Марія Гепперт-Майєр

Фотографія Марія Гепперт-Майєр (photo Maria Geppert-Mayer)

Maria Geppert-Mayer

  • День народження: 28.06.1906 року
  • Вік: 65 років
  • Місце народження: Каттовитц, Польща
  • Дата смерті: 20.02.1972 року
  • Громадянство: Польща

Біографія

Німецько-американський фізик Марія Гепперт-Майєр (уроджена Марія Гепперт) народилася в Каттовитце (нині Катовіце в Польщі). М. була єдиною дитиною в сім’ї професора медицини Фрідріха Гепперта і уродженої Марії Вольф, шкільної вчительки. Після переїзду до Сполучених Штатів Р.-М. англизировала написання свого дівочого прізвища. Коли Марії виповнилося чотири роки, сім’я переселилася в Геттінгені, де батько став професором кафедри дитячих хвороб місцевого університету. Близькими друзями їхні будинки були Макс Борн і Джеймс Франк. Серед інших знайомих було чимало фізиків з Геттінгенського університету, які займалися створенням нової фізики, зобов’язаної своїм появою квантової механіки. Батько заохочував рано проявилася любов дочки до науки, брав її з собою на природу, показував сонячні і місячні затемнення, збирав разом з нею колекцію копалин.

У той час Геттінгенський університет був провідним центром досліджень в області фізики – квантової механіки. Коли Макс Борн запросив Р.-М. взяти участь у роботі керованого ним фізичної семінару, інтереси її переключилися з математики на фізику і зосередилися на квантовій механіці, що займається вивченням поведінки атомів, ядер і субатомних частинок. Незабаром після початку занять фізикою Р.-М. провела один семестр в Кембриджському університеті, де зустрічалася зі знаменитим англійським фізиком Ернестом Резерфордом. Докторську вона отримала в 1930 р. у Геттінгені, захистивши дисертацію на тему «Про елементарних процесах з двома квантовими стрибками» («On Elemental Processes Whith Two Quantun Jumps»). Іспити у неї приймала комісія у складі Макса Борна, Джеймса Франка і Адольфа Виндауса.

Після смерті батька у 1927 р. її мати відкрила пансіон, як це нерідко практикувалося в Геттінгені. Одним з мешканців пансіону був Джозеф Е. Майєр, американський хімік з Каліфорнійського технологічного інституту. Марія і йосип полюбили один одного і одружилися в січні 1930 р., незадовго до того, як Р.-М. отримала докторський ступінь. У них народилися син і дочка. Після вступу в шлюб Марія стала іменувати себе Гепперт-Майєр, зберігши дівоче прізвище, за її словами, «почуття гордості за сім поколінь університетських професорів» з боку батька. Через місяць після весілля молода пара відпливла в Сполучені Штати, де Джозефу Майєру було запропоновано місце асистент-професора хімії в Університеті Джонса Хопкінса в Балтіморі (штат Меріленд).

Незважаючи на докторську ступінь і прекрасні відгуки, що панувало в той час ставлення до дружин членів факультету не дозволяло Р.-М. отримати оплачуване місце викладача в Університеті Джонса Хопкінса. Проте їй вдалося влаштуватися помічником одного з членів фізичного факультету. В її обов’язки входило розбирати кореспонденцію німецькою мовою. Ця скромна посада давала Р.-М. невелику платню, крихітний робочий кабінет і можливість якоюсь мірою брати участь в університетському житті.

Областю своєї наукової діяльності Р.-М. вирішила обрати хімічну фізику, яка займається вивченням молекул і їх взаємодій, але вона використовувала й інші можливості, які представилися на фізичному і математичному факультетах. З фізиком Карлом Ф. Герцфельдом, дружні відносини з яким вона зберегла на все життя, Р.-М. досліджувала розподіл енергії вздовж поверхні твердих тіл і поведінку водню, розчиненого у металевому паладії. Після того як Герцфельд пішов з Університету Джонса Хопкінса, Р.-М. з одним з його колишніх студентів Альфредом Скляром зайнялася дослідженням квантовомеханических електронних рівнів бензолу і структурою декількох органічних барвників. У цій роботі вона продемонструвала чудову математичну підготовку, застосувавши методи теорії груп і теорії матриць. Літо 1931, 1932 і 1933 рр. вона, почасти через тугу за батьківщиною, провела в Геттінгені, де працювала з Борном.

У 1933 р., в тому самому році, коли в Німеччині до влади прийшли нацисти, Р.-М. отримала американське громадянство. Антисемітизм і расистські закони згубно позначилися на німецькій науці: багато видатні вчені єврейського походження, в їх числі Борн і Франк, покинули Німеччину. Будинок Майеров в Балтіморі був відкритий для біженців з Німеччини, більшість з яких були євреями.

