Niels Bohr to duński fizyk i osoba publiczna, jeden z twórców współczesnej fizyki. Był założycielem i kierownikiem Kopenhaskiego Instytutu Fizyki Teoretycznej, założycielem światowej szkoły naukowej, a także zagranicznym członkiem Akademii Nauk ZSRR. W tym artykule dokonamy przeglądu historii życia Nielsa Bohra i jego głównych osiągnięć.
Zasługa
Duński fizyk Bohr Niels stworzył teorię atomu, która opiera się na planetarnym modelu atomu, koncepcjach i postulatach kwantowych zaproponowanych przez niego osobiście. Ponadto Bohr jest pamiętany ze swojej ważnej pracy nad teorią jądra atomowego, reakcji jądrowych i metali. Był jednym z uczestników tworzenia mechaniki kwantowej. Oprócz osiągnięć w dziedzinie fizyki Bohr jest właścicielem wielu prac z zakresu filozofii i nauk przyrodniczych. Naukowiec aktywnie walczył z zagrożeniem atomowym. W 1922 otrzymał Nagrodę Nobla.
Dzieciństwo
Przyszły naukowiec Niels Bohr urodził się w Kopenhadze 7 października 1885 roku. Jego ojciec, Christian, był profesorem fizjologii na miejscowym uniwersytecie, a matka, Ellen, pochodziła z zamożnej rodziny żydowskiej. Niels miał młodszego brata, Haralda. Rodzice starali się, aby dzieciństwo synów było szczęśliwe i urozmaicone. pozytywnywpływ rodziny, a w szczególności matki, odegrał główną rolę w rozwoju ich cech duchowych.
Edukacja
Bohr otrzymał wykształcenie podstawowe w szkole Gammelholm. W latach szkolnych lubił piłkę nożną, później narciarstwo i żeglarstwo. W wieku dwudziestu trzech lat Bohr ukończył Uniwersytet w Kopenhadze, gdzie był uważany za niezwykle uzdolnionego fizyka badawczego. Za swój projekt dyplomowy dotyczący oznaczania napięcia powierzchniowego wody za pomocą wibracji strumienia wody Niels został nagrodzony złotym medalem Królewskiej Duńskiej Akademii Nauk. Po ukończeniu studiów początkujący fizyk Bor Niels pozostał do pracy na uniwersytecie. Przeprowadził tam szereg ważnych studiów. Jedna z nich była poświęcona klasycznej elektronowej teorii metali i stanowiła podstawę rozprawy doktorskiej Bohra.
Myślenie nieszablonowe
Pewnego dnia prezydent Akademii Królewskiej, Ernest Rutherford, został poproszony o pomoc przez kolegę z Uniwersytetu w Kopenhadze. Ten ostatni zamierzał dać swojemu uczniowi najniższą ocenę, kiedy uważał, że zasługuje na ocenę „doskonałą”. Obie strony sporu zgodziły się oprzeć na opinii osoby trzeciej, pewnego arbitra, którym stał się Rutherford. Zgodnie z pytaniem egzaminacyjnym uczeń musiał wyjaśnić, w jaki sposób można wykorzystać barometr do określenia wysokości budynku.
Uczeń odpowiedział, że w tym celu należy przywiązać barometr do długiej liny, wspiąć się z nim na dach budynku, opuścić go na ziemię i zmierzyć długość opuszczonej liny. Z jednej strony odpowiedź brzmiała:absolutnie prawdziwe i kompletne, ale z drugiej strony niewiele miało wspólnego z fizyką. Następnie Rutherford zasugerował, aby student ponownie spróbował odpowiedzieć. Dał mu sześć minut i ostrzegł, że odpowiedź powinna ilustrować zrozumienie praw fizycznych. Pięć minut później, po usłyszeniu od ucznia, że wybiera najlepsze z kilku rozwiązań, Rutherford poprosił go o odpowiedź przed terminem. Tym razem student zaproponował, aby weszli na dach z barometrem, zrzucili go, zmierzyli czas upadku i za pomocą specjalnej formuły określili wysokość. Ta odpowiedź usatysfakcjonowała nauczyciela, ale on i Rutherford nie mogli odmówić sobie przyjemności słuchania pozostałych wersji ucznia.
