21.02.2022

Maria Goeppert-Mayer: Mit Spin-Bahn zum Kern

Vor 50 Jahren starb die deutsch-amerikanische Physikerin, die als zweite Frau den Nobelpreis für Physik erhielt.

Maria Goeppert, geboren am 28. Juni 1906 im oberschlesischen Kattowitz, wuchs in Göttingen auf, wo ihr Vater eine Professur für Pädiatrie erhielt. Auch wenn es damals für Frauen schwierig war, das Abitur abzulegen und zu studieren, ermutigte sie ihr Vater, die akademische Tradition ihrer Familie in siebter Generation fortzusetzen.

Zum Freundeskreis der Familie Goeppert gehörten der Mathematiker David Hilbert, und ab den 1920er-Jahren auch Max Born und James Franck. Als die 18-Jährige sich 1924 an der Universität Göttingen einschrieb, war die Georgia Augusta ein Hotspot für die Quantentheorie, sodass Maria Goeppert viele Forscher traf, die später noch Geschichte schreiben sollten, wie Dirac, Fermi, Heisenberg, von Neumann, Oppenheimer, Szilard, Weisskopf und Teller.

Maria Goeppert begann ihr Studium mit einem starken Interesse für Mathematik. Als aber Max Born sie gleich im ersten Semester in sein physikalisches Seminar einlud, wandte sie sich der Physik zu. Sie entwickelte sich zu einer theoretischen Physikerin mit einem soliden mathematischen Fundament, vor allem in der von Born verwendeten Matrizenrechnung. 1930 schloss sie ihre Dissertation „Über Elementarakte mit zwei Quantensprüngen“ ab. Eugene Wigner, der dritte Nobelpreisträger des Jahres 1963, lobte ihre Arbeit als „masterpiece of clarity and concreteness“.

Nach ihrem Abschluss heiratete Maria Goeppert den amerikanischen Chemiker Joseph Mayer, der als Stipendiat bei James Franck arbeitete. Das junge Paar zog kurz darauf nach Baltimore, wo Joe Mayer seine erste Chemie-Professur an der Johns Hopkins University antrat.

Die knappen Finanzen der Universitäten in der Depressionszeit und die Nepotismus-Regel erlaubten es nicht, ein Ehepaar zu beschäftigen. Die Kollegen in der Physik konnten Maria nur eine unbezahlte Stelle als Assistentin anbieten. So forschte sie weiter aus dem bloßen Vergnügen heraus, Physik zu betreiben. In den Sommern 1931 bis 1933 kehrte sie nach Göttingen zurück, um mit Max Born zu arbeiten. Zusammen verfassten sie für das Handbuch der Physik den Beitrag „Dynamische Gittertheorie der Kristalle.“ 1935 publizierte sie, auf Erkenntnissen ihrer Dissertation aufbauend, über den doppelten Beta-Zerfall.

Nach der Geburt zweier Kinder stellte das Paar eine Haushaltshilfe ein. Die zusätzlichen Ausgaben sahen sie als eine Versicherung an, sodass Maria sich und die Kinder ernähren konnte, sollte ihrem Mann etwas zustoßen. An der Johns Hopkins University arbeitete Maria Goeppert Mayer vor allem mit Karl Herzfeld und ihrem Mann auf dem Gebiet der Physikalischen Chemie. Hier brachte sie ihr mathematisches Wissen ein, indem sie die Gruppentheorie und Matrizenrechnung auf die Struktur organischer Verbindungen anwandte. Mit Herzfeld blieb sie Zeit ihres Lebens freundschaftlich verbunden.

1934 kam James Franck, der Nazideutschland 1933 den Rücken gekehrt hatte, an die Johns Hopkins University. Edward Teller nahm eine Stelle an der nahe gelegenen Universität in Washington an. Mit ihm diskutierte Maria Goeppert häufig die aktuellen Entwicklungen der theoretischen Physik. In dieser Zeit begann sie auch, mit ihrem Mann an einem Lehrbuch über statistische Mechanik zu arbeiten, das 1940 erschien.

Robert Sachs, einer ihrer ersten Doktoranden, erinnert sich: „Sie war sehr schnell mit Matrix-Rechnungen und der Anwendung von Symmetrieargumenten, um Antworten auf ein bestimmtes Problem zu erhalten, und diese Fähigkeit kam ihr in ihrer späteren Arbeit über die Struktur von Kernschalen zugute […]. Sie betrachtete physikalische Theorien im Allgemeinen und die Quantenmechanik im Besonderen als Werkzeuge zur Lösung physikalischer Probleme und machte sich wenig Gedanken über die philosophischen Aspekte oder die Struktur der Theorie.“

1939 folgte Joe Mayer einem Ruf an die Columbia University in New York. Das Paar schloss hier Freundschaft mit dem Chemiker Harold Urey und seiner Frau. Sie trafen Enrico Fermi und seine Familie wieder, die ein Jahr zuvor aus dem antisemitischen Italien geflüchtet waren. Maria Goeppert-Mayer begann auf Fermis Anregung, die Valenzschalen der damals noch nicht entdeckten Transurane zu berechnen.