В Університеті Джонса Хопкінса подружжя Майєр виконали разом кілька робіт, в основному по теорії конденсації. У 1938 р. вони написали монографії «Статистична механіка» («Statistical Mechanics») про поведінку величезного числа взаємодіючих частинок, наприклад в газах і рідинах. До моменту виходу книги у 1940 р. Джозеф Майєр був асистент-професором хімії Колумбійського університету в Нью-Йорку. Колумбійський університет запропонував Р.-М. ще більш низьке становище, ніж те, яке вона займала в Університеті Джонса Хопкінса. Хоча декан фізичного факультету надав їй окремий кабінет, вона не мала офіційної посади і не отримувала платні. Але в Колумбійському університеті вона мала можливість працювати з Енріко Фермі і Гарольдом К. Юрі над проблемами хімічної і атомної будови, а Юрі надав Р.-М. право читання лекцій з хімії. З подружжям Кюрі подружжя Майєр стали близькими друзями.

У 1941 р. Р.-М. стала викладачем коледжу Сари Лоуренс, правда з неповною зайнятістю. Це була її перша оплачувана викладацька посаду. На наступний рік Юрі ввів її в Манхеттенський проект (в межах якого велися роботи зі створення атомної бомби). Р.-М. очолила групу, яка займалася дослідженням можливості виділення расщепляющегося ізотопу урану з природного урану за допомогою фотохімічних реакцій. В 1945 р. вона провела кілька місяців у Лос-Аламоської лабораторії Манхеттенського проекту, де працювала з угорсько-американським фізиком Едвардом Теллером.

По закінченні війни Джозеф Майєр став професором хімії Чиказького університету. Хоча Р.-М. в 1946 р. був призначений асистент-професором фізики того ж університету, але платні не отримувала, оскільки це заборонялося університетськими правилами, спрямованими на боротьбу з непотизмом. У 1946 р. вона стала за сумісництвом старшим фізиком в Аргонської національної лабораторії поблизу Чикаго, де будувався ядерний реактор. В Аргоні Р.-М. співпрацювала з Фермі, Юрі, Франком і Теллером і працювала над розрахунками критичності бридерного жидкометаллического реактора. Обчислення були виконані на першому електронному комп’ютері – електронному чисельному інтеграторі і комп’ютері (ENIAC), монтаж якого було незадовго до того завершено на артилерійському полігоні Армії Сполучених Штатів в Абердіні (штат Меріленд).

Саме тоді, працюючи з Теллером над теорією походження хімічних елементів, Р.-М. зіткнулася з «магічними» числами, про яких вперше згадав у своїй роботі в 1933 р. німецький фізик Вальтер Эльзассер. Атомні ядра складаються з протонів (позитивно заряджених частинок, що більш ніж в 1800 разів важче негативно заряджених електронів) і нейтронів (електрично нейтральних частинок з масою, майже збігається з масою протонів). Р.-М. виявила, що з незрозумілої причини поширеність деяких ядер істотно перевершує поширеність інших і, отже, ці ядра повинні мати надзвичайно високою стабільністю. Поширеність і стабільність мають тенденцію до зближення, оскільки нестабільне ядро з високою ймовірністю перетворюється в іншу, зазнаючи радіоактивний розпад. Якщо продукт розпаду також нестабільний, то з часом і він розпадається, і так до тих пір, поки не утворюється стабільний продукт. Стабільні ядра залишаються і накопичуються. В особливо надлишкових ядрах число протонів або число нейтронів дорівнює одному з магічних чисел 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 і рідше деяким іншим.

Р.-М. знала, що аналогічна ситуація існує і для атомних електронів, що обертаються навколо ядра. Стабільність атомів носить хімічний характер, оскільки хімічна реакція визначається тим, чи відбувається втрата, придбання або усуспільнення електронів (ядра атомів залишаються незмінними). Як показує періодична таблиця хімічних елементів, із збільшенням атомного номера хімічні властивості елементів повторюються, утворюючи цикли, або періоди. Атомний номер – це число протонів (позитивно заряджених частинок) в ядрі, яке дорівнює числу електронів (негативно заряджених частинок), що обертаються навколо ядра в невозмущенном атомі, внаслідок чого він в цілому электронейтрален.

Періодична стабільність, яка виникає при певних атомних номерах, отримала пояснення на основі атомних енергетичних рівнів, пов’язаних з кутовим моментом електронів, що обертаються навколо ядра. Згідно квантової теорії, енергетичні рівні обмежені деякими дискретними значеннями. Кутові моменти виникають внаслідок звернення електронів навколо ядра (орбітальний кутовий момент) і обертання електрона навколо власної осі, на зразок вовчка (спін). (Квантова механіка відкидає настільки прості і наочні образи, але все ж вони корисні.) Оскільки рухомі електрони є не що інше, як електричний струм, вони створюють магнітне поле. Так само як два магніти відштовхують або притягують один одного, орбітальні кутові моменти і спини електронів взаємодіють між собою (спін-орбітальна зв’язок). Згідно квантової теорії, кожному дозволеним рівнем кутового моменту відповідає деяке число дискретних енергетичних станів. Коли ці стани пов’язані зі спіном електрона, виникає система енергетичних рівнів, кожен з яких визначається набором чотирьох квантових чисел. До цього слід додати обмеження, що накладається принципом заборони Вольфганга Паулі. Згідно з цим принципом, в кожному квантовому стані, що задається набором чотирьох квантових чисел, що може перебувати лише один електрон. В результаті при збільшенні атомного номера, коли число електронів збільшується кожен раз на одиницю, черговий електрон займає наступний, ще вільний рівень. Повна енергія зростає крок за кроком.

