleon chiếm các mức năng lượng, tương tự như các mức rời rạc hay “lớp vỏ” do các electron trong nguyên tử chiếm giữ. Mỗi cách tiếp cận đều có thành công. Việc coi hạt nhân là một chất lỏng dẫn đến sự hiểu biết về cách nó có thể biến dạng và trải qua quá trình phân hạch. Mô hình lớp vỏ đã dự đoán rằng các hạt nhân có đặc điểm cụ thể, hoặc “ma thuật”, số lượng proton hoặc neutron (2, 8, 20, 28…) sẽ đặc biệt ổn định, một lần nữa tương tự như lớp vỏ điện tử được lấp đầy trong nguyên tử.

Tuy nhiên, vẫn chưa rõ liệu thử nghiệm có thực sự hỗ trợ mô hình vỏ bọc hay không hoặc mỗi cách tiếp cận có thể được áp dụng tốt nhất ở đâu. Nghiên cứu sâu rộng của Scharff-Goldhaber về các hạt nhân khác nhau đã giúp giải quyết những vấn đề này. Công việc của cô ấy rất có ý nghĩa trong việc phát triển lý thuyết cuối cùng đã kết nối hai cách tiếp cận, dẫn đến Aage Niels Bohr, Ben Mottelson và Leo Rainwater cùng nhận giải Nobel Vật lý năm 1975.

Vào những năm 1950, Scharff-Goldhaber đã đo năng lượng của các hạt nhân bị kích thích so với số nơtron và chỉ ra rằng cấu trúc lớp vỏ ảnh hưởng đến năng lượng, đạt cực đại ở các số ma thuật. Cô ấy cũng lưu ý đến sự thay đổi bất thường về mức năng lượng với sự gia tăng số lượng neutron, mà cô ấy liên quan đến sự thay đổi hình dạng của hạt nhân. Sau đó, cô ấy đã phát triển của riêng mình “momen quán tính thay đổi” (VMI), sử dụng hình dạng của hạt nhân để cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về năng lượng của chúng trong bảng tuần hoàn.

Bên cạnh những đóng góp của bà cho lý thuyết hạt nhân, nghiên cứu của Scharff-Goldhaber trong thời đại này có những đặc điểm khác thường. Cô ấy đã viết hai bài báo về mô hình VMI cùng với con trai Alfred – theo như được biết, bài báo nghiên cứu duy nhất về vật lý giữa mẹ và con trai (Vật lý. Mục sư Lett. 24, 1349 ; vật lý. Linh mục C 17, 1171).

Cô ấy cũng tăng cường phân tích dữ liệu của mình bằng cách mở rộng biểu đồ hạt nhân tiêu chuẩn, trong đó mỗi hạt nhân được đặt trong một đồ thị hai chiều của số proton so với số neutron. Scharff-Goldhaber đã dán các thanh thẳng đứng có chiều dài tỷ lệ với năng lượng kích thích thấp nhất đối với mỗi loại hạt nhân vào vị trí thích hợp trên biểu đồ. Rất lâu trước khi sử dụng hình ảnh máy tính 3D thường xuyên, đây là một trợ giúp to lớn trong việc phát hiện các tính năng quan trọng như sự thay đổi năng lượng giữa N = 88 và N = 90.

Cùng với nghiên cứu của mình, Scharff-Goldhaber đã tìm ra cách giúp đỡ phụ nữ trong khoa học và đóng góp cho giáo dục khoa học và cộng đồng khoa học. Trong số nhiều hoạt động chuyên môn, cô đã phục vụ trong các ủy ban của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ (APS) dành cho địa vị của phụ nữ trong vật lý và giáo dục vật lý trước đại học. Cô ấy cũng được biết đến vì đã tiếp cận với các nhà khoa học mới vào nghề - cả nam và nữ. Một là Rosalyn Yalow, nghiên cứu sinh tiến sĩ của Goldhaber tại Illinois, người đã chia sẻ giải thưởng Nobel về Sinh lý học và Y học năm 1977 cho việc phát minh ra kỹ thuật xét nghiệm miễn dịch phóng xạ. Yalow đã ghi nhận cả cố vấn của cô ấy và Scharff-Goldhaber "vì sự hỗ trợ và khuyến khích". Scharff-Goldhaber cũng mở rộng bầu không khí tri thức tại BNL bằng cách thành lập Chuỗi bài giảng Brookhaven, với sự góp mặt của những diễn giả nổi tiếng như Richard Feynman. 

Nghỉ hưu nhưng vẫn nghiên cứu

Scharff-Goldhaber bắt đầu làm việc tại BNL tương đối muộn và sẵn sàng tiếp tục nghiên cứu của mình trong một thời gian dài, nhưng luật nghỉ hưu nghiêm ngặt của thời đại đã chính thức chấm dứt công việc của bà vào năm 1977, ở tuổi 66. một cách mà anh ấy gọi là "phân biệt giới tính một cách tinh vi". Tuy nhiên, làm việc không công, bà đã hợp tác với các nhà khoa học khác và đồng tác giả các bài báo nghiên cứu cho đến năm 1988. Tuy nhiên, khi sức khỏe suy giảm đã hạn chế các hoạt động của bà, bà đánh giá cao và tìm kiếm sự hài lòng với những gì mình vẫn có thể làm, cho đến khi bà qua đời ở tuổi 86 tại 1998.

Năm 1990, một nhà báo phỏng vấn Scharff-Goldhaber đã ghi nhận “quyết tâm nhẹ nhàng nhưng kiên định” của bà - có thể chính những đặc điểm tính cách đã giúp bà vượt qua những rào cản đối với sự nghiệp nghiên cứu. Vào năm 2016, khi nhìn lại cuộc đời của mẹ mình, Michael đã mô tả bà là “một người có ý chí độc đáo và thậm chí là bướng bỉnh, những đặc điểm mà bà chắc chắn cần có… để theo đuổi sự nghiệp thành công trong một thế giới thường chống lại bà”.

Có lẽ Scharff-Goldhaber sẽ đồng ý với những đánh giá này, nhưng có một đánh giá khác mà tôi tin là đúng. Năm 1972, khi đánh giá một cuốn sách về năng lượng hạt nhân của Isaac Asimov, Scharff-Goldhaber đã viết rằng sự tiến bộ trong khoa học, cùng với những phẩm chất khác, là “dựa trên khát khao cháy bỏng muốn đi đến tận cùng của sự vật”. Khi viết những lời đó, cô ấy có phản ánh rằng cuộc sống của chính mình là minh chứng hoàn hảo cho đặc tính đó không?

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/