MODELO NUCLEAR EM CAMADAS: AS CONTRIBUIÇÕES DE MARIA GOEPPERT-MAYER (1906-1972) NO CAMPO DA FÍSICA NUCLEAR

## MODELO NUCLEAR EM CAMADAS: AS CONTRIBUIÇÕES DE MARIA GOEPPERT-MAYER (1906-1972) NO CAMPO DA FÍSICA NUCLEAR

## NUCLEAR SHELL MODEL: THE CONTRIBUTIONS OF MARIA GOEPPERT-MAYER (1906-1972) IN THE FIELD OF NUCLEAR PHYSICS

## Larissa do Nascimento Pires , Israel Müller dos Santos , Felipe Damasio 1 2 3

1 Instituto Federal de Santa Catarina - Câmpus Araranguá, larissa.n.pires@hotmail.com

- 2 Instituto Federal de Santa Catarina - Câmpus Araranguá, israel.santos@ifsc.edu.br
- 3 Instituto Federal de Santa Catarina - Câmpus Araranguá, felipedamasio@ifsc.edu.br

## Resumo

A disseminação de uma narrativa científica baseada na linearização dos feitos científicos, em um contexto de ensino que apresenta os conhecimentos sem considerar seu processo histórico de construção, pode estar relacionada com um processo de ocultação histórica de determinados grupos na construção científica, como as mulheres. De maneira a contrapor essa conjuntura, percebe-se a importância de que os professores construam concepções críticas e articuladas sobre a ciência com seus alunos, de maneira que estes considerem a produção científica como construída mediante a participação de homens e de mulheres. Sendo assim, este trabalho objetiva contribuir com a divulgação sobre exemplos de mulheres cientistas nas pesquisas em educação em ciências, por meio do exemplo da cientista Maria Goeppert-Mayer (1906-1972), a segunda mulher a ser laureada com o Prêmio Nobel de Física. Por meio do estudo bibliográfico de trabalhos científicos que discorram e que tenham relação com a produção científica da cientista, este artigo descreverá alguns aspectos do modelo nuclear em camadas e sua relação com os números mágicos, pesquisa que levou Maria Goeppert-Mayer a receber a láurea no ano de 1963. De fato, estando ao lado das cientistas Marie Curie (1867-1934) e Lise Mietner (1878-1968), Maria Goeppert-Mayer fora responsável por contribuições extremamente significativas para a história da física nuclear.

Palavras-chave : Maria Goeppert-Mayer. Ensino de Física. Física Nuclear.

## Abstract

The propagation of a scientific narrative based on the linearization of scientific achievements, in a teaching context that presents knowledge without considering its historical construction process, may be related to a process of historical concealment of certain groups in scientific construction, such as women. In order to counteract this fortuity, it is perceived the importance that teachers build critical and articulated conceptions about science with their students, so that they consider scientific production as constructed through the participation of men and women. Thus, this work aims to contribute to the dissemination of the examples of women scientists in the research in science education, through the example of the scientist Maria Goeppert-Mayer (1906-1972), the second woman to be awarded the

Nobel Prize in Physics. Through the bibliographic study of scientific works that discuss and are related to the scientist's scientific production, this article will describe some aspects of the nuclear shell model and its relationship with magic numbers, the research that led Maria Goeppert-Mayer to receive the prize in 1963. In fact, being with scientists Marie Curie (1867-1934) and Lise Mietner (1878-1968), Maria Goeppert-Mayer was responsible for extremely significant contributions to the history of nuclear physics.

Keywords : Maria Goeppert-Mayer. Physics Teaching. Nuclear Physics.

## Introdução

Embora as pesquisas em educação científica descrevam a necessidade de se reconhecer a ciência como uma atividade coletiva e cooperativa (MOREIRA, MASSONI; OSTERMANN, 2007), a disseminação de uma narrativa científica baseada na linearização e elitização dos feitos científicos (LUCENA, 2019), ou mesmo de um ensino de ciências que apresenta os conhecimentos sem considerar seu processo de construção, pode ser o responsável por provocar, por exemplo, um processo de ocultação histórica das mulheres na construção da ciência. Como consequência, ao se analisar o contexto da educação básica, o panorama que se apresenta é um desconhecimento, por parte dos alunos e alunas, sobre figuras femininas que representem cientistas (CARVALHO; CASAGRANDE, 2011).

De maneira a contrapor uma alfabetização científica baseada na transmissão desarticulada de conhecimentos, percebe-se como imprescindível que os discentes, por meio da orientação dos docentes, construam concepções críticas e sobre a ciência, como uma atividade indissociável dos contextos sociais, culturais e históricos de cada época, além de ser construída a partir da contribuição de diferentes pessoas (SILVA; RIBEIRO, 2014). Apesar desse evidente aspecto, as pesquisas em educação em ciências evidenciam que além de uma possível omissão de exemplos de mulheres cientistas em livros didáticos (CORDEIRO; PEDUZZI, 2014), se apresenta uma possível escassez de estudos que abordem, de maneira específica, exemplos de mulheres cientistas no contexto da educação científica.