Następna metoda polegała na zmierzeniu wysokości cienia barometru i wysokości cienia budynku, a następnie rozwiązaniu proporcji. Rutherfordowi spodobała się ta opcja i entuzjastycznie poprosił studenta o podkreślenie pozostałych metod. Wtedy student zaproponował mu najprostszą opcję. Wystarczyło przyłożyć barometr do ściany budynku i zrobić znaki, a następnie policzyć liczbę znaków i pomnożyć je przez długość barometru. Student uważał, że tak oczywistej odpowiedzi zdecydowanie nie należy przeoczyć.
Aby nie zostać uznanym za żartownisia w oczach naukowców, student zaproponował najbardziej wyrafinowaną opcję. Po przywiązaniu sznurka do barometru, powiedział, trzeba go przesunąć u podstawy budynku i na jego dachu, mierząc siłę grawitacji. Na podstawie różnicy między otrzymanymi danymi, w razie potrzeby, możesz sprawdzić wysokość. Dodatkowo kołysząc wahadełkiem na sznurku z dachu budynku można określić wysokość z okresu precesji.
Nareszcie studentzaproponował, że znajdzie kierownika budynku i, w zamian za wspaniały barometr, pozna od niego wysokość. Rutherford zapytał, czy student naprawdę nie zna ogólnie przyjętego rozwiązania problemu. Nie ukrywał tego, co wiedział, ale przyznał, że ma dość narzucania uczniom swojego sposobu myślenia przez nauczycieli w szkole i na studiach oraz odrzucania przez nich niestandardowych rozwiązań. Jak zapewne zgadłeś, tym uczniem był Niels Bohr.
Przeprowadzka do Anglii
Po trzech latach pracy na uniwersytecie Bohr przeniósł się do Anglii. Przez pierwszy rok pracował w Cambridge z Josephem Thomsonem, a następnie przeniósł się do Ernesta Rutherforda w Manchesterze. Laboratorium Rutherforda w tamtym czasie uchodziło za najwybitniejsze. Niedawno przeprowadzono w nim eksperymenty, które dały początek odkryciu planetarnego modelu atomu. Dokładniej, model był wtedy jeszcze w powijakach.
Eksperymenty z przechodzeniem cząstek alfa przez folię pozwoliły Rutherfordowi zdać sobie sprawę, że w centrum atomu znajduje się małe naładowane jądro, które stanowi prawie całą masę atomu, a lekkie elektrony znajdują się wokół to. Ponieważ atom jest elektrycznie obojętny, suma ładunków elektronów musi być równa modułowi ładunku jądra. Wniosek, że ładunek jądra jest wielokrotnością ładunku elektronu, był kluczowy dla tych badań, ale jak dotąd pozostawał niejasny. Zamiast tego zidentyfikowano izotopy – substancje, które mają te same właściwości chemiczne, ale różne masy atomowe.
Atomowa liczba elementów. Prawo przemieszczania
Pracując w laboratorium Rutherforda, Bohr zdał sobie sprawę, że właściwości chemiczne zależą od liczbyelektrony w atomie, to znaczy z jego ładunku, a nie masy, co wyjaśnia istnienie izotopów. Było to pierwsze duże osiągnięcie Bohra w tym laboratorium. Ponieważ cząstka alfa przyczepia się do jądra helu z ładunkiem +2, podczas rozpadu alfa (cząstka wylatuje z jądra), pierwiastek „dziecko” w układzie okresowym należy umieścić o dwie komórki w lewo niż „ matka”, a podczas rozpadu beta (elektron wylatuje z jądra) – o jedną komórkę w prawo. Tak powstało „prawo radioaktywnych przemieszczeń”. Co więcej, duński fizyk dokonał kilku ważniejszych odkryć, które dotyczyły samego modelu atomu.