Кроки, на які зростає енергія, не рівномірні: скупчення дрібних кроків розділені надзвичайно великими кроками. На основі ранніх уявлень про електронах, які обертаються навколо ядра на різних відстанях, такі скупчення рівнів отримали назву оболонок. Про хімічному елементі, у якого атома самий далекий від ядра електрон займає останній рівень перед великим проміжком, кажуть, що він замикає оболонку. Елемент з наступним (вищим) атомним номером, що має на один електрон більше, ніж попередній елемент, починає наступну оболонку. Замкнута оболонка відповідає стабільному елементу. Оскільки зрив або приєднання одного електрона в разі замкнутої оболонки вимагає більшого, ніж звичайно, кількості енергії, в хімічні реакції такий елемент набуває «неохоче».

Схема оболонок була застосована до ядру, коли припускали, що протони і нетроны як би звертаються навколо один одного, але мала обмежений успіх. Ядро сильно відрізняється від атома. В атомі основну роль грає центральна сила тяжіння між протонами в ядрі і електронами. Це добре відома сила взаємодії між електричними зарядами. Електрони знаходяться на відносно великих відстанях один від одного, і їх взаємне відштовхування слабо, тому енергія одного електрона мало залежить від положення інших. Ядерні сили між протонами і між протонами і нейтронами діють на малих відстанях, тому можна очікувати, що енергія однієї частинки сильно залежить від положення інших внутрішньоядерних частинок. Єдиного центру тяжіння в ядрі не існує. Ці розбіжності призвели фізиків-теоретиків на ранньому етапі дослідження до висновку, що спін-орбітальна зв’язок для протонів і нейтронів в ядрі повинна бути майже надзвичайно слабкою.

Р.-М. завзято билася над вирішенням проблеми структури ядра. На початку своєї роботи вона виявила два магічні числа: 50 і 82. Потім, аналізуючи експериментальні дані, вона знайшла ще п’ять магічних чисел, але пояснити їх не могла. Вирішальний момент настав у 1948 р., коли Фермі запитав у неї: «чи Існують які-небудь ознаки спін-орбітальної зв’язку?» Відразу зрозумівши, що спін-орбітальна зв’язок дає ключ до проблеми, вона в той же вечір зуміла пояснити ядерні магічні числа. Р.-М. показала, що ядро складається з оболонок. За її словами, атомне ядро нагадує за своєю будовою цибулину: воно складається з шарів, що містять протони і нейтрони, які обертаються навколо один одного і по орбіті, як пари, вальсуючі на балу. Ядра стабільні, якщо оболонки протонів або нейтронів заповнені. Магічні числа ядер відрізняються від магічних чисел для атомних електронів, але аналогія між тими і іншими з урахуванням відповідних поправок існує.

Про свою роботу по теорії ядерних оболонок Р.-М. повідомила в двох статтях, опублікованих в журналі «Физикал рев’ю» у 1948 і 1949 рр. Їх поява співпала з публікацією майже такий же теорії Й. Хансом Д. Йенсеном з Гейдельберзького університету, які працювали з Отто Хакселем і Гансом Е. Зюссом. Р.-М. і Йенсен зустрілися в 1950 р. в Німеччині, стали друзями і разом працювали над книгою «Елементарна теорія оболонкової структури ядра» («Elementary Theory of Nuclear Shell Structure»), яка була опублікована в 1955 р.

Р.-М. і Йенсен були удостоєні Нобелівської премії з фізики 1963 р. «за відкриття оболонкової структури ядра». Друга половина премії була присуджена Эугену П. Вигнеру. Представляючи нових лауреатів, Івар Валлер з Шведської королівської академії наук нагадав слухачам, що до відкриттів Р.-М. «вдавалося пояснити не більше трьох магічних чисел… Вона і Йенсен переконливо довели всю важливість оболонкової моделі для систематизації накопиченого матеріалу та передбачення нових явищ, пов’язаних з основним станом і низько лежачими збудженими станами ядер».

У 1960 р. університет в Сан-Дієго запросив подружжя Майєр. Марії пропонувався посаду професора фізики, Джозефу – професора хімії. Незабаром після переїзду до Каліфорнії у Р.-М. трапився удар, можливо викликаний вірусною інфекцією. Вона була частково паралізована, порушилася мова. Після удару здоров’я Р.-М. почало швидко погіршуватися, але вона продовжувала займатися викладацькою діяльністю та працювати над подальшим розвитком ядерної фізики. Р.-М. раніше співпрацювала з Йенсеном. Остання їхня спільна робота була опублікована в 1966 р., за 6 років до того, як вона померла в Сан-Дієго від серцевого нападу.

Р.-М. була обрана в Національну академію наук США і Американську академію наук і мистецтв, а також членом-кореспондентом Академії наук у Гейдельберзі. Вона була почесним доктором коледжу Сміта, коледжу Рассела Сейджа та коледжу в Маунт Холіок.