Sob esse contexto, este trabalho, resultado de uma monografia de conclusão de curso sobre as mulheres laureadas no Nobel de Física, objetiva contribuir com a divulgação das contribuições de mulheres cientistas, a partir do exemplo da cientista Maria Goeppert-Mayer, que ao lado de Marie Curie (18671934) e Lise Mietner (1878-1968), fora responsável por contribuições significativas para a história da física (CHASSOT, 1997); de fato, o desenvolvimento desse campo da física só fora possível mediante os esforços de inúmeras cientistas mulheres. A descrição do modelo nuclear em camadas, considerado possivelmente como a primeira estrutura nuclear descrita por meio de conceitos sobre Mecânica Quântica, possibilitou a Maria Goeppert-Mayer ser a segunda mulher a ser laureada no Prêmio Nobel de Física, no ano de 1963.

A escolha da figura de Maria Goeppert-Mayer se fundamenta por ser uma célebre cientista do século XX cujas contribuições são pouco mencionadas no contexto acadêmico do ensino de Física (CORTES, 2018). Quando são, suas citações se apresentam de maneira pontual na literatura brasileira, como em

publicações acadêmicas relativas à história da Física Nuclear (LEPINE-SZILY, 2005; TAVARES, 2019). A partir disso, objetiva-se responder os seguintes questionamentos neste trabalho: Quem é Maria Goeppert-Mayer? Quais as contribuições dessa cientista para a Física Nuclear que a levaram a ser laureada no Nobel de Física? Nesse sentido, este trabalho se propõe a apresentar alguns aspectos dos conhecimentos desenvolvidos por cientistas como Maria GoeppertMayer, de maneira a contribuir com o processo de educação e divulgação científica no ensino de Física.

## Metodologia

A construção deste trabalho, utilizando o exemplo da cientista Maria Goeppert-Mayer, ocorreu mediante as seguintes etapas: (a) revisão e estudo bibliográfico de trabalhos relativos às pesquisas de Maria Goeppert-Mayer; (b) apropriação dos conceitos de Física Nuclear para compreensão dos conhecimentos desenvolvidos pela cientista; (c) redação de texto paradidático sobre os conhecimentos desenvolvidos por Maria Goeppert-Mayer. Neste trabalho, intenciona-se apresentar parte dos resultados desta última etapa.

## Quem foi Maria Goeppert-Mayer?

Maria Gertrud Kate Goeppert (Figura 1) nasceu no dia 28 de junho de 1906, na cidade de Katowice, localizada na região da Alta Silesia, pertencente então à Alemanha; hoje, a região integra a Polônia. Ela cresceu em um ambiente de interesse com a ciência, além de possuir o suporte de sua família para seguir na carreira científica. Seu pai fora professor de pediatria na Universidade de Göttingen: esta seria a instituição na qual futuramente Maria desenvolveria sua carreira universitária. Durante sua trajetória acadêmica, a cientista conheceu inúmeros nomes da Matemática e da Física, como Arthur Compton, Paul Dirac, Enrico Fermi, Werner Heisenberg, Linus Pauling e Wolfgang Pauli. Os seminários sobre Mecânica Quântica do físico Max Born foram uma das suas influências em desenvolver seus estudos na Física (BANERJEE, 2007), além de tê-la orientado em seus primeiros trabalhos acadêmicos.

Figura 1 - Maria Goeppert-MayerFonte: Nobel Prize, 2019.

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Durante a década de 30, Maria Goeppert se casou com o químico Joseph Mayer. Juntos, trabalharam em algumas universidades nos Estados Unidos, como

na Universidade Johns Hopkins e na Universidade de Columbia (SACHS, 1982). Além disso, semelhante ao ocorrido com outros cientistas, a carreira de Maria Goeppert-Mayer sofre uma considerável mudança a partir da entrada dos Estados Unidos na Segunda Guerra Mundial. Em 1942, Maria Goeppert-Mayer é convidada, pelo físico Harold Urey (1893-1981), laureado no Prêmio Nobel de Química em 1934, para cooperar em um grupo secreto no Projeto Manhattan para separação do Urânio-235 a partir do urânio natural; ainda que fosse alemã, a cientista não simpatizava com os sentimentos fascistas da Guerra. Posteriormente à Segunda Guerra, a cientista mudou-se com seu marido para a cidade de Chicago, colaborando em pesquisas sobre Física Nuclear no recém-formado Laboratório Nacional de Argonne (JOHNSON, 1986).

