Нильс Бор – датский физик и общественный деятель, один из основоположников физики в современном виде. Был основателем и руководителем копенгагенского Института теоретической физики, создателем мировой научной школы, а также иностранным членом академии наук СССР. В этой статье будут рассмотрены история жизни Нильса Бора и его основные достижения.
Заслуги
Датский Физик Бор Нильс основал теорию атома, которая базируется на планетарной модели атома, квантовых преставлениях и предложенных им лично постулатах. Кроме того, Бор запомнился важными работами по теории атомного ядра, ядерных реакций и металлов. Он был одним из участников создания квантовой механики. Кроме наработок в области физики, Бору принадлежит ряд трудов по философии и естествознанию. Ученый активно боролся с атомной угрозой. В 1922 году его наградили Нобелевской премией.
Детство
Будущий ученый Нильс Бор родился в городе Копенгагене 7 октября 1885 года. Его отец Кристиан был профессором физиологии в местном университете, а мать Эллен происходила из состоятельной еврейской семьи. У Нильса был младший брат Харальд. Родители постарались сделать детство сыновей счастливым и насыщенным. Положительное влияние семьи, и в частности матери, сыграло важнейшую роль в становлении их душевных качеств.
Образование
Начальное образование Бор получил в Гаммельхольмской школе. В школьные годы он увлекался футболом, а позже – лыжным и парусным спортом. В двадцать три года Бор стал выпускником Копенгагенского университета, в котором его считали необычайно одаренным физиком-исследователем. За дипломный проект, посвященный определению поверхностного натяжения воды с помощью вибраций водной струи, Нильса наградили золотой медалью от Датской королевской академии наук. Получив образование, начинающий физик Бор Нильс остался работать в университете. Там он осуществил ряд важнейших исследований. Одно из них было посвящено классической электронной теории металлов и легло в основу докторской диссертации Бора.
Нестандартное мышление
Однажды к президенту Королевской академии, Эрнесту Резерфорду, обратился за помощью коллега из копенгагенского университета. Последний намеревался поставить своему студенту самую низкую оценку, в то время как тот считал, что заслуживает оценки «отлично». Оба участника спора согласились положиться на мнение третьего лица, некого арбитра, которым и стал Резерфорд. Согласно экзаменационному вопросу, студент должен был объяснить, как с помощью барометра можно определить высоту здания.
Студент ответил, что для этого нужно привязать барометр к длинной веревке, подняться с ним на крышу здания, опустить его к земле и замерять длину веревки ушедшей вниз. С одной стороны, ответ был абсолютно верным и полным, но с другой – он имел мало общего с физикой. Тогда Резерфорд предложил студенту еще раз попытаться ответить. Он дал ему шесть минут, и предупредил, что ответ должен иллюстрировать понимание физических законов. Через пять минут, услышав от студента, что он выбирает лучшие из нескольких решений, Резерфорд попросил его досрочно ответить. На это раз студент предложил подняться с барометром на крышу, сбросить его вниз, замерять время падения и, воспользовавшись специальной формулой, выяснить высоту. Этот ответ удовлетворил преподавателя, однако он с Резерфордом не могли отказать себе в удовольствии прослушать остальные версии студента.
Следующий способ был основан на измерении высоты тени барометра и высоты тени здания, с последующим решением пропорции. Это вариант понравился Резерфорду, и он с энтузиазмом попросил студента осветить оставшиеся способы. Тогда студент предложил ему самый простой вариант. Нужно было просто прикладывать барометр к стене здания и делать отметки, а затем сосчитать количество отметок и умножить их на длину барометра. Студент считал, что столь очевидный ответ точно нельзя упускать из виду.
Дабы не прослыть в глазах ученых шутником, студент предложил и самый изощренный вариант. Привязав к барометру шнурок – рассказывал он, – нужно раскачать его у основания здания и на его крыше, замерев величину гравитации. Из разницы между полученными данными, при желании можно узнать высоту. Кроме того, раскачивая маятник на шнурке с крыши здания, можно определить высоту по периоду прецессии.
