Нільс Бор

Викладач університету звернувся до сера Ернеста Резерфорда, президента Королівської Академії і лауреата Нобелівської премії з фізики за допомогою. Він збирався поставити найнижчу оцінку з фізики одному зі своїх студентів, тоді як той стверджував, що заслуговує вищого балу. Обидва – викладач і студент – згодилися покластися на думку третьої особи, незацікавленого арбітра. Вибір ліг на Резерфорда. Екзаменаційне питання було таким: «Поясніть, як можна зміряти висоту будівлі за допомогою барометра?».

Відповідь студента була такою: «Потрібно піднятися з барометром на дах будівлі, опустити барометр вниз на довгому мотузку, а потім втягнути його назад і зміряти довжину мотузки, яка і покаже точну висоту будівлі».

Випадок був і насправді складний, оскільки відповідь була абсолютно повною і вірною! З другого боку, іспит був з фізики, а відповідь не мала нічого спільного із застосуванням знань у цій області.

Резерфорд запропонував студенту спробувати відповісти ще раз. Давши йому шість хвилин на підготовку, він попередив його, що відповідь повинна демонструвати знання фізичних законів. Після закінчення п’яти хвилин студент так і не написав нічого в екзаменаційному листі. Резерфорд запитав його, чи погоджується він з виставленою оцінкою, але той заявив, що у нього є декілька рішень проблеми, і він просто вибирає краще.

Зацікавившись, Резерфорд попросив молоду людину приступити до відповіді, не чекаючи закінчення відведеного терміну. Нова відповідь на питання була така: «Підніміться з барометром на дах і киньте його вниз, заміряючи час падіння. Потім, використовуючи формулу, обчисліть висоту будівлі».

Тут Резерфорд запитав свого колегу викладача, чи задоволений він цією відповіддю. Той, нарешті, здався, визнавши відповідь за задовільну. Проте студент згадував, що знає декілька відповідей, і його попросили відкрити їх.

– Є декілька способів зміряти висоту будівлі за допомогою барометра, – почав студент. – Наприклад, можна вийти на вулицю в сонячний день і зміряти висоту барометра і його тіні, а також зміряти довжину тіні будівлі. Потім, вирішивши нескладну пропорцію, визначити висоту самої будівлі.

– Непогано, – сказав Резерфорд. – Є і інші способи?

– Так. Є дуже простий спосіб, який, упевнений, вам сподобається. Ви берете барометр в руки і підіймаєтеся по сходах, прикладаючи барометр до стіни і роблячи відмітки. Злічивши кількість цих відміток і помноживши їх кількість на розмір барометра, ви одержите висоту будівлі. Цілком очевидний метод.

– Якщо ви хочете складніший спосіб, – продовжував він, – то прив’яжіть до барометра шнурок і, розгойдуючи його, як маятник, визначте величину гравітації у основи будівлі і на його даху. З різниці між цими величинами, в принципі, можна обчислити висоту будівлі. У цьому ж випадку, прив’язавши до барометра шнурок, ви можете піднятися з вашим маятником на дах і, розгойдуючи його, обчислити висоту будівлі за періодом прецесії.

– Нарешті, – сказав він, – серед безлічі інших способів рішення даної проблеми кращим, мабуть, є такий: візьміть барометр з собою, знайдіть управляючого і скажіть йому: «Пан управляючий, у мене є чудовий барометр. Він ваш, якщо ви скажете мені висоту цієї будівлі».

Тут Резерфорд запитав студента, невже він дійсно не знав загальноприйнятого рішення цієї задачі. Той признався, що знав, але сказав при цьому, що ситий по горло школою і коледжем, де вчителі нав’язують учням свій спосіб мислення.

Студент цей був Нільс Бор (1885-1962), датський фізик, лауреат Нобелівської премії 1922 р.

Нільс Бор народився в родині професора фізіології Копенгагенського університету Христіана Бора і Еллен Адлер дочки впливового і вельми заможного єврейського банкіра і парламентарія-ліберала

У школі Нільс виявляв явну схильність до фізики та математики, а також до філософії. Цьому сприяли регулярні візити колег і друзів батька – філософа Харальда Геффдінга, фізика Крістіана Крістіансена, лінгвіста Вільгельма Томсена. Близьким другом і однокласником Бора в цей період був його троюрідний брат (по материнській лінії), відомий у майбутньому гештальт-психолог Едгар Рубін .

Іншим захопленням Бора був футбол. Нільс і його брат Харальд (що згодом став відомим математиком) виступали за аматорський клуб «Академіск» (перший – на позиції воротаря, а другий – півзахисника). Надалі Харальд успішно грав у збірній Данії і виграв у її складі «срібло» на Олімпіаді-1908, де данська команда поступилася у фіналі англійцям.

