Manche Menschen wissen schon in jungen Jahren, dass sie Wissenschaftler werden wollen und dass sie dieses Ziel – mit genügend Können und Anstrengung – erreichen können. Gertrud Scharff (Scharff-Goldhaber nach ihrer Heirat) spürte diese frühe Berufung. Und obwohl sie die Fähigkeit hatte, es zu erfüllen, hatte ihr Weg zum wissenschaftlichen Erfolg mehr als seinen Anteil an persönlichen Nöten und beruflichen Hindernissen.

Am 14. Juli 1911 in eine deutsch-jüdische Familie geboren, erlebte sie den Ersten Weltkrieg, die Nachkriegswirren in Deutschland und den Aufstieg Hitlers. Nach ihrer Promotion in Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München suchte sie den Einstieg in einen Männerberuf. Als sie vor dem Nationalsozialismus floh, sah sie sich als Einwanderin nach Großbritannien mit Schwierigkeiten konfrontiert. Und als sie versuchte, sich mit ihrem Physiker-Ehemann in den USA eine neue Existenz aufzubauen, hatte sie immer noch Mühe, eine wissenschaftliche Anstellung zu finden, da die starren Regeln der Vetternwirtschaft ihre Karriere behinderten.

Doch sie hielt durch und etablierte sich als hoch angesehene Kernphysikerin, eine der wenigen Pionierinnen auf diesem Gebiet. Ihre Forschung förderte das Verständnis der Kernspaltung und trug zur Theorie der Kernstruktur bei. Ihre Arbeit wurde 1972 anerkannt, als sie erst die dritte Physikerin wurde, die in die National Academy of Sciences gewählt wurde. Sie ist auch als Fürsprecherin für Frauen in der Wissenschaft, für die Förderung junger Wissenschaftler und für die Förderung der naturwissenschaftlichen Bildung bekannt.

Ominöse Zeiten, herausragender Student

Von ihren Freunden und ihrer Familie als Trude bekannt, waren Scharffs frühe Jahre in Deutschland turbulent und umfassten den Ersten Weltkrieg, politische Unruhen und eine wirtschaftlich ruinöse Hyperinflation nach der Niederlage des Landes im Jahr 1918. Im Alter von acht Jahren sah sie, wie kommunistische Revolutionäre von den Deutschen abgeschlachtet wurden Militär in den Straßen von München, wo ihre Familie lebte. Später erinnerte sie sich, dass sie mit Sägespänen gefülltes Brot essen musste. Als Hitler 1933 an die Macht kam, gingen die Turbulenzen mit unheilvollen Vorahnungen für die deutschen Juden weiter.

Inmitten all dessen erlangte Scharff eine würdige Ausbildung. Laut einer Lebenserinnerung ihres Sohnes Michael besuchte sie ein Elitegymnasium für Mädchen. Als hervorragende Studentin entwickelte sie ein Interesse an Physik. Ihr Vater hatte gehofft, sie würde Jura studieren, um sich auf die Führung des Familienunternehmens vorzubereiten, aber sie wollte „verstehen, woraus die Welt besteht“, wie sie später sagte.

Um ihrem Ziel näher zu kommen, trat Scharff 1930 in die Universität München ein. Ihre Ausbildung gipfelte in einer Promotion in Physik bei dem berühmten Walther Gerlach Stern-Gerlach-Experiment, das 1922 die Existenz eines quantisierten Spins in einem Magnetfeld nachwies. Ihre Forschung in der Festkörperphysik befasste sich mit Ferromagnetismus.

Aber äußere Ereignisse veränderten ihre Pläne und ihr Leben völlig. Als sich der Nationalsozialismus ausbreitete, wurde Scharff von Kollegen geächtet und deutsche Juden begannen, aus dem Land zu fliehen. Sie war jedoch mit ihren Recherchen weit fortgeschritten. Wie sie 1990 einem Interviewer sagte: „Ich hätte früher gehen sollen. Aber da ich mit meiner Diplomarbeit begonnen hatte, hatte ich das Gefühl, dass ich sie beenden sollte.“

Sie hat es 1935 beendet, aber sie hat es sehr knapp überstanden. In diesem Jahr wurden die Nürnberger Gesetze erlassen, die zunächst Juden und später Roma und Schwarzdeutsche als „minderwertige Rassen“ und „Staatsfeinde“ definierten. Sie waren faktisch aus der deutschen Gesellschaft ausgeschlossen und wurden wegen Gesetzesverstößen mit harten Strafen konfrontiert. Die antisemitische Gewalt nahm zu und Scharffs Eltern kamen später im Holocaust ums Leben.