Наконец, студент предложил найти управляющего здания и взамен на замечательный барометр выведать у него высоту. Резерфорд спросил, неужели студент и впрямь не знает общепринятого решения задачи. Он не стал скрывать, что знает, но признался, что сыт по горло навязыванием учителями своего образа мышления подопечным, в школе и колледже, и отверганием ими нестандартных решений. Как вы наверняка догадались, этим студентом был Нильс Бор.
Переезд в Англию
Проработав в университете три года, Бор переехал в Англию. Первый год он работал в Кембридже у Джозефа Томсона, затем перебрался к Эрнесту Резерфорду в Манчестер. Лаборатория Резерфорда на тот момент считалась наиболее выдающейся. Последнее время в ней проходили эксперименты, породившие открытие планетарной модели атома. Точнее, модель тогда пребывала еще на стадии становления.
Опыты по прохождению альфа-частиц через фольгу позволили Резерфорду осознать, что в центре атома располагается небольшое заряженное ядро, на которое приходится едва ли вся масса атома, а вокруг него располагаются легкие электроны. Так как атом электронейтрален, сумма зарядов электронов должна равняться модулю заряда ядра. Заключение о том, что заряд ядра кратен заряду электрона было центральным в этом исследовании, но пока что оставалось неясным. Зато были выявлены изотопы – вещества, имеющие одинаковые химические свойства, но различную атомную массу.
Атомный номер элементов. Закон смещения
Работая в лаборатории Резерфорда, Бор понял, что химические свойства зависят от числа электронов в атоме, то есть от его заряда, а не массы, что и объясняет существования изотопов. Это стало первым важным достижением Бора в этой лаборатории. Так как альфа-частица приставляет собой ядро гелия с зарядом +2, при альфа-распаде (частица вылетает из ядра) «дочерний» элемент в таблице Менделеева должен размещаться левее на две клеточки чем «материнский», а при бета-распаде (электрон вылетает из ядра) – правее на одну клеточку. Так был сформирован «закон радиоактивных смещений». Далее датский физик сделал ряд более важных открытий, которые касались самой модели атома.
Модель Резерфорда-Бора
Эту модель также называют планетарной, ведь в ней электроны вращаются вокруг ядра подобно тому, как планеты вокруг Солнца. Такая модель имела ряд проблем. Дело в том, что атом в ней был катастрофически неустойчив, и терял энергию за стомиллионную долю секунды. В действительности же такого не происходило. Возникшая проблема казалась неразрешимой и требовала радикально нового подхода. Здесь и проявил себя датский физик Бор Нильс.
Бор предположил, что, вопреки законам электродинамики и механики, в атомах есть орбиты, перемещаясь по которым электроны не излучают. Орбита стабильна, если момент количества движений электрона находящегося на ней равен половине постоянной Планка. Излучение происходит, но только в момент перехода электрона с одной орбиты на другую. Вся энергия, которая при этом высвобождается, уносится квантом излучения. Такой квант имеет энергию, равную произведению частоты вращения на постоянную Планка, или разности между начальной и конечной энергией электрона. Таким образом, Бор объединил наработки Резерфорда и идею квантов, которая была предложена Максом Планком в 1900 году. Такое объединение противоречило всем положениям традиционной теории, и в то же самое время, не отвергало ее полностью. Электрон был рассмотрен как материальная точка, которая движется по классическим законам механики, но «разрешенными» являются лишь те орбиты, которые выполняют «условиям квантования». На таких орбитах, энергии электрона обратно пропорциональны квадратам номеров орбит.
Вывод из «правила частот»
Опираясь на «правило частот», Бор сделал вывод, что частоты излучения пропорциональны разности между обратными квадратами целых чисел. Ранее эта закономерность была установлена спектроскопистами, однако не находила теоретического объяснения. Теория Нильса Бора позволяла объяснить спектр не только водорода (простейшего из атомов), но и гелия, в том числе ионизированного. Ученый проиллюстрировал влияние содвижения ядра и предугадал, как заполняются электронные оболочки, что позволило выявить физическую природу периодичности элементов системе Менделеева. За эти наработки, в 1922 году Бор был удостоен Нобелевской премии.
