Maria Goeppert Mayer: Xây dựng mô hình vỏ hạt nhân nguyên tử

Maria Goeppert Mayer, nhà khoa học đã có những khám phá quan trọng về cấu trúc hạt nhân, là người phụ nữ thứ hai đoạt giải Nobel Vật lý sau Marie Curie. Trong thời gian đầu của sự nghiệp, cô đã trải qua nhiều năm ở các vị trí công việc không được trả lương trước khi trở thành một giáo sư vật lý. Tuy nhiên, cô vẫn kiên trì thực hiện các nghiên cứu của mình. Vào tháng 8/1948, Goeppert Mayer đã xuất bản bài báo đầu tiên trình bày chi tiết bằng chứng về mô hình vỏ hạt nhân. Mô hình này có thể giải thích nhiều đặc tính của hạt nhân nguyên tử.

Goeppert Mayer sinh ra tại thành phố Kattowitz, Đức vào năm 1906. Khi cô bốn tuổi, gia đình cô chuyển đến sống ở Göttingen, nơi cha cô được bổ nhiệm làm giáo sư nhi khoa tại Đại học Göttingen. Trên thực tế, ông là giáo sư đại học thế hệ thứ sáu trong gia đình, và Goeppert Mayer sau này tự hào là thế hệ thứ bảy.

Cha của Goeppert Mayer luôn khuyến khích cô lớn lên có thể làm nhiều việc lớn lao, thay vì chỉ trở thành một bà nội trợ. Ông đã cho cô học hành đầy đủ, mặc dù điều này rất khó khăn đối với phụ nữ vào thời điểm đó.

Sau khi theo học trường công lập và học viện dự bị đại học dành cho nữ sinh, Goeppert Mayer cuối cùng cũng trở thành sinh viên của Đại học Göttingen vào năm 1924. Ban đầu, cô có ý định theo học chuyên ngành toán. Nhưng sau khi tham dự hội thảo về cơ học lượng tử của Max Born, cô đã cảm thấy thích thú và chuyển hướng nghiên cứu sang lĩnh vực vật lý.

Năm 1930, Goeppert Mayer bảo vệ thành công luận án tiến sĩ với lý thuyết về khả năng hấp thụ hai photon của nguyên tử. Trong lúc ở Đại học Göttingen, cô đã gặp gỡ và kết hôn với nhà hóa học Joseph Mayer. Cặp đôi sau đó chuyển đến sống ở Mỹ, nơi chồng của cô tìm được công việc tại Đại học Johns Hopkins ở Baltimore. Các quy tắc nghiêm ngặt chống lại chủ nghĩa gia đình trị [thói kéo người nhà vào làm việc tại các cơ quan] đã ngăn cản Đại học Johns Hopkins nhận cô vào làm giảng viên. Vì vậy, cô làm tình nguyện viên và tiếp tục các nghiên cứu của riêng mình, hầu hết liên quan đến việc áp dụng cơ học lượng tử vào những vấn đề hóa học.

Goeppert Mayer gặp phải tình huống tương tự vào năm 1939 khi chồng cô nhận công việc tại Đại học Columbia. Cô được trường đại học bố trí cho một văn phòng riêng nhưng làm việc không có lương. Lúc đầu, cô tiến hành những nghiên cứu tính toán về đặc điểm của transuranic – các nguyên tố hóa học có số hiệu nguyên tử lớn hơn nguyên tố uranium (92). Sau đó, cô cộng tác với Harold Urey nhằm phát triển một phương pháp quang hóa để tách đồng vị. Đáng tiếc là phương pháp này cuối cùng bị loại bỏ vì không thực tế.

Năm 1946, Goeppert Mayer và chồng chuyển đến thành phố Chicago, nơi cô làm việc bán thời gian tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân thuộc Đại học Chicago và một nửa thời gian còn lại tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Tại đây cô bắt đầu làm việc với Edward Teller trong dự án nhằm xác định nguồn gốc các nguyên tố hóa học.