Im Bewusstsein, dass es mit Sicherheit Zeit war, aus Deutschland zu fliehen, schrieb Scharff an 35 geflüchtete Wissenschaftler, die anderswo eine Stelle suchten. Fast alle sagten ihr, sie solle nicht kommen, weil es bereits eine Flut von geflüchteten Wissenschaftlern gebe – außer Moritz Goldhaber, einem jungen österreichisch-jüdischen Physiker, den sie in Deutschland kennengelernt hatte. Er promovierte an der University of Cambridge bei Ernest Rutherford und dachte, dass es Möglichkeiten in England geben könnte. Nach ihrem Umzug nach London verdiente sich Scharff sechs Monate lang ihren Lebensunterhalt mit dem Verkauf eines wertvollen Besitzes, der Teil ihrer Hochzeitsaussteuer war – einer Leica-Kamera, die für ihre feine Optik bekannt ist – und der Übersetzung von Artikeln aus dem Deutschen ins Englische. Dann arbeitete sie am Imperial College London unter George Thomson und studierte Elektronenbeugung (in 1937 teilte er mit Clinton Davisson den Nobelpreis für die Entdeckung der Wirkung in Kristallen), fand aber nie eine eigenständige Forschungsstelle.

1939 verbesserten sich ihre Aussichten. Scharff heiratete Goldhaber und wurde Scharff-Goldhaber, und das Paar zog in die USA. Goldhaber hatte eine Fakultätsposition an der University of Illinois-Urbana, aber Scharff-Goldhaber konnte keine vollwertige akademische Wissenschaftlerin werden, da die Anti-Vetternwirtschaftsgesetze in Illinois es der Universität nicht erlaubten, sie einzustellen. Forschen konnte sie nur als unbezahlte Hilfskraft im Labor ihres Mannes. Dies führte sie von der Physik der kondensierten Materie in sein Gebiet der Kernphysik. Scharff-Goldhabers Papiere, die in den 1940er Jahren unter diesen Umständen entstanden sind, zeigen, dass sie den Übergang brillant gemeistert hat – aber sie hat nie den vollen Fakultätsstatus in Illinois erreicht.

Ein neues Labor auf Long Island

Erst 1950 fanden Scharff-Goldhaber und ihr Mann gemeinsam im Neuen eine echte Forschungsheimat Brookhaven National Laboratory (BNL), die drei Jahre zuvor gegründet worden war. Heute eine Einrichtung des US-Energieministeriums, bestand der ursprüngliche Auftrag des Labors darin, die friedliche Nutzung der Atomenergie zu suchen. Seine wissenschaftlichen Bemühungen haben sich seitdem diversifiziert, aber Kern- und Hochenergiephysik bleiben Teil seiner Forschungsaktivitäten.

Ihre Ernennung machte Scharff-Goldhaber zur ersten Physikerin an der BNL, und 15 Jahre nach ihrem Abschluss wurde sie endlich als professionelle Forscherin bezahlt. Trotzdem agierte sie in einer Atmosphäre, die ihr Sohn Michael als „nur widerwillig hinnehmend“ beschreibt. Goldhaber wurde als „leitender Wissenschaftler“ eingestellt und leitete eine eigene Forschungsgruppe, aber Scharff-Goldhaber wurde einfach als Wissenschaftler innerhalb seiner Gruppe eingestuft. (Goldhaber stieg schließlich von 1961 bis 1973 zum Direktor des Labors und Scharff-Goldhaber zum leitenden Wissenschaftler auf.)

