Bohr Niels Henrik David

fot. Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN

Bohr

[bo:r]

Niels Henrik David , ur. 7 X 1885, Kopenhaga, zm. 18 XI 1962, tamże,

fizyk duński.

Urodził się 7 X 1885 w Kopenhadze. Pochodził ze znanej rodziny. Jego ojciec, Christian Bohr, był profesorem fizjologii na uniwersytecie w Kopenhadze. Brat Nielsa, Harald August, był matematykiem, profesorem politechniki i uniwersytetu w Kopenhadze (rozwinął teorię funkcji ciągłych prawie okresowych). W 1891 Niels rozpoczął naukę w Gammelholms Latin og Realskole. W latach 1903–08 studiował na uniwersytecie w Kopenhadze. Po ukończeniu studiów udał się do Wielkiej Brytanii, gdzie współpracował z J.J. Thomsonem na uniwersytecie w Cambridge i E. Rutherfordem na uniwersytecie w Manchesterze. W 1911 uzyskał doktorat. W tym samym roku ożenił się z Margrethe Norlund. Państwo Bohr mieli sześcioro dzieci. Jeden z ich synów — Aage Niels (urodzony 1922), współtwórca kolektywnego modelu jądra atomowego, jest laureatem Nagrody Nobla (otrzymał ją 1975).

W 1916 Niels Henrik objął katedrę fizyki teoretycznej na uniwersytecie w Kopenhadze. W 1920 założył Kopenhaski Instytut Fizyki Teoretycznej (nazywany Instytutem Bohra) i objął jego kierownictwo. Odmówił współpracy z Niemcami i 1943 wraz z rodziną uciekł z Danii. Udał się przez Szwecję i Wielką Brytanię do Stanów Zjednoczonych. W latach 1943–45 pracował w Los Alamos w ośrodku badań jądrowych, przy budowie bomby atomowej. Bohr był prezesem Duńskiej Królewskiej Akademii Nauk i Literatury oraz przewodniczącym duńskiej komisji energii jądrowej, członkiem Towarzystwa Królewskiego w Londynie oraz wielu innych towarzystw naukowych i akademii nauk (m.in. od 1948 członkiem Polskiej Akademii Umiejętności, od 1959 — Polskiej Akademii Nauk).

Bohr stworzył ośrodek naukowy, tzw. szkołę kopenhaską, która położyła duże zasługi głównie dla rozwoju mechaniki kwantowej. Ze szkoły kopenhaskiej wyszło wielu wybitnych fizyków (m.in.: W. Heisenberg, M. Born, H.A. Kramers, G. Gamow, L. Landau). Za opracowanie teorii budowy atomu wodoru Bohr 1922 otrzymał Nagrodę Nobla. Zmarł 18 XI 1962 w Kopenhadze.

Teoria atomu wodoru

W 1913 Bohr opracował teorię budowy atomu wodoru. Z modelu atomu wodoru przedstawionego przez Bohra wywodzą się współczesne poglądy na budowę atomu. Punktem wyjścia był bardzo uproszczony jądrowy model atomu wysunięty przez Rutherforda, który wykazał, że w atomie istnieje jądro atomowe o rozmiarach 10⁻¹² cm i w nim skupiona jest niemal cała masa atomu. Rutherford zaproponował planetarny model atomu, który jednak nie tłumaczył trwałości atomu ponieważ zachowania się elektronu w atomie nie można było opisać metodami elektrodynamiki klasycznej (zgodnie z jej zasadami elektron krążący po orbicie kołowej wokół jądra promieniowałby energię, wskutek czego jego energia zmniejszałaby się, a wraz z nią promień orbity i w konsekwencji elektron spadłby na jądro), Bohr sformułował następujące postulaty:

1) w atomie elektron może się poruszać wyłącznie po pewnych, dozwolonych orbitach stacjonarnych (tzw. orbity bohrowskie), których moment pędu jest całkowitą wielokrotnością ħ (ħ = h/2; h — stała Plancka); elektron nie promieniuje wówczas energii;

2) przejściu elektronu z jednej orbity na drugą towarzyszy absorpcja lub emisja promieniowania przez atom;

3) częstość absorbowanego lub emitowanego promieniowania przy przejściu elektronu z orbity k, której odpowiada energia E_k, na orbitę l, której odpowiada energia E_l, jest równa ν = (E_k − E_l)/h.

Ten ostatni postulat jest równoważny warunkowi, że zmiana energii atomu jest równa energii hν fotonu absorbowanego lub emitowanego podczas przejścia elektronu z jednej orbity na drugą. Wielkim sukcesem teorii Bohra było wyjaśnienie powstawania serii widmowych w widmach optycznych atomu wodoru i jonu helu He⁺.

Dalszy rozwój teorii budowy atomu przyniosły prace A. Sommerfelda, który m.in. wprowadził dodatkowe liczby kwantowe, oprócz dozwolonych orbit kołowych elektronów wprowadził orbity eliptyczne. Pozwoliło to wyjaśnić obserwowaną subtelną strukturę linii widmowych. Pełne zrozumienie budowy i struktury wewnętrznej atomu przyniosła jednak dopiero mechanika kwantowa.

Pozostałe prace naukowe

Bohr jest autorem fundamentalnych prac z zakresu teorii kwantów. W 1928 podał zasadę komplementarności, która głosi, że niemożliwe jest przeprowadzenie pojedynczego doświadczenia, w którym ujawniłyby się obok siebie takie ogólne, dopełniające się (komplementarne) cechy materii, jak ciągłość i nieciągłość, własności korpuskularne i falowe (tj. dualizm korpuskularno-falowy). W węższym ujęciu jest to postulat głoszący, że w układzie kwantowym dla par komplementarnych zmiennych, jak np. pęd i położenie, niemożliwe jest równoczesne dokładne wyznaczenie każdej z nich (Heisenberga zasada nieoznaczoności). Zasada komplementarności i związana z nią próba filozoficznej interpretacji podstaw mechaniki kwantowej znalazły szeroki oddźwięk w świecie naukowym i wywołały liczne dyskusje związane ze sporem deterministów z indeterministami (zasada ta jest sprzeczna z zasadami fizyki klasycznej, według której istnieje możliwość równoczesnego wyznaczenia wartości takich zmiennych).

Bohr wniósł również istotny wkład do rozwoju teorii jądra atomowego. W 1939, wraz z J.A. Wheelerem, rozwinął tzw. model kroplowy jądra. Model ten zakłada silną korelację nukleonów. Wykorzystuje się w nim analogię między jądrem a kroplą cieczy, tj. zakłada, że każdy nukleon oddziałuje tylko z nukleonami z najbliższego sąsiedztwa, podobnie jak cząsteczki w kropli cieczy. Za pomocą tego modelu można w przybliżeniu opisać energię wiązania jądra, uwzględniając to, że nukleony na powierzchni jądra są słabiej związane niż w jego wnętrzu oraz że protony odpychają się siłami kulombowskimi; jest on także pomocny przy opisie drgań kolektywnych oraz samorzutnego rozszczepienia jądra.

Bohra teoria atomu, kontury orbitali atomowych dla powłok K, L, N i M

Atom: model atomu wodoru(H), litu (Li), sodu (Na) i uranu (U)