Нільс Бор
Бор (Bohr)
Нільс Хендрік Давид (7 жовтня 1885, Копенгаген - 18 листопада 1962, там же),
данський вчений, один із творців сучасної фізики. Автор основоположних
праць з квантової механіки, теорії атома, атомного ядра, ядерних реакцій.
Нільс Бор
народився в сім'ї Крістіана Бора, професора фізіології Копенгагенського
університету, і Еллен Бор, яка походила з багатої і впливової єврейської
сім'ї. Батьки Нільса та його молодшого, гаряче улюбленого брата Харальда (майбутнього
великого математика) зуміли зробити дитячі роки синів щасливими і
змістовними. Сприятливий вплив сім'ї, особливо - матері, грало
вирішальну роль у формуванні їх душевних якостей.
Початкове
освіта Нільс отримав у Гаммельхольмской граматичній школі, яку
закінчив у 1903. У шкільні роки був завзятим футболістом, пізніше захоплювався
катанням на лижах і вітрильним спортом. Двадцяти трьох років закінчив Копенгагенський
університет, де здобув репутацію надзвичайно обдарованого
фізика-дослідника. Його дипломний проект, присвячений визначенню
поверхневого натягу води по вібрацій водяного струменя, був удостоєний золотої
медалі Датської королівської академії наук. У 1908-11 Бор продовжив роботу в
університеті, де виконав цілий ряд найважливіших досліджень, зокрема з
класичної електронної теорії металів, що склала основу його докторської
дисертації.
Через три роки
після закінчення університету Бор приїхав працювати до Англії. Після року
перебування в Кембриджі у Дж. Дж. Томсона Бор перебрався в Манчестер до
Резерфорду, лабораторія якого на той час займала провідне становище.
Тут до часу появи Бора проходили експерименти, які призвели
Резерфорда до планетарної моделі атома. Точніше, модель ще перебувала у стадії
становлення. Досліди по проходженню альфа-частинок через листочки фольги призвели
Резерфорда до переконання, що в центрі атома знаходиться маленьке заряджене ядро,
в якому зосереджена майже вся маса атома, а навколо ядра розташовуються
набагато більш легкі електрони.
сумарний заряд всіх електронів повинен бути по модулю рівним заряду ядра, але
відрізнятися від нього знаком. Висновок про те, що заряд ядра повинен бути кратним
заряду електрона був важливий, але залишалося ще багато неясного. Так, були
виявлені «ізотопи» - речовини з однаковими хімічними властивостями, але з
різним атомною вагою.
Першим важливим
досягненням Бора в лабораторії Резерфорда було те, що він зрозумів: хімічні
властивості визначаються числом електронів в атомі, а, значить, зарядом ядра, а не
його масою, і це і пояснює існування ізотопів. Оскільки альфа-частинки --
це ядро гелію, що має заряд +2, то при альфа-розпаді, коли ця частинка
вилітає з ядра, «дочірній» елемент повинен розташовуватися в таблиці
Менделєєва
на дві клітинки ліворуч від «материнського», а при бета-розпаді,
коли з ядра вилітає електрон - на одну клітинку праворуч. Так був відкритий
«Закон радіоактивних зсувів». Але за цим відкриттям пішли й інші,
набагато важливіші. Вони стосувалися самої моделі атома.
Цю модель
часто називають «планетарної» - в ній, подібно до того як планети обертається навколо
Сонця, електрони рухаються навколо ядра. Але такий атом не може бути стійким:
під дією кулонівського тяжіння ядра кожен електрон рухається з
прискоренням, а прискорено рухається заряд, відповідно до законів класичної
електродинаміки, повинен випромінювати електромагнітні хвилі, втрачаючи при цьому
енергію. Кількісний розрахунок показує, що така «радіаційна
нестійкість »атома катастрофічна: приблизно за стомільйонний частку секунди все
електрони повинні були б втратити енергію і впасти на ядро. Але в
Насправді нічого такого не відбувається, і багато атоми цілком стабільні.
