Maria Goeppert-Mayer

Maria Goeppert-Mayer (28. juuni 1906 Katowice – 20. veebruar 1972 San Diego) oli Saksa-USA teoreetilise füüsika alal töötav teadlane, kes 1963. aastal pälvis Nobeli füüsikaauhinna aatomituuma kihilise struktuuri avastamise ja uurimise eest, olles 2018. aasta seisuga üks kolmest naisest, kes kunagi Nobeli füüsikaauhinna on saanud (esimene oli Marie Curie ja kolmas Donna Strickland).
Goeppert Mayer lõpetas Göttingeni ülikooli doktoritööga võimaliku kahefootonilise neeldumise kohta aatomites. Sel ajal tundus võimalus seda teooriat kontrollida kauge, aga laseri arenemine tegi selle võimalikuks. Tänapäeval on kahefootonilise neeldumise ristlõike ühik nimetatud Goeppert Mayeri (GM) järgi.
Maria Goeppert abiellus Joseph Edward Mayeriga ning kolis Ameerika Ühendriikidesse, kus ta oli dotsent Johns Hopkinsi Ülikoolis. Ranged onupojapoliitika vastased reeglid ei lasknud ülikoolil teda teaduskonna liikmeks võtta, aga talle anti tööd assistendina. 1935. aastal avaldas ta esimese artikli kahese beetalagunemise kohta. 1937. aastal läks ta edasi Columbia ülikooli, kus võttis tasustamata koha. Teise maailmasõja ajal töötas ta Manhattani projekti heaks isotoopide eraldamise juures ning Edward Telleriga Los Alamose laboris Telleri "Super" pommi arendamisel.
Pärast sõda sai Goeppert Mayerist vabatahtlik füüsika abiprofessor Chicago Ülikoolis (kus Teller ja Goeppert Mayeri abikaasa töötasid) ja vanemprofessor lähedal asuvas Argonne’i riiklikus laboratooriumis. 1963. aastal pälvis ta Nobeli füüsikaauhinna aatomituuma kihilise struktuuri avastamise ja selle uurimise eest, 1960. aastal sai Goeppert Mayer Chicago ülikoolis professorikoha.
Maria Goeppert-Mayer suri 20. veebruaril 1972 pärast aastast südameinfarkti tagajärjel koomas viibimist.

Elukäik

Maria Goeppert sündis 28. juunil 1906 Preisi linnas Kattowitzis Friedrich Göpperti ja Maria Göpperti ainsa lapsena. 1910. aastal kolis perekond Göttingeni, sest pereisa sai Göttingeni ülikoolis koha pediaatriaprofessorina. Goeppert oli lähedasem oma isa kui emaga: "Mu isa oli huvitavam; lõppude lõpuks ta oli ju teadlane."
Goeppert sai hariduse Göttingeni kõrgemas tehnikakoolis keskklassi tüdrukute jaoks, kelle eesmärk oli kõrgharidus. 1921. aastal astus ta Frauenstudiumi, sufražettide juhitud eragümnaasiumi, mille eesmärk oli tüdrukute ettevalmistamine ülikooliks. Aasta varem tegi ta ülikooli sisseastumiseksamid 3–4 tüdrukuga oma koolist ja 30 poisiga. Kõik tüdrukud said sisse, aga poistest vaid üks.
1924. aasta kevadel astus Goeppert Göttingeni ülikooli, kus asus õppima matemaatikat, hakkas aga huvituma hoopis füüsikast. Oma 1930. aasta doktoritöö kirjutas ta teooriast kahefootonilise neeldumise kohta aatomites. Hiljem kirjeldas Eugene Wigner seda tööd kui "selguse ja konkreetsuse meistriteost." Tema teooriat oli aga võimalik kontrollida alles 1961. aastal tänu laserile. Maria Goeppert Mayeri panuse auks on kahefootonilise neeldumise ristlõike ühik nimetatud Goeppert-Mayeri ühikuks (GM). Üks GM on 10⁻⁵⁰ cm⁴ footon⁻¹. Tema eksamineerijad olid hilisemad Nobeli auhinna laureaadid Max Born, James Franck ja Adolf Otto Reinhold Windaus.
1930. aasta 19. jaanuaril abiellus Goeppert Joseph Edward Mayeriga, ühe James Francki assistendiga. Paar kolis Mayeri kodumaale Ameerika Ühendriikidesse, kus mehele oli pakutud keemiadotsendi kohta Johns Hopkinsi Ülikoolis. Nad said kaks last: Maria Anni ja Peter Conradi.

