Pred viac ako storočím sa narodila fyzička Maria Goeppertová-Mayerová, ktorá zásadným spôsobom prispela k pochopeniu štruktúry atómového jadra. Za objav takzvaného škrupinového modelu získala Nobelovu cenu za fyziku, čím sa stala druhou ocenenou ženou v tejto kategórii po Marie Curie-Skłodowskej.
Maria Goeppertová-Mayerová pri práci. Práve jej matematické výpočty a teoretické modely priniesli do zložitého vnútra atómového jadra jasný a logický poriadok. Zdroj: Atomic Heritage Foundation
Pri pohľade na periodickú tabuľku prvkov môžeme mať pocit, že svet atómov je jasný, prehľadný a usporiadaný systém. Každý prvok má svoje presné miesto a špecifické protónové číslo. Pohľad do samotného vnútra atómového jadra však fyzikom dlhé desaťročia neponúkal takýto jasný obraz.
Hľadanie poriadku v mikrosvete
Začiatkom 20. storočia bolo známe, že jadro atómu tvoria protóny a neutróny, spoločne nazývané nukleóny. Experimenty zároveň ukazovali, že niektoré jadrá sú nečakane stabilné, zatiaľ čo iné podliehajú rádioaktívnemu rozpadu. Vedeckej komunite však chýbalo komplexné vysvetlenie, prečo presne určité počty protónov alebo neutrónov vytvárajú také vnútorné zloženie, ktoré je mimoriadne odolné proti rádioaktívnemu rozpadu.
Tento fundamentálny problém napokon vyriešila Maria Goeppertová-Mayerová. Narodila sa 28. júna 1906 v meste Kattowitz, ktoré vtedy patrilo Nemecku (dnešné poľské Katovice). Vyrastala v rodine, v ktorej sa vzdelanie kládlo na prvé miesto. Jej predkovia z otcovej strany totiž pôsobili celých sedem generácií ako univerzitní profesori. Jej rodina sa presťahovala do Göttingenu, kde jej otec pôsobil ako univerzitný profesor. V tom čase patril Göttingen medzi najvýznamnejšie centrá teoretickej fyziky, formovala sa tu moderná kvantová mechanika. Tá opisuje správanie častíc na veľmi malých škálach, kde bežná fyzikálna skúsenosť nestačí. V tomto inšpiratívnom prostredí Goeppertová-Mayerová v roku 1930 úspešne získala doktorát z teoretickej fyziky.
Kariéra poznačená pravidlami
Po sobáši s americkým chemikom Josephom Mayerom sa presťahovala do Spojených štátov amerických. V tridsiatych rokoch 20. storočia však mnohé univerzity uplatňovali prísne pravidlá proti zamestnávaniu manželov na rovnakom pracovisku. Tieto opatrenia jej výrazne komplikovali kariéru. Napriek tomu neprestala pracovať, učila a pokračovala vo výskume z pozície neplatenej pracovníčky.
Počas druhej svetovej vojny sa zapojila do projektu Manhattan. Išlo o prísne tajný americký vojenský a výskumný program, ktorého hlavným cieľom bolo vyvinúť prvú atómovú bombu. Na Kolumbijskej univerzite sa venovala otázkam separácie izotopov uránu. Izotopy sú atómy toho istého prvku, ktoré sa navzájom líšia iba počtom neutrónov v jadre. Neskôr pôsobila aj v laboratóriu v Los Alamos, kde spolupracovala s poprednými fyzikmi tej doby.
Záhada magických čísel
Zásadný zlom prišiel po vojne, keď pôsobila v Chicagu a v Národnom laboratóriu Argonne. Pri podrobnom skúmaní experimentálnych dát o atómových jadrách si všimla opakujúci sa vzor. Jadrá, ktoré obsahovali špecifický počet protónov alebo neutrónov, vykazovali extrémnu stabilitu. Fyzici tieto hodnoty familiárne nazvali magické čísla. Patria medzi ne predovšetkým hodnoty 2, 8, 20, 28, 50, 82 a 126. Tento názov však nemal nič spoločné s mágiou. Bol to iba pútavý pojem pre vedecký fakt, že jadrá s týmito konkrétnymi počtami častíc sa správali nezvyčajne stabilne a vedci túto pravidelnosť neustále potvrdzovali vo svojich dátach.
