Maria Goeppert-Mayer e a Mágica da Estrutura Nuclear

Uma vez estava conversando com uma amiga sobre a baixa proporção de mulheres nas ciências exatas, em especial na física. Apontei que achava essa situação muito estranha atualmente dado que o preconceito contra mulheres me parece muito menor dentro da academia do que fora dela. E dado que não há diferença na aptidão para as ciências matemáticas entre sexos eu não era capaz de apontar a razão de tal disparidade. Ela me apontou que por outro lado nunca ouvimos falar de mulheres que tenham feito trabalhos relevantes na física.

Assim, no intuito de remediar esta questão, vou começar uma série de posts sobre grandes contribuições às ciências que foram feitas por mulheres. Que fique claro, o foco será para a ciência e não na vida dessas pessoas, embora eu não vá me furtar a alguns comentários biográficos. Nada melhor para iniciar esta série do que discutir os trabalhos de Maria Goeppert-Mayer sobre a estrutura nuclear que são particularmente interessantes.

Já se perguntou por que existem mais elementos de um tipo, como o ferro que é bastante abundante, do que outros, como o titânio que é raro? Ou por que alguns elementos sofrem fissão espontâneamente, como o plutônio? Para entender isso John Wheeler e Niels Bohr desenvolveram na década de 30 um modelo teórico no qual o núcleo atômico era tratado como uma gota de um líquido. A força nuclear forte entre prótons e nêutrons é o que segura o núcleo junto. Quanto mais prótons e nêutrons maior é a força nuclear e o núcleo fica mais fortemente aglutinado. Porém quanto mais prótons maior a repulsão elétrica e o núcleo tende a desfazer.

O modo como avaliamos essa competição é através da energia de ligação entre núcleons*. Quanto maior a energia de ligação em um núcleo mais fortemente agrupados estão os seus constituintes e portanto mais difícil é desfazê-lo. Para núcleos pequenos a força nuclear é muito maior que a elétrica e portanto quanto mais núcleons maior a energia de ligação. Porém em núcleos muito grandes a força nuclear que é de curto alcance para de ser significativa e a força elétrica devidos aos prótons tende a deixar o núcleo mais fracamente ligado.

Energia de ligação entre núcleons em função da massa do núcleo. Do lado esquerdo a força nuclear domina e a fusão aumenta a energia. Do lado direito a força elétrica domina e para ganhar energia os núcleos sofrem fissão. Note o ferro é o elemento mais pesado que pode ser produzido por fusão

É por esse motivo que existem muito mais elementos leves que os pesados. Os elementos leves são feitos por junção de núcleos (fusão) dentro das estrelas. Porém os mais pesados não podem ser feitos por fusão porque ao aumentar a massa o núcleo perde energia de ligação. Assim eles são feitos apenas quando acontecem explosões dentro das estrelas, as supernovas, eventos esses muito mais raros. Pelo mesmo motivo elementos pesados como o urânio sofrem fissão, pois ao se quebrarem em elementos menores os resultantes tem maior energia.

Mas essa não é a estória inteira. Olhando o gráfico acima vemos que a energia de ligação não é uma curva suave, mas contém alguns picos. Isto é, existem núcleos cuja energia de ligação é muito maior do que a prevista pelas considerações da competição entre a força nuclear e a elétrica. Notou-se que quando os núcleos possuem certos números de prótons ou nêutrons ele é muito mais fortmente ligado do que pareceria a primeira vista. Esse números para os quais a energia de ligação é muito maior do que a prevista foram chamados de números mágicos. Os primeiro deles são 2, 8, 20, 28, 50 e 82. Note que alguns dos elementos com esses números de prótons estão entre os mais abundantes, como o Hélio, Oxigênio, Cálcio, Níquel e Chumbo. Durante mais de uma década a natureza de tal magia dentro dos núcleos permaneceu um mistério. E aqui entra a nossa protagonista.

Maria Goeppert-Mayer nasceu em 1906 no então Império Alemão, em uma cidade hoje na Polônia. Com 18 anos entrou na graduação da Universidade de Göttingen, a Meca da física e matemática no início do século XX, e aos 24 obteve seu doutorado pela mesma universidade. No mesmo ano se casou com um físico americano e o casal de mudou para os Estados Unidos. Durante 30 anos lhe negaram emprego na academia devido ao preconceio contra mulheres. No entanto Goeppert-Mayer trabalhou voluntariamente em diversas universidades nesse período, tendo inclusive resolvido equações que permitiram a construção da bomba de hidrogênio.

A despeito dos obstáculos que lhe foram impostos, em 1946 ela resolveu o problema dos números mágicos introduzindo um pensamento inovador sobre a estrutura nuclear. Esqueça a gota líquida e a competição entre forças. Considere agora a interação entre todos os constituintes nucleares, as forças nucleares e elétricas de todos eles geram uma força efetiva atrativa para o núcleo como um todo. A mecânica quântica nos diz que uma força atrativa gera camadas possíveis de ocupação para os núcleons. Exatamente do mesmo modo que no átomo a força elétrica dispõe diversas camadas diferentes para os elétrons ocuparem. Assim os núcleons ocupam camadas diferentes, e quando essas camadas se completam o núcleo é mais estável do que o normal.

Desse modo Goeppert-Mayer criou a primeira teoria verdadeiramente quântica para a estrutura nuclear e mostrou que os números mágicos são nada mais que os números que completam cada uma das camadas nucleares, do mesmo modo que os gases nobres não são reativos por terem a camada eletrônica completa.

Mas os números mágicos eram apenas o começo. O modelo de camadas nucleares introduzido por ela permitia também entender a rotação intrínseca e propriedades magnéticas nos núcleos, conhecimento esse que é a base da ressonância magnética usada amplamente na medicina. Não fosse isso o suficiente a mesma teoria desenvolvida por ela também permite explicar porque os núcleos emitem radiação beta e gamma. Além disso o modelo permite entender um outro fato notável que núcleos com números pares de prótons ou nêutrons são mais estáveis que núcleos com números ímpares.

Por essa incrível descoberta Maria Goeppert-Mayer recebeu o prêmio Nobel de física em 1963 junto com seu colaborador J. Hans Jensen se tornando apenas a segunda mulher a receber tal honraria. Três anos antes havia finalmente conseguido uma posição no departamento de física da Universidade da Califórnia em São Diego, onde lecionava apesar de ter sofrido um derrame.

Espero então que vocês tenham apreciado as grandes contribuições da professora Maria Goppert-Mayer, sem as quais nosso entendimento do mundo (e a prática clínica médica) seria muito diferente. Maria Goeppert-Mayer faleceu em 1972 vítima de um ataque cardíaco. Ela é lembrada por seus estudantes tanto pelo seu profundo conhecimento da física nuclear quanto por ser capaz de dar aulas fumando sem nunca trocar o giz pelo cigarro.
* Núcleons é uma palavra genérica para os constituintes do núcleo, ou seja tanto prótons como nêutrons.

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