Институт Бора
По завершении работ у Резерфорда уже признанный физик Бор Нильс вернулся на родину, куда его пригласили в 1916 году профессором в копенгагенский университет. Через два года он стал членом Датского королевского общества (в 1939 году ученый возглавил его).
В 1920 году Бор основал Институт теоретической физики и стал его руководителем. Власти Копенгагена, в знак признания заслуг физика, предоставили ему для института здание исторического «Дома Пивовара». Институт оправдал все ожидания, сыграв в развитии квантовой физики выдающуюся роль. Стоит отметить, что определяющее значение в этом имели личные качества Бора. Он окружил себя талантливыми сотрудниками и учениками, границы между которыми часто были незаметны. Институт Бора был интернационален, в него стремились опасть отовсюду. Среди знаменитых выходцев Боровской школы можно выделить: Ф. Блоха, В. Вайскопфа, Х. Казимира, О. Бора, Л. Ландау, Дж. Уиллера и многих других.
К Бору не единожды приезжал немецкий ученый Верне Гейзенберг. Во времена, когда создавался «принцип неопределенности», с Бором дискутировал Эрвин Шредингер, который был сторонником чисто-волновой точки зрения. В бывшем «Доме Пивовара» формировался фундамент качественно новой физики двадцатого века, одним из ключевых фигурантов которой был Нильс Бор.
Модель атома, предложенная датским ученым и его наставником Резерфордом, была непоследовательной. Она объединяла постулаты классической теории и гипотезы, явно ей противоречащие. Дабы устранить эти противоречия, необходимо было радикально пересмотреть основные положения теории. В этом направлении важную роль сыграли прямые заслуги Бора, его авторитет в научных кругах, и просто личное влияние. Работы Нильса Бора показали, что для получения физической картины микромира не подойдет подход, с успехом применяющийся для «мира больших вещей», и он стал одним из основоположников такого подхода. Ученый ввел такие понятия, как «неконтролируемое воздействие измерительных процедур» и «дополнительные величины».
Копенгагенская квантовая теория
С именем датского ученого связана вероятностная (она же копенгагенская) интерпретация квантовой теории, а также изучение ее многочисленных «парадоксов». Важную роль здесь сыграла дискуссия Бора с Альбертом Эйнштейном, которому не по душе была квантовая физика Бора в вероятностном истолковании. «Принцип соответствия», сформулированный датским ученым, сыграл немаловажную роль в понимании закономерностей микромира и их взаимодействия с классической (неквантовой) физикой.
Ядерная тематика
Начав заниматься физикой ядра еще у Резерфорда, Бор уделял ядерной тематике много внимания. Он предложил в 1936 году теорию составного ядра, вскоре породившую капельную модель, которая сыграла весомую роль в исследовании деления ядер. В частности, Бору принадлежит предсказание спонтанного деления ядер урана.
Когда фашисты захватили Данию, ученый тайно был доставлен в Англию, а затем в Америку, где совместно с сыном Оге трудился над Манхэтеннским проектом в Лос-Аламосе. В послевоенные годы Бор много времени уделял вопросам контроля над ядерным оружием и мирного применения атомов. Он принял участие в создании центра ядерных исследований Европы и даже обращался со своими идеями к ООН. Исходя из того, что Бор не отказался обсуждать с советскими физиками определенные аспекты «ядерного проекта», он считал опасным монопольное владение атомным вооружением.
Другие области знания
Кроме того, Нильс Бор, биография которого подходит к концу, интересовался также вопросами сопредельными с физикой, в частности биологией. Также его интересовала философия естествознания.
Выдающийся датский ученый скончался от сердечного приступа 18 октября 1962 года в Копенгагене.
Заключение
Нильс Бор, открытия которого, безусловно, изменили физику, пользовался огромным научным и нравственным авторитетом. Общение с ним, даже мимолетное, производило на собеседников неизгладимое впечатление. По речи и письму Бора было видно, что он старательно подбирает слова, дабы максимально точно проиллюстрировать свои мысли. Российский физик Виталий Гинзбург назвал Бора невероятно деликатным и мудрым.