Ameerika Ühendriigid

Näiliselt ei lasknud karmid onupojapoliitika vastased reeglid Johns Hopkinsi ülikoolil Goeppert Mayerit teaduskonna liikmeks võtta, kuid talle anti assistendikoht füüsikaosakonnas, kus ta jälgis kirjavahetust Saksamaaga. Ta sai väga väikese palga, tööpaiga ja juurdepääsu töövahenditele. Ta õpetas mõnda kursust ja avaldas 1935. aastal tähtsa töö kahese beetalagunemise kohta.
Goppert Mayeri ja Karl Herzfeldi koostöös sündis hulk kvantmehaanikaalaseid töid (kuigi üldiselt ei pööranud Johns Hopkinsi ülikool kvantmehaanikale suurt tähelepanu). Naine naasis ka suviti 1931–1933 Göttingeni, et töötada oma endise eksamineerija Borniga, kirjutades koos artiklit käsiraamatu "Handbuch der Physik" jaoks. See lõppes aga natsipartei võimuletulekul 1933. aastal, kui paljud akadeemikud, sealhulgas Born ja Franck, kaotasid töö. Goeppert, Mayer ja Herzfeld lõid kaasa põgenike abistamises.
1937. aastal Joe Mayer vallandati. Ta arvas ise vallandamise põhjuseks olevat reaalteaduste osakonna dekaani rahulolematuse naise viibimisega laboratooriumis. Herzfeld nõustus ja lisas, et nii Goeppert-Mayeri, Francki kui Herzfeldi töötamisega Johns Hopkinsi ülikoolis arvati saksa teadlaste hulk liiga suur olevat. Õpilastelt oli tulnud ka kaebusi, et Joe Mayeri keemialoengud hõlmasid liiga palju modernset füüsikat. Mayer võttis vastu koha Columbia ülikoolis, kus ka Goeppert-Mayer sai ametikoha, aga mitte palka. Peagi sai ta headeks sõpradeks Harold Urey ja Enrico Fermiga, kes saabusid Columbia ülikooli 1939. aastal. Fermi palus Goeppert-Mayeril uurida transuraaniliste elementide valentselektronkihti. Kasutades Thomas-Fermi mudelit, arvas Goeppert-Mayer, et nad moodustaksid uue jada, sarnase haruldaste muldmetallidega. Hiljem suudeti seda ka tõestada.