Виникла проблема, яка могла здатися нерозв'язною. І вона дійсно
не могла бути вирішена без залучення радикальних нових ідей. Саме такі
ідеї і були висунуті Бором.
Він
стверджував, що (всупереч законам механіки та електродинаміки) в атомах існують
такі орбіти, рухаючись по яких електрони не випромінюють. За Бору, орбіта
є стабільною, якщо момент кількості руху що знаходиться на ній
електрона кратний h/2p, де h-постійна Планка. Випромінювання ж відбувається
тільки при переході електрона з однієї стійкої орбіти на іншу, і вся
вивільняється при цьому енергія несеться одним квантом випромінювання. Енергія
такого кванта, що дорівнює добутку частоти n на h, відповідно до закону
збереження енергії, дорівнює різниці початкової та кінцевої енергії електрона
( «Правило частот»). Таким чином, Бор запропонував з'єднати модельні
подання Резерфорда з ідеєю квантів, уперше висловленої Планком в 1900.
Таке поєднання в корені суперечило всім положенням і традицій класичної
теорії. Але, в той же час, ця класична теорія не відкидалася повністю:
електрон розглядалося як матеріальна точка, що рухається за законами
класичної механіки, але тільки з усіх орбіт «дозволеними» оголошувалися лише
ті, які відповідають «умовам квантування».
Енергії
електрона на таких орбітах виходять назад пропорційними квадратах цілих
чисел - номерів орбіт. Залучаючи «правило частот», Бор прийшов до висновку, що
частоти випромінювання повинні бути пропорційні різниці зворотних квадратів цілих
чисел. Ця закономірність справді була вже встановлена спектроскопістамі,
але не знаходила досі свого пояснення.
Бор пояснив не
тільки спектр найпростішого з атомів - водню, а й гелію, в тому числі, і
ионизованного, показав, як врахувати вплив содвіженія ядра, передбачив
структуру заповнення електронних оболонок, що дозволило зрозуміти фізично
природу періодичності хімічних властивостей елементів - періодичну
таблицю Менделєєва
. За ці роботи Бор в 1922 був удостоєний
Нобелівської премії. Іншими словами він заклали основи нових напрямків у
розвитку хімії. У своїй квантової теорії атома водню: а) показав, що
електрон може обертатися навколо ядра не з будь-яких, а лише за певними
квантовим орбітах;
б) дав
математичний опис стійкості орбіт, або стаціонарного стану атома;
в) показав, що
всяке випромінювання або поглинання енергії атомом пов'язано з переходом між двома
стаціонарними станами і відбувається дискретно з виділенням або поглинанням
Планка квантів;
г) ввів поняття
головного квантового числа для характеристики електрона. Розрахував спектр атома
водню, показавши повний збіг розрахункових даних з емпіричними. Побудував
(1913-1921 рр.). Моделі атомів інших елементів періодичної системи,
охарактеризувавши рух електронів в них за допомогою головного n і побічного k
квантових чисел. Заклав (1921 р.) основи перших фізичної теорії
періодичної системи елементів, в якій пов'язав періодичність властивостей
елементів з формуванням електронних конфігурацій атомів у міру збільшення
заряду ядра. Обгрунтував підрозділ груп періодичної системи на головні і
побічні. Вперше пояснив подібність властивостей рідкоземельних елементів.
Сформулював (1918 р.) важливий для атомної теорії принцип відповідності. Багато чого
зробив для становлення та інтерпретації квантової механіки, зокрема
запропонував (1927 р.) має велике значення для її розуміння принцип
додатковості. Після закінчення робіт у Резерфорда Бор повернувся в Данію, де
він у 1916 був запрошений професором в університет в Копенгагені. Через рік він
був обраний членом Датського королівського товариства (у 1939 він став його
президентом).