Công việc liên quan đến việc tạo ra một danh sách các đồng vị. Trong khi lập danh sách này, Goeppert Mayer nhận thấy các hạt nhân có 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 proton hoặc neutron đặc biệt ổn định. Những con số trên được gọi là “số ma thuật”, một thuật ngữ do Eugene Wigner đặt ra. Ngay sau đó, Goeppert Mayer đề xuất một mô hình toán học về cấu trúc vỏ [hoặc lớp] cho hạt nhân, tương tự như cấu trúc vỏ electron của nguyên tử.

Trong mô hình vỏ hạt nhân, mỗi nucleon [bao gồm neutron và proton] chuyển động trong giếng thế năng trung tâm được tạo ra bởi các nucleon khác, tương tự như quỹ đạo của các electron quay quanh giếng thế năng do hạt nhân tạo ra trong mô hình vỏ nguyên tử. Các quỹ đạo này tạo thành một loạt lớp vỏ có mức năng lượng tăng dần. Hạt nhân có lớp vỏ bên ngoài được lấp đầy hoàn toàn là ổn định nhất.

Thực tế là các hạt nhân với số lượng nucleon nhất định đặc biệt bền vững đã được chú ý đến trước đó. Nhưng giới khoa học cho rằng mô hình vỏ có thể không đúng, một phần do một mô hình thay thế gọi là mô hình giọt chất lỏng [coi hạt nhân như một giọt đồng nhất] đã khá thành công trong việc giải thích quá trình phân hạch hạt nhân. Ngoài ra, các nhà vật lý tin rằng lực tương tác giữa các nucleon quá mạnh để hạt nhân có thể được mô tả chính xác bằng mô hình vỏ, trong đó xem xét nucleon là những hạt độc lập. Goeppert Mayer, người ít được đào tạo chính quy về vật lý hạt nhân, ít có khuynh hướng thiên về bằng chứng cho mô hình giọt chất lỏng giống như các nhà khoa học đương thời.

Goeppert Mayer sau đó đã xem xét các tính chất khác của hạt nhân nguyên tử và nhận thấy tất cả chúng đều góp phần chỉ ra sự tồn tại khách quan của những “số ma thuật”. Tháng 8/1948, cô xuất bản bài báo đầu tiên tóm tắt bằng chứng về mô hình cấu trúc vỏ hạt nhân trên tạp chí Physical Review.

Mặc dù Goeppert Mayer cố gắng thu thập bằng chứng về mô hình vỏ hạt nhân, nhưng ban đầu cô ấy đã không thể giải thích trình tự của chuỗi số ma thuật. Các kiến thức về cơ học lượng tử tiêu chuẩn và giếng thế năng trung tâm không thể giải thích cho những số ma thuật lớn hơn 20. Mọi việc trở nên sáng tỏ khi nhà vật lý Enrico Fermi tình cờ hỏi cô ấy liệu có bằng chứng nào về sự kết hợp quỹ đạo quay hay không. Cô ngay lập tức nhận ra đây đây chính là câu trả lời. Kể từ đó, cô có thể thiết lập các tính toán về mức năng lượng và những con số ma thuật.

Trong lúc Goeppert Mayer đang gửi bài báo thứ hai về mô hình vỏ hạt nhân hoàn chỉnh đến tạp chí Physical Review để chờ xuất bản, cô biết đến một bài báo của Hans Jensen và các đồng nghiệp, những người đã độc lập đưa ra kết quả tương tự. Cô yêu cầu Physical Review xuất bản công trình nghiên cứu của mình và Jensen cùng lúc, nhưng bài báo của cô cuối cùng bị trì hoãn và được xuất bản sau bài báo của Jensen vào tháng 6/1949.

Không lâu sau, Goeppert Mayer gặp gỡ Jensen. Họ trở thành bạn bè, cộng sự của nhau trong nhiều nghiên cứu và cùng viết một cuốn sách chung về mô hình vỏ hạt nhân. Cả hai cùng đoạt giải Nobel Vật lý năm 1963 với công trình nghiên cứu về mô hình vỏ hạt nhân nguyên tử.

Goeppert Mayer được bổ nhiệm làm giáo sư tại Đại học California, San Diego (Mỹ) vào năm 1960, nhưng bị đột quỵ ngay sau đó. Cô ấy không bao giờ hồi phục hoàn toàn và qua đời năm 1972.