Manhattani projekt

1941. aasta detsembris sai Goeppert-Mayer oma esimese tasustatud erialase töökoha: ta sai poole kohaga õpetajaks Sarah Lawrence’i kolledžis. 1942. aasta kevadel liitus ta Manhattani projektiga. Ta võttis Ureylt vastu võimaluse töötada poole kohaga teadusuurijana Columbia ülikooli Substitute Alloy Materials (SAM) laboratooriumites. Projekti eesmärk oli eraldada lõhustatava uraanium-235 isotoope looduslikust uraanist; Goeppert-Mayer uuris uraaniumheksafluoriidi keemilisi ja termodünaamilisi omadusi ja isotoopide eraldamise võimalikkust fotokeemiliste protsesside abil. Sel hetkel oli meetod veel liiga ebapraktiline, aga hiljem sai tänu laseritele võimalikuks isotoopide eraldamine laserergastamise abil.
Tänu Edward Tellerile anti Goeppert-Mayerile koht Columbia ülikooli Opacity projekti juures, mis uuris aine ja kiirguse omadusi ülikõrgete temperatuuride juures. Loodeti arendada termotuumarelvi. 1945. aasta veebruaris saadeti Joe Mayer sõtta Vaikse ookeani saartele ning Goeppert-Mayer otsustas jätta oma lapsed New Yorki ja liituda Telleri rühmaga Los Alamose laboratooriumis. Joe tuli Vaikselt ookeanilt tagasi enne oodatud aega ja paar naasis 1945. aasta juulis koos New Yorki.
1946. aasta veebruaris sai Joest Chicago ülikooli keemiaosakonna ja uue tuumateaduste instituudi (ka Enrico Ferni instituut) professor. Goeppert-Mayeril õnnestus saada samas koolis vabatahtlikuks füüsika abiprofessoriks. Teller võttis samuti vastu koha Chicago ülikoolis ja Goeppert-Mayer sai temaga koos uuesti Opacity projekti kallal tööle hakata. Kui läheduses avati Argonne’i riiklik laboratoorium, pakuti Goeppert-Mayerile seal poolt kohta vanemfüüsikuna teoreetilise füüsika osakonnas. Ta vastas: "Ma ei tea midagi tuumafüüsikast."

Aatomituuma kihilise struktuuri mudel

Chicagos ja Argonne’is veedetud aja jooksul arendas Goeppert-Mayer 1940ndate teisel poolel välja matemaatilise mudeli aatomituuma struktuuri kohta, mille ta avaldas 1950. aastal. Tema mudel seletas, miks teatud arvud nukleone aatomituumas on eriti püsivad. Need numbrid on: 2, 8, 20, 28, 50, 82 ja 126. Goeppert-Mayer mõistis, et tuum koosneb jadast suletud kihtidest ja neutronipaaridest, ja et prootonid kipuvad paaris olema. Ta kirjeldas ideed järgnevalt:
"Kujuta ette tantsijaid täis tuba. Kujuta, et nad keerlevad ringides, iga ring suletud teise sisse. Nüüd kujutle, et igasse ringi saad sa mahutada kaks korda sama palju tantsijaid, kui üks paar liigub päripäeva, teine vastupäeva. Nüüd lisa veel üks muutuja; kõik tantsijad tiirlevad ja pöörlevad ringi ja ringi, iga paar nii tiirleb kui pöörleb oma telje ümber. Aga ainult mõned neist, kes liiguvad vastupäeva, ka pöörlevad vastupäeva. Teised pöörlevad päripäeva, samal ajal tiireldes vastupäeva. Sama kehtib kõigi päripäeva tantsijate kohta: mõned pöörlevad päripäeva, mõned vastupäeva."
Kolm saksa teadlast, Otto Haxel, J. Hans D. Jensen ja Hans Suess, töötasid samuti sama probleemi kallal ja jõudsid iseseisvalt sama järelduseni. Nende tulemused kuulutati välja Physical Review numbris enne Goeppert-Mayerit. Hiljem tegi ta meestega koostööd. 1950. aastal avaldati Hans Jenseni ja Goeppert-Mayeri kaasautorlusel valminud raamat "Elementary Theory of Nuclear Shell Structure". 1963. aastal jagasid Goeppert-Mayer, Jensen ja Wigner Nobeli füüsikaauhinda.

Tunnustused

Maria Goeppert-Mayer pälvis 1963. aastal koos Johannes Hans Daniel Jenseniga Nobeli füüsikaauhinna aatomituuma kihilise struktuuri avastamise ja uurimise eest, olles teine naine, kes on selle auhinna füüsikas pälvinud (enne teda sai selle Marie Curie 1903).
Aastal 1964 valiti ta Ameerika Filosoofiaseltsi liikmeks.
Pärast tema surma hakati välja andma Maria Goeppert-Mayeri auhinda noortele naisfüüsikutele.