Goeppertová-Mayerová navrhla inovatívnu myšlienku, že nukleóny v jadre netvoria iba chaotický zhluk častíc. Podľa jej teoretického modelu obsadzujú určité energetické hladiny. Tento systém je veľmi podobný tomu, ako elektróny obsadzujú elektrónové vrstvy v obale atómu. Keď sa takáto vrstva v jadre úplne zaplní, celá štruktúra získa oveľa stabilnejšiu konfiguráciu.
Prelomový model a Nobelova cena
Aby jej teória presne zodpovedala pozorovaným číslam, musela do modelu zakomponovať takzvanú spinovo-orbitálnu interakciu. Zjednodušene povedané, model bral do úvahy vzťah medzi vlastnou rotáciou častice (spinom) a jej pohybom v jadre. Tento krok pomohol definitívne vysvetliť, prečo teoretické výpočty podľa tohto modelu zodpovedajú presne tým hodnotám stabilných magických čísel, aké fyzici predtým namerali pri skutočných experimentoch.
K identickým záverom v tom istom čase dospeli úplne nezávisle nemeckí vedci J. Hans D. Jensen, Otto Haxel a Hans Suess. Goeppertová-Mayerová následne s Jensenom nadviazala spoluprácu, ktorej výsledkom bola spoločná kniha o jadrovom škrupinovom modeli. Pomenovanie škrupinový v tomto kontexte vychádza z teoretickej predstavy, že častice sa v jadre ukladajú do postupných vrstiev či energetických škrupín, podobne ako sa prekrývajú vrstvy cibule alebo ako elektróny obiehajú v obale atómu.
V roku 1963 získala Maria Goeppertová-Mayerová spolu s J. Hansom D. Jensenom polovicu Nobelovej ceny za fyziku. (Rozdeľovanie ocenenia medzi viacerých laureátov je vo svete vedy bežné, najmä ak k jednému objavu prispejú viacerí bádatelia nezávisle od seba alebo vo vedeckom tíme.) Výbor túto polovicu udelil za ich kľúčové objavy týkajúce sa škrupinovej štruktúry jadra. Druhú polovicu ocenenia získal Eugene Wigner. Po Marie Curie-Skłodowskej sa tak stala iba druhou ženou ocenenou v tejto kategórii. Na ďalšiu laureátku si svet fyziky musel počkať až do roku 2018, keď bola ocenená Donna Stricklandová za jej priekopnícku prácu v oblasti laserovej fyziky.
Jadrový škrupinový model neznamenal iba vnesenie teoretického poriadku do neprehľadných dát. Tento objav poskytol vedcom silný nástroj na predpovedanie vlastností jadier a pochopenie ich stability. Tá priamo súvisí s rádioaktivitou, priebehom jadrových reakcií a dokonca aj s mechanizmami vzniku chemických prvkov vo vesmíre.
Hoci sú atómové jadrá natoľko zložité systémy, že dnešná fyzika využíva na ich opis viacero odlišných prístupov, práca Marie Goeppertovej-Mayerovej zostáva fundamentálnym pilierom. Pri výročí jej narodenia nejde iba o spomienku na laureátku Nobelovej ceny. Jej životný príbeh pripomína, že vedecká kariéra nezávisí výlučne od talentu, ale aj od toho, aké má výskumník k dispozícii pracovné podmienky a pravidlá.
Zdroje: NobelPrize.org, NobelPrize.org – Nobelova cena za fyziku 1963, National Museum of Nuclear Science & History
(KAM)