Im Dezember erhielt sie ihre erste bezahlte Teilzeitstelle als Dozentin am Sarah Lawrence College. 1942 kam ein weiteres Stellenangebot von Harold Urey, der im Rahmen des amerikanischen Atombombenprojekts beauftragt war, Uran-235 von natürlichem Uran zu  trennen. In dem geheimen Projekt suchte Goeppert Mayer nach Möglichkeiten, die Isotope durch photochemische Reaktionen zu trennen.

Auf Vermittlung Edward Tellers beteiligte sie sich auch am „Opacity Project” der Columbia University, das sich mit den Eigenschaften der Materie bei extrem hohen Temperaturen beschäftigte. Es war für die spätere Entwicklung der Wasserstoffbombe von Bedeutung. Im Frühjahr 1945 arbeitete sie schließlich für einige Monate in Los Alamos eng mit Teller zusammen. Sie hielt ihn für einen ihrer inspirierendsten Kollegen. Die Intensität des Austauschs dokumentiert der an der University of California in San Diego erhaltene Briefwechsel zwischen Goeppert Mayer und Teller aus den Jahren 1939 bis 1971.

Nach dem Krieg zog die Familie Mayer 1946 an die University of Chicago, wo Joe eine Professur erhalten hatte. Die Zeit in Chicago war für Maria Goeppert Mayer die produktivste. Ihre Stelle war wieder unbezahlt, aber sie arbeitete in einem anregenden Umfeld, das fast an die Göttinger Zeit erinnerte. In der Chemie waren Urey und Willard Libby, in der Physik Teller, Franck, Gregor Wentzel und Subrahmanyan Chandrasekhar ihre Kollegen.

Maria Goeppert erhielt neben ihrer Arbeit an der Universität eine halbe Stelle am neu gegründeten Argonne National Laboratory, das sich hauptsächlich mit Kernphysik beschäftigte. Sie war die erste, die mit Hilfe eines Computers berechnete, wann ein Flüssigmetall-Brutreaktor kritisch wird. Dazu verwendete sie die Monte-Carlo-Methode auf dem ENIAC, dem ersten Computer, der sich im dortigen „Ballistic Research Laboratory“ befand.

Gemeinsam mit Teller suchte sie nach dem Ursprung der Elemente. Sie bemerkte, dass Elemente mit einer bestimmten Anzahl von Neutronen oder Protonen besonders häufig sind. Das war 1933 auch schon Walter M. Elsasser aufgefallen, doch verfügte Goeppert Mayer nun über wesentlich mehr Daten. Für diese „magischen Zahlen“, wie sie von Eugene Wigner genannt wurden, suchte sie nun eine theoretische Erklärung.

Die Gespräche mit ihrem Mann waren ihr dabei eine große Hilfe, denn er kannte sich mit den chemischen Aspekten des Problems aus. Die entscheidende Frage stellte jedoch Enrico Fermi. Joseph Mayer berichtet: „Fermi und Maria unterhielten sich in ihrem Büro, als Enrico gerufen wurde, um ein Ferngespräch entgegenzunehmen. An der Tür drehte er sich um und stellte seine Frage zur Spin-Bahn-Kopplung.“ Als Fermi weniger als zehn Minuten später zurückkam, hatte Maria das Rätsel gelöst. Sie führte eine Spin-Bahn-Kopplung, die bei der elektromagnetischen Wechselwirkung in der Atomhülle die Feinstruktur erklärte, für die starke Wechselwirkung der Nukleonen ein.

Noch während sie ihre Einsichten für die Publikation vorbereitete, erfuhr sie, dass Otto Haxel, J. Hans D. Jensen und Hans E. Suess unabhängig von ihr zu denselben Schlüssen gekommen waren. Ihr Mann hatte bei einem Besuch in Göttingen Otto Haxel getroffen, der sich später erinnerte: „Er [Mayer] […] meinte, er fühlte sich wie zu Hause am Schreibtisch seiner Frau. Diese versuche, offenbar ebenso wie ich, Kerne mit unbekannten Momenten in ein Niveauschema zu pressen. Hocherfreut erzählte ich alles, was ich wusste und erfuhr, dass Maria auf dem gleichen Weg war. Das Hochgefühl, doch nicht ganz hinter dem Monde zu sein, wenn selbst am Enrico Fermi Institut über Gleiches nachgedacht wird, überwog alle Rivalitätsängste. Jensen setzte sich sofort mit Maria in Verbindung.“

Maria bat daraufhin den Herausgeber der Physical Review, ihr Manuskript erst in der folgenden Ausgabe zu veröffentlichen. Goeppert Mayer und Jensen trafen sich erstmals 1950 persönlich und arbeiteten in der Folgezeit ihre Theorie zusammen aus. 1955 erschien ihr gemeinsames Buch über die „Elementary Theory of Nuclear Shell Structure“.

1963, nachdem sie mit Jensen und Wigner den Nobelpreis erhalten hatte, erhielt Goeppert Mayer ihre erste bezahlte Professur an der University of San Diego in Kalifornien. Kurz nachdem sie die Arbeit dort aufgenommen hatte, erlitt sie einen Schlaganfall. Bis zu ihrem Tod am 20. Februar 1972, war ihre Gesundheit schwach. Als sie starb, war sie noch nicht einmal 66 Jahre alt.

Anne Hardy
 

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