Als einzige Frau mit professionellem wissenschaftlichem Status am BNL hatte Scharff-Goldhaber keine weiblichen wissenschaftlichen Kollegen. Die meisten mit dem Labor verbundenen Frauen waren die nicht berufstätigen Ehefrauen männlicher Wissenschaftler, die in den 1950er Jahren traditionelle Rollen ausfüllten. Mit zwei Kindern, Michael und Alfred, hatte Scharff-Goldhaber ähnliche Aufgaben; aber bei gesellschaftlichen Veranstaltungen unterhielt sie sich eher mit den Männern über Physik als mit den Frauen über die Kinderbetreuung. Innerhalb dieses Männermilieus knüpfte sie gute Beziehungen zu ihren Kollegen und zu den Hilfskräften, die die Isotope produzierten, die sie für ihre Forschung am BNL-Reaktor oder Van-de-Graaff-Beschleuniger benötigte.

Kernspaltung und ein grundlegendes Experiment

Abgesehen von der Zeit in den 1930er Jahren, als sie noch versuchte, eine unabhängige Wissenschaftlerin zu werden, hielt Scharff-Goldhaber ein reges Tempo der Forschung und Veröffentlichung aufrecht, während sie familiären Verpflichtungen nachkam. 1936 veröffentlichte sie aus ihrer Dissertation „Der Einfluss von Spannung auf die Magnetisierung oberhalb des Curie-Punktes“. Ihre nächste Reihe von Arbeiten begann vier Jahre später, als sie 1940 in Illinois zur Kernphysik wechselte, und sie schrieb über ein Dutzend weitere, bis sie sich vollständig an der BNL niedergelassen hatte. In den nächsten 30 Jahren veröffentlichte sie etwa 60 weitere Artikel, hauptsächlich in der Körperliche Überprüfung, und Beiträge zu Tagungsbänden.

Leo Szilard: der Physiker, der Atomwaffen ins Auge fasste, sich aber später gegen deren Einsatz aussprach

Einige der Papiere, die aus ihrer Arbeit in Illinois in den 1940er Jahren hervorgingen, sind besonders bemerkenswert, darunter eine, die sich mit der spontanen Kernspaltung befasste. 1938 hatten Lise Meitner und Otto Frisch herausgefunden, dass ein mit Neutronen beschossener Urankern sich in zwei Teile spalten und viel Energie freisetzen kann. Wenn die neutroneninduzierte Spaltung selbsterhaltend gemacht werden könnte, könnte sie eine enorm zerstörerische Waffe hervorbringen. Angesichts des drohenden Krieges untersuchten europäische und amerikanische Physiker die sich selbst erhaltende Kernspaltung in der Hoffnung, dass die Nazis die Antwort nicht zuerst finden würden.

1942 zeigte Scharff-Goldhaber direkt, anscheinend zum ersten Mal, dass Uran, das einer spontanen Spaltung unterzogen wird, neben Energie auch Neutronen freisetzt. Diese Neutronen könnten mehr Kerne und mehr Energie aktivieren – eine kaskadierende Kettenreaktion, die zu einer nuklearen Explosion werden könnte. Daten wie diese waren entscheidend, um 1942, als die Atombombe vom Manhattan-Projekt gebaut wurde, die weltweit erste selbsterhaltende kontrollierte Kernreaktion zu erreichen. Die Scharff-Goldhabers waren noch keine US-Bürger und daher nicht Teil des Projekts, aber ihr Ergebnis wurde heimlich an relevante Wissenschaftler weitergegeben und nach dem Krieg veröffentlicht (Physik. Rev. 70 229).

In einer separaten, 1948 veröffentlichten Abhandlung (Physik. Rev. 73 1472) beantworteten die Scharff-Goldhabers gemeinsam eine grundlegende Frage: Sind Betastrahlen genau dasselbe wie Elektronen? Elektronen wurden 1897 von JJ Thomson in Kathodenstrahlen entdeckt und waren die ersten bekannten Elementarteilchen. Ein paar Jahre später, im Jahr 1899, untersuchte Rutherford das neue Phänomen der Radioaktivität und fand eine unbekannte Emission, die er Betastrahlen nannte. Diese erwiesen sich als geladene Teilchen mit dem gleichen Verhältnis von Ladung zu Masse e/m als Elektronen und wurden als solche identifiziert. Aber die Frage blieb: Könnten sich Betastrahlen und Elektronen in einer anderen Eigenschaft wie dem Spin unterscheiden?