Nesse contexto, a cientista desenvolveu sua pesquisa que lhe renderia futuramente o Nobel de Física: o desenvolvimento do modelo nuclear em camadas possibilitou entender que os núcleos atômicos poderiam ser categorizados conforme os chamados números mágicos (LEPINE-SZILY, 2005); uma explicação semelhante também fora escrita de maneira independente pelo físico alemão Johannes Hans Daniel Jensen (1907-1973). Em um encontro na Alemanha, durante a década de 1950, Mayer e Jensen realizaram uma cooperação científica, culminando na publicação de uma obra acerca do modelo nuclear em camadas. Dessa maneira, Maria Goeppert-Mayer e Hans Jensen receberam a premiação do Nobel de Física em 1963 por suas descobertas relativas à estrutura nuclear. Durante a láurea, a cientista proferiu a seguinte frase: 'Ganhar o prêmio não foi tão emocionante quanto fazer o trabalho em si'.

## Contexto Histórico

Em meio ao contexto do final do século XIX se construiu o cenário para desenvolvimento dos conhecimentos da Física Nuclear, a partir das influências de diferentes campos da Física, como o desenvolvimento da Radioatividade e o estabelecimento da Mecânica Quântica. De maneira mais geral, nesse cenário se desenvolveram incontáveis estudos para se compreender a constituição da matéria (MELZER; AIRES, 2015). Desses estudos, se destacam as observações sobre a radiação emitida por determinados átomos, desenvolvidas por Antoine Henri Becquerel e pelo casal Curie (SOUZA; DANTAS, 2010). A partir destes e de outros estudos, as pesquisas vieram indicar a existência da emissão de diferentes formas de radiação dos átomos que viriam a ser chamadas de alfa, beta e gama. De outra forma, a liberação desses elementos permite aos núcleos dos átomos atingirem a estabilidade nuclear: esse processo fora chamado de decaimento radioativo; esta é uma relevante evidência que pôde corroborar a pesquisa desenvolvida por Maria Goeppert-Mayer.

Em meio a um extenso contexto de compreensão da estrutura atômica, muitos esforços também foram direcionados para o entendimento do núcleo dos átomos, por meio de elaborações tanto teóricas quanto experimentais. Um dos modelos nucleares propostos consistiu no modelo de gota líquida, idealizado por Niels Bohr em 1935, o qual descreve a estabilidade dos prótons e nêutrons por meio da existência da força nuclear forte (ACEVEDO-DIAZ et al. , 2017). Esse modelo possibilitou a interpretação do processo de fissão nuclear, observado em 1939 por Lise Mietner, Otto Hahn e Fritz Strassmann (CORDEIRO; PEDUZZI, 2014).

Entretanto, percebeu-se a ausência de uma construção teórica que conseguisse conciliar todos os dados experimentais já obtidos sobre os núcleos atômicos. Nesse sentido, 'vários modelos foram desenvolvidos, cada qual correlacionando os dados experimentais de um conjunto mais ou menos limitado de fenômenos nucleares' (PALANDI et al., 2010, p. 15). Entre os modelos propostos se apresentava o modelo nuclear de camadas, que apontava argumentos que demonstravam a estabilidade de alguns núcleos com determinados números de prótons e nêutrons. Estudando uma listagem sobre a abundância dos elementos químicos disponíveis na época (JOHNSON, 1986), Maria Goeppert-Mayer argumentou que a abundância de elementos poderia estar vinculada a estabilidade nuclear (PACHECO, 2019). Nesse contexto, se inserem as contribuições da cientista, desenvolvidas em meados da década de 1940.

## Maria Goeppert-Mayer e o Modelo Nuclear em Camadas

Maria Goeppert-Mayer desenvolveu seu modelo nuclear considerando que prótons e nêutrons (ou núcleons) se movimentam no núcleo em um potencial produzido pela ação dos demais núcleons (FIOLHAIS, 1991; LEPINE-SZILY, 2005) de maneira independente. Essencialmente, de maneira análoga às camadas eletrônicas para os elétrons descritas pelo modelo atômico de Bohr, os prótons e nêutrons ocupariam 'invólucros' nucleares que, quando preenchidos completamente em um determinado número resultariam em um átomo estável (GOEPPERTMAYER, 1948; GOEPPERT-MAYER, 1963).

Durante sua estadia na Universidade de Chicago como professora voluntária, a cientista se debruçou sobre estudos sobre a origem dos elementos químicos existentes devido aos dados experimentais obtidos no contexto da Segunda Guerra Mundial por meio das cartas de nuclídeos. A partir da análise desses dados, alguns padrões surgiram: a cientista percebeu a existência de certa regularidade associada a determinados elementos químicos com maior estabilidade e abundância (WIECKOWSKI, 2019).