Model Rutherforda-Bohra
Ten model jest również nazywany planetarnym, ponieważ w nim elektrony krążą wokół jądra, tak jak planety wokół Słońca. Ten model miał szereg problemów. Faktem jest, że atom w nim był katastrofalnie niestabilny i stracił energię w ciągu stu milionowych części sekundy. W rzeczywistości tak się nie stało. Pojawiający się problem wydawał się nierozwiązywalny i wymagał radykalnie nowego podejścia. Tutaj sprawdził się duński fizyk Bor Niels.
Bohr zasugerował, że wbrew prawom elektrodynamiki i mechaniki, w atomach poruszają się orbity, wzdłuż których elektrony nie promieniują. Orbita jest stabilna, jeśli moment pędu znajdującego się na niej elektronu jest równy połowie stałej Plancka. Promieniowanie występuje, ale tylko w momencie przejścia elektronu z jednej orbity na drugą. Cała energia, która zostaje w tym przypadku uwolniona, jest odprowadzana przez kwant promieniowania. Taki kwant ma energię równą iloczynowi częstotliwości rotacji i stałej Plancka, czyli różnicy między początkową akońcowa energia elektronu. W ten sposób Bohr połączył pracę Rutherforda z ideą kwantów, którą zaproponował w 1900 roku Max Planck. Taki związek był sprzeczny ze wszystkimi zapisami tradycyjnej teorii, a jednocześnie nie odrzucał go całkowicie. Elektron był uważany za punkt materialny, który porusza się zgodnie z klasycznymi prawami mechaniki, ale tylko te orbity, które spełniają „warunki kwantyzacji”, są „dozwolone”. Na takich orbitach energie elektronów są odwrotnie proporcjonalne do kwadratów liczb orbit.
Wyprowadzenie z „reguły częstotliwości”
Opierając się na „zasadzie częstotliwości”, Bohr wywnioskował, że częstotliwości promieniowania są proporcjonalne do różnicy między odwrotnymi kwadratami liczb całkowitych. Wcześniej ten wzór został ustalony przez spektroskopistów, ale nie znalazł wyjaśnienia teoretycznego. Teoria Nielsa Bohra pozwoliła wyjaśnić widmo nie tylko wodoru (najprostszego z atomów), ale także helu, w tym zjonizowanego. Naukowiec zilustrował wpływ ruchu jądra i przewidział sposób wypełnienia powłok elektronowych, co umożliwiło ujawnienie fizycznej natury okresowości pierwiastków w układzie Mendelejewa. Za te osiągnięcia Bohr otrzymał w 1922 roku Nagrodę Nobla.
Instytut Bohra
Po zakończeniu prac Rutherforda uznany już fizyk Bohr Niels wrócił do swojej ojczyzny, gdzie został zaproszony w 1916 roku jako profesor na Uniwersytecie w Kopenhadze. Dwa lata później został członkiem Królewskiego Towarzystwa Duńskiego (w 1939 r. kierował nim naukowiec).
W 1920 roku Bohr założył Instytut Teoretycznyfizyki i został jej liderem. Władze Kopenhagi w uznaniu zasług fizyka przekazały mu budowę historycznego „Domu Piwowara” dla instytutu. Instytut spełnił wszystkie oczekiwania, odgrywając wybitną rolę w rozwoju fizyki kwantowej. Warto zauważyć, że decydującą rolę odegrały w tym osobiste cechy Bohra. Otaczał się utalentowanymi pracownikami i studentami, między którymi granice często były niewidoczne. Instytut Bohra był międzynarodowy, ludzie próbowali do niego wpaść zewsząd. Wśród znanych postaci szkoły Bohra są: F. Bloch, W. Weisskopf, H. Casimir, O. Bora, L. Landau, J. Wheeler i wielu innych.