Die Scharff-Goldhabers haben diese Hypothese geschickt getestet, indem sie die Pauli-Ausschlussprinzip, was, so schrieben sie, „nicht für ein Teilchenpaar gelten würde, wenn sie sich in irgendeiner Eigenschaft unterscheiden würden“. In ihrem Experiment bestrahlten sie eine Bleiprobe mit Betastrahlen. Wären diese nicht mit Elektronen identisch, würden sie dem Pauli-Prinzip nicht gehorchen. Dann würden sie von Bleiatomen eingefangen, in gebundene Umlaufbahnen eintreten, die bereits mit Elektronen gefüllt sind, und in die unterste Umlaufbahn übergehen, wodurch Röntgenstrahlen emittiert würden. Wenn Betastrahlen und Elektronen identisch wären, wäre es den ersteren verwehrt, in Atomumlaufbahnen einzudringen und Röntgenstrahlen zu erzeugen. Das Experiment entdeckte keine Röntgenstrahlen bei den erwarteten Energien, was bestätigt, dass Betastrahlen Elektronen sind, die von radioaktiven Kernen emittiert werden.

Aufgeregte Kerne und „magische“ Zahlen

Beginnend in den frühen 1950er Jahren am BNL begann Scharff-Goldhaber mit dem, was ihr karrierelanges Projekt werden sollte: ein systematisches Bild der Eigenschaften angeregter Kerne im gesamten Periodensystem zu erstellen. Ihr Plan, in der „Niedrigenergie“-Kernphysik zu arbeiten, wich vom wachsenden Interesse ihres Mannes an der „Hochenergie“-Physik ab, wo riesige neue Teilchenbeschleuniger fundamentale Teilchen untersuchten. Nach Aussage ihres Sohnes Michael beraubte Scharff-Goldhabers getrennter Weg seinen Vater ihrer großen Fähigkeiten als Experimentatorin. Aber er fügt hinzu, dass „die Trennung nicht verhinderte, dass sich das Familiengespräch am Tisch nach wie vor auf die Kernphysik konzentrierte, was die Kinder weitgehend verblüffte“. (Später promovierten er und Alfred jeweils in Theoretischer Teilchenphysik.)

Das Verhalten des angeregten Kerns begann man damals gerade erst zu verstehen. Diese dichte Suppe aus Protonen und Neutronen könnte als eine Ansammlung von Teilchen betrachtet werden, die durch Kernkräfte aneinander gebunden sind und ein Medium mit einer Energie bilden, die sich in Rotation oder Vibration des gesamten Körpers ausdrückt. Im sogenannten „Schalenmodell“ hingegen wurde der Kern als ein Quantensystem angesehen, in dem Nukleonen Energieniveaus besetzen, analog zu den diskreten Niveaus oder „Schalen“, die Elektronen in einem Atom besetzen. Jeder Ansatz hatte Erfolge. Die Behandlung des Kerns als Flüssigkeit führte zu einem Verständnis dafür, wie er sich verformen und spalten kann. Das Schalenmodell sagte voraus, dass Kerne mit spezifischen oder „Magie“, Anzahl von Protonen oder Neutronen (2, 8, 20, 28 …) außergewöhnlich stabil, wiederum analog zu gefüllten Elektronenhüllen in Atomen.

Es war jedoch nicht klar, ob das Experiment das Schalenmodell wirklich unterstützte oder wo jeder Ansatz am besten angewendet werden konnte. Scharff-Goldhabers umfangreiche Forschungen zu verschiedenen Kernen halfen, diese Probleme zu lösen. Ihre Arbeit war maßgeblich an der Entwicklung der Theorie beteiligt, die schließlich die beiden Ansätze miteinander verband, was zu führte Aage Niels Bohr, Ben Mottelson und Leo Rainwater teilen sich 1975 den Nobelpreis für Physik.

In den 1950er Jahren maß Scharff-Goldhaber die Energie angeregter Kerne gegen die Neutronenzahl und zeigte, dass die Schalenstruktur die Energie beeinflusste, die bei den magischen Zahlen gipfelte. Sie bemerkte auch eine anomale Änderung der Energieniveaus mit einer Zunahme der Neutronenzahl, die sie mit einer Formänderung des Kerns in Verbindung brachte. Später entwickelte sie ihre eigene „variablem Trägheitsmoment“ (VMI)-Modell, das die Form von Kernen verwendete, um weitere Einblicke in ihre Energien im Periodensystem zu geben.