У 1920 Бор
створює Інститут теоретичної фізики і стає його директором. На знак
визнання його заслуг, місто надає Бору для інституту історичний «Будинок
Пивовара ». Цьому інституту судилося відіграти визначну роль у розвитку
квантової фізики. Безсумнівно, що визначає значення мали тут виняткові
особисті якості його директора. Він постійно був оточений співробітниками і
учнями (межі між першими і другими в дійсності і не було), які
приїжджали до Бору звідусіль. До його великої інтернаціональної школі належали
Ф. Блох, О. Бор, В. Вайскопф, X. Казимир, О. Клейн, X. Крамерса, Л. Д. Ландау,
К. Меллер, У. Нішіка, А. Пайс, Л. Розенфельд, Дж. Уїллер та багато інших. «Будинок
Пивовара »став центром тяжіння для всіх теоретиків. До Бору не раз приїздив
В. Гейзенберг, саме в ту пору, коли створювався «принцип невизначеності»,
там вів болісні дискусії з Бором Е. Шредінгер, що намагався захищати
чисто-хвильову точку зору. Саме в інституті Бора формувалося те, що
визначило якісно нове обличчя фізики 20 століття.
Модель
Резерфорда-Бора була очевидним чином непослідовна. У ній об'єднувалися і
положення класичної теорії, і те, що їм явно суперечило. Щоб усунути
ці протиріччя, потрібен радикальний перегляд багатьох основних положень
теорії. Тут і прямі заслуги Бора, і роль його наукового авторитету, та й
просто особистого впливу були дуже великі. Саме Бор зрозумів, що для створення
фізичної картини процесів мікросвіту потрібен інший підхід, ніж для «миру
великих речей »і він був одним з основних творців цього підходу. Він ввів
поняття про неконтрольовану дії вимірювальних процедур, про
«Додаткових» величинах - таких, що чим точніше визначається один з них,
тим більша невизначеність виявляється в іншої. З ім'ям Бора пов'язана
імовірнісна (так звана Копенгагенська) інтерпретація квантової теорії і
розгляд багатьох її «парадоксів». Чимале значення мали тут дискусії
Бора з Ейнштейном, так і не примирилися з ймовірносним тлумаченням
квантової механіки. Для розуміння закономірностей мікросвіту і їх співвідношення з
законами класичної (тобто неквантовой) фізики важливе значення має
сформульований Бором принцип відповідності.
Бор, почавши у
Резерфорда з фізики ядра, постійно приділяв ядерної тематики велика увага. У
1936 він запропонував теорію складеного ядра, незабаром - крапельну модель, яка
зіграла помітну роль при дослідженні проблеми поділу ядер. Бор передбачив
спонтанне ділення ядер урану.
Після
фактичного захоплення Данії фашистами Бор таємно покинув батьківщину і був доставлений
спочатку до Англії (при цьому в літаку він мало не загинув), а потім до Америки, де
разом з сином Оге працював для Манхетеннского проекту в Лос-Аламосі. У
післявоєнні роки він величезну увагу приділяв проблемі контролю над ядерними
озброєннями, мирного використання атома, звертався навіть у посланнями до ООН,
брав участь у створенні Європейського центру ядерних досліджень. Судячи з того,
що він не відмовився обговорювати з радянським фізиком деякі сторони «атомного
проекту », знаходив небезпечним монопольне володіння атомною зброєю.
Велике
Бор увагу приділяв суміжних з фізикою питань, в тому числі, біології. Його
незмінно займали філософські проблеми природознавства.
Моральний і
науковий авторитет Бора був виключно високий. Будь-яке, навіть швидкоплинне спілкування
з ним справляло незабутнє враження. Він говорив і писав так, що було
видно: він напружено шукає слова, які б гранично точно і правдиво висловлювали
почуття і думки. Глибоко правий був В. Л. Гінзбург, який назвав Бора неповторно
делікатним і мудрим.
Бор був
почесним членом понад 20 академій наук різних країн, лауреатом багатьох
національних і міжнародних премій.
Список
літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://schoolchemistry.by.ru/