Niemiecki naukowiec Werne Heisenberg odwiedził Bohra więcej niż raz. W czasie, gdy powstawała „zasada nieoznaczoności”, z Bohrem rozmawiał Erwin Schrödinger, zwolennik czysto falowego punktu widzenia. Fundament nowej jakościowo fizyki XX wieku powstał w dawnym Domu Piwowara, jedną z kluczowych postaci, w której był Niels Bohr.
Model atomu zaproponowany przez duńskiego naukowca i jego mentora Rutherforda był niespójny. Łączył postulaty teorii klasycznej i hipotezy, które wyraźnie jej zaprzeczały. Aby wyeliminować te sprzeczności, konieczne było radykalne zrewidowanie głównych zapisów teorii. Ważną rolę w tym kierunku odegrały bezpośrednie zasługi Bohra, jego autorytet w środowisku naukowym i po prostu wpływ osobisty. Praca Nielsa Bohra pokazała, że do uzyskania fizycznego obrazu mikroświata podejście, które z powodzeniem stosuje się do „świata wielkich rzeczy”, nie jest odpowiednie i stało sięjeden z założycieli tego podejścia. Naukowiec wprowadził takie pojęcia jak „niekontrolowany wpływ procedur pomiarowych” oraz „wielkości dodatkowe”.
Kopenhaska teoria kwantowa
Probabilistyczna (aka Kopenhaga) interpretacja teorii kwantów, a także badanie jej wielu „paradoksów”, wiąże się z nazwiskiem duńskiego naukowca. Ważną rolę odegrała tutaj rozmowa Bohra z Albertem Einsteinem, któremu fizyka kwantowa Bohra w interpretacji probabilistycznej nie przepadała. „Zasada korespondencji”, sformułowana przez duńskiego naukowca, odegrała ważną rolę w zrozumieniu wzorców mikrokosmosu i ich interakcji z fizyką klasyczną (niekwantową).
Temat nuklearny
Rozpoczynając naukę fizyki jądrowej pod kierunkiem Rutherforda, Bohr poświęcał wiele uwagi tematom jądrowym. W 1936 zaproponował teorię jądra złożonego, z której wkrótce powstał model kropli, który odegrał znaczącą rolę w badaniach rozszczepienia jądra. W szczególności Bohr przewidział spontaniczne rozszczepienie jąder uranu.
Kiedy naziści zdobyli Danię, naukowiec został potajemnie przewieziony do Anglii, a następnie do Ameryki, gdzie wraz z synem Oge pracował nad Projektem Manhattan w Los Alamos. W latach powojennych Bohr dużo czasu poświęcał kwestiom kontroli nad bronią jądrową i pokojowemu wykorzystaniu atomów. Brał udział w tworzeniu centrum badań jądrowych w Europie, a nawet kierował swoje pomysły do ONZ. Opierając się na tym, że Bohr nie odmówił przedyskutowania pewnych aspektów „projektu jądrowego” z fizykami sowieckimi, uznał to za niebezpiecznemonopol na posiadanie broni jądrowej.
Inne dziedziny wiedzy
Ponadto Niels Bohr, którego biografia dobiega końca, interesował się również zagadnieniami związanymi z fizyką, w szczególności biologią. Interesował się także filozofią nauk przyrodniczych.
Wybitny duński naukowiec zmarł na atak serca 18 października 1962 w Kopenhadze.
Wniosek
Niels Bohr, którego odkrycia z pewnością zmieniły fizykę, cieszył się wielkim autorytetem naukowym i moralnym. Komunikacja z nim, nawet przelotna, wywarła na rozmówcach niezatarte wrażenie. Przemówienie i pismo Bohra pokazało, że starannie dobierał słowa, aby jak najdokładniej zilustrować swoje myśli. Rosyjski fizyk Witalij Ginzburg nazwał Bohra niezwykle delikatnym i mądrym.