Abgesehen von ihren Beiträgen zur Nukleartheorie hatte Scharff-Goldhabers Forschung in dieser Zeit ungewöhnliche Züge. Zusammen mit ihrem Sohn Alfred verfasste sie zwei Arbeiten über das VMI-Modell – soweit bekannt die einzigen Mutter-Sohn-Forschungsarbeiten in Physik (Physik. Rev. Lett. 24, 1349 ; Physik. Rev. C 17, 1171).

Sie verbesserte auch ihre Datenanalyse, indem sie das Standard-Nukliddiagramm erweiterte, in dem jeder Kern in einem zweidimensionalen Diagramm der Anzahl von Protonen gegenüber der Anzahl von Neutronen platziert wird. Scharff-Goldhaber klebte vertikale Stäbe mit einer Länge, die proportional zur niedrigsten Anregungsenergie für jede Kernart ist, an die entsprechende Position auf der Karte. Lange vor der routinemäßigen Verwendung von 3D-Computervisualisierungen war dies eine enorme Hilfe beim Erkennen wichtiger Merkmale wie der Energieänderung zwischen ihnen N = 88 und N = 90.

Neben ihrer Forschung fand Scharff-Goldhaber Wege, Frauen in der Wissenschaft zu helfen und zur naturwissenschaftlichen Bildung und Wissenschaftsgemeinschaft beizutragen. Neben vielen beruflichen Engagements war sie in Ausschüssen der American Physical Society (APS) tätig, die sich mit dem Status von Frauen in der Physik und der Physikausbildung vor dem College befassten. Sie war auch dafür bekannt, Nachwuchswissenschaftler zu erreichen – sowohl Männer als auch Frauen. Jemand war Rosalyn Yalow, Goldhabers Doktorandin in Illinois, die 1977 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielt für die Erfindung der Radioimmunoassay-Technik. Yalow hat sowohl ihrem Berater als auch Scharff-Goldhaber „für Unterstützung und Ermutigung“ zugeschrieben. Scharff-Goldhaber erweiterte auch die intellektuelle Atmosphäre bei BNL durch die Gründung der Brookhaven-Vortragsreihe, mit herausragenden Rednern wie Richard Feynman. 

Im Ruhestand, aber immer noch forschend

Scharff-Goldhaber hatte relativ spät bei BNL angefangen und war bereit, ihre Forschung lange fortzusetzen, aber die strengen Rentengesetze der damaligen Zeit beendeten ihre Tätigkeit 1977 offiziell im Alter von 66 Jahren. Laut ihrem Sohn Michael wurde die Pensionierung erzwungen eine Art, die er „subtil sexistisch“ nennt. Trotzdem arbeitete sie ohne Bezahlung, arbeitete bis 1988 mit anderen Wissenschaftlern zusammen und war Co-Autorin von Forschungsarbeiten. Als ihre Gesundheit jedoch ihre Aktivitäten einschränkte, schätzte und suchte sie Zufriedenheit in dem, was sie noch tun konnte, bis sie im Alter von 86 Jahren starb 1998.

1990 bemerkte ein Journalist, der Scharff-Goldhaber interviewte, ihre „weiche, aber beharrliche Entschlossenheit“ – wahrscheinlich genau die Charaktereigenschaften, die es ihr ermöglichten, Hindernisse für eine Forschungskarriere zu überwinden. Im Rückblick auf das Leben seiner Mutter im Jahr 2016 beschrieb Michael sie als „eine Person mit einzigartigem Eigensinn und sogar Sturheit, Eigenschaften, die sie sicherlich brauchte … um eine erfolgreiche Karriere in einer Welt zu verfolgen, die oft gegen sie war“.

Vielleicht würde Scharff-Goldhaber diesen Einschätzungen zustimmen, aber es gibt eine andere, die meiner Meinung nach zutrifft. 1972 schrieb Scharff-Goldhaber in einer Rezension zu einem Buch über Kernenergie von Isaac Asimov, dass der Fortschritt in der Wissenschaft unter anderem „auf dem brennenden Verlangen beruht, den Dingen auf den Grund zu gehen“. Hat sie beim Schreiben dieser Worte darüber nachgedacht, dass ihr eigenes Leben dieses Ethos perfekt veranschaulicht?

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/