Maria Goeppert-Mayer reconheceu a relevância das sugestões elaboradas por Walter Elsasser, no ano de 1933, quanto à existência dos chamados números mágicos (GOEPPERT-MAYER, 1963). Realizando um estudo sistemático em termos das características dos elementos químicos, como energias de ligação e momentos magnéticos, a cientista encontrou evidências que apontavam que os números mágicos poderiam ser cruciais para se compreender a estrutura dos núcleos atômicos. Suas primeiras conclusões foram publicadas no ano de 1948 (Figura 2) pela cientista na revista Physical Review. Na época, os cientistas assumiam o conceito de números mágicos de maneira depreciativa, como se a estrutura proposta por Maria Goeppert-Mayer fosse um tanto improvável (SACHS, 1982):

Figura 2 - Artigo On Closed Shells in Nuclei

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Fonte: Goeppert-Mayer, 1948.

Apesar da aceitação do modelo de gota líquida que explicava satisfatoriamente a recente descoberta da fissão nuclear, Maria Goeppert-Mayer persistiu no desenvolvimento do seu modelo nuclear. Nesse sentido, a cientista veio a ilustrar que os números mágicos de prótons e nêutrons, que ilustravam uma possível estabilidade nuclear dos núcleos, eram os seguintes: 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126 (GOEPPERT-MAYER, 1963). Na época, a cientista organizou uma listagem (Figura 3) de alguns elementos químicos estáveis observados pela cientista organizada com base em sua construção teórica:

Figura 3 - Números mágicos e exemplos de átomos

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Fonte: Goeppert-Mayer, 1963.

A pesquisa de Goeppert-Mayer também indicou a possível estabilidade dos elementos químicos com a sua abundância. Segundo Freitas e Bonagamba (1999, p. 15), 'quanto maior for a energia de ligação de um determinado núcleo, mais estável ele será e, portanto maior deverá ser a abundância natural relativa dessa espécie nuclear'. Dessa maneira, a quantidade de isótopos ou isótonos estáveis indicam a existência dos números mágicos; em termos de exemplos, enquanto existem seis isótopos para o cálcio 20, os isótopos vizinhos apresentam apenas dois. Nota-se, também, que o estanho 50 é o que apresenta a maior quantidade de isótopos estáveis (GOEPPERT-MAYER, 1948).

E os núcleos que não possuem números mágicos? Nos casos de núcleos cujos números imediatamente superiores ou inferiores aos números mágicos, as ligações nos núcleos atômicos deixavam de ser estáveis, como ocorre de maneira similar com a estrutura eletrônica dos átomos. Ou seja, elementos compostos por números mágicos de prótons ou nêutrons possuíam valores de energia de ligação que são consideravelmente superiores em comparação a outros elementos sem

essa característica, de maneira análoga com o que ocorre com os gases nobres (FREITAS; BONAGAMBA, 1999).

Entretanto, Maria Goeppert-Mayer não conseguiu explicar, a princípio, a existência dos números mágicos maiores, como 50, 82, e 126. A solução para essa problemática surgiu em meados de 1949, quando a cientista estava discutindo essa questão com o físico italiano Enrico Fermi. Ele sugeriu a Goeppert-Mayer que o spin dos prótons e nêutrons poderia interferir de alguma maneira com as órbitas dos núcleons. Assim, Maria Goeppert-Mayer mobilizou conceitos de Mecânica Quântica para procurar explicar essa questão, considerando que a dependência entre o spin dos núcleons e seu movimento orbital poderiam se constituir como uma possível explicação para a existência dos números mágicos maiores (BANERJEE, 2007).

## Considerações Finais

Este trabalho objetivou apresentou uma das contribuições científicas de Maria Goeppert-Mayer para a área da física nuclear: o modelo nuclear em camadas. Embora seu trabalho possua enorme relevância, não se encontram pesquisas substanciais na educação científica que divulguem as contribuições da cientista. Como descrito por Wieckowski (2019), as contribuições de Goeppert-Mayer possibilitam, por exemplo, entender os elementos químicos em características como a estabilidade nuclear, por meio de conhecimentos como as Cartas de Nuclídeos, possibilitando uma visão diferenciada sobre os elementos químicos. Em suma, o desenvolvimento deste trabalho demonstrou a importância de se evidenciar exemplos de diferentes cientistas, de maneira que possibilitem que meninos e meninas reconheçam as contribuições de diferentes cientistas que não aqueles que são tradicionalmente mencionados. Como perspectivas futuras, considera-se relevante destacar, que em prosseguimento desta pesquisa, estão sendo produzidos materiais audiovisuais de divulgação científica sobre as ganhadoras do Nobel, além de cursos de formação continuada para docentes e palestras sobre a temática para a comunidade em geral. Em conclusão, sugere-se que propostas similares possam ser desenvolvidas, evidenciando personagens e/ou grupos de cientistas, em especial mulheres, que promoveram ou promovem contribuições importantes à ciência.

## Referências

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