Цікава деталь з біографії Нільса Бора: «Якось «Академіск» з Копенгагена грав з німецьким клубом «Міттвайда». Один з німців вдарив здалеку по воротах – точно, але не сильно. Однак Нільс Бор, опершись на штангу, навіть не зреагував на легкий для нього удар. Після матчу воротар пояснив свій ляп тим, що недоречно задумався над однією математичною задачею.

У 1903 році Нільс Бор вступив до Копенгагенського університету, де вивчав фізику, хімію, астрономію, математику. В університеті Нільс Бор виконав свої перші роботи по дослідженню коливань струменя рідини для більш точного визначення величини поверхневого натягу води. Теоретичне дослідження в 1906 році було відзначено золотою медаллю Данського королівського товариства. У 1910 Бор отримав ступінь магістра, а в травні 1911 захистив докторську дисертацію з класичної електронної теорії металів. У своїй дисертаційній роботі Бор, розвиваючи ідеї Лоренца, довів важливу теорему класичної статистичної механіки, згідно з якою магнітний момент будь-якої сукупності елементарних електричних зарядів, що рухаються за законами класичної механіки в постійному магнітному полі, в стаціонарному стані дорівнює нулю. У 1919 ця теорема була незалежно відкрита Йохан ван Льовен і носить назву теореми Бора – ван Льовен. З неї безпосередньо випливає неможливість пояснення магнітних властивостей речовини (зокрема, діамагнетизму), залишаючись у рамках класичної фізики. Це, мабуть, стало першим зіткненням Бора з обмеженістю класичного опису, підводить його до питань квантової теорії.

Через три роки після закінчення університету Бор приїхав працювати в Англію. Після року перебування в Кембриджі у Джозефа Джона Томсона Н. Бор перебрався в Манчестер до Ернеста Резерфорда, лабораторія якого в той час займала лідируючу позицію. Тут до часу появи Бора проходили експерименти, які привели Резерфорда до планетарної моделі атома. Точніше модель ще знаходилась на стадії становлення. Досліди по проходженню альфа-частинок через листки фольги привели Резерфорда до впевненості, що в центрі атома знаходиться маленьке заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома, а навколо ядра розташовуються набагато більш легкі електрони. Оскільки атом в цілому електронейтральний, сумарний заряд всіх електронів має бути по модулю рівним заряду ядра, але відрізнятися від нього знаком. Висновок про те, що заряд ядра має бути кратним заряду електрона був важливим, але залишалось ще багато неясного. Так були виявлені «ізотопи» — речовини з однаковими хімічними властивостями, але з різною атомною вагою.

Проблема атомного номера елементів. Закон зміщенняbor2

Першим важливим досягнення Бора в лабораторії Резерфорда було те, що він зрозумів: хімічні властивості визначаються числом електронів в атомі, а, отже зарядом ядра, а не його масою, а це і пояснює існування ізотопів. Оскільки альфа-частинка — це ядро гелія, що має заряд +2, то при альфа розпаді, коли ця частинка вилітає з ядра, «дочірній» елемент має розташовуватися в таблиці Менделєєва на дві клітинки лівіше «материнського», а при бета-розпаді, коли з ядра вилітає електрон — на одну клітинку правіше. Так був відкритий «закон радіоактивних зміщень». Але за цим відкриттям слідували і інші, набагато більш важливі. Вони стосувались самої моделі атома.

Модель Резерфорда – Бора

Цю модель часто називають «планетарною» — в ній, подібно тому як планети рухаються навколо Сонця, електрони рухаються навколо ядра. Але такий атом не може бути стійким: під дією кулонівського притягання ядра кожний електрон рухається з прискорення, а заряд, що рухається прискорено, відповідно до законів класичної електродинаміки, має випромінювати електромагнітні хвилі, втрачаючи при цьому енергію. Кількісний розрахунок показує, що така «радіаційна нестійкість» атома катастрофічна: приблизно через стомільйонну долю секунди всі електрони мали б втратити енергію і впасти на ядро. Але насправді цього не відбувається, і більшість атомів достатньо стабільні. Виникла проблема, яка могла здатися нерозв’язною. І вона дійсно не могла бути розв’язаною без залучення радикально нових ідей Саме такі ідеї і були висунуті Бором.

Він прийшов до висновку, що (всупереч законам механіки і електродинаміки) в атомах існують такі орбіти, рухаючись по яким електрони не випромінюють електромагнітні хвилі. По Бору, орбіта є стабільною, якщо момент кількості руху електрона, що на ній знаходиться, кратний h/2, де h — стала Планка. Випромінення ж відбувається тільки при переході електрона з однієї стабільної орбіти на іншу, і вся енергія, що при цьому вивільняється, виноситься одним квантом випромінення. Енергія такого кванта, що дорівнює добутку частоти n на h, у відповідності з законом збереження енергії, рівна різниці початкової і кінцевої енергії електрона («Правило частот»). Таким чином, Нільс Бор запропонував поєднати модельні уявлення Резерфорда з ідеєю квантів, вперше висловленою Максом Планком в 1900 році. Таке поєднання докорінно суперечило всім положенням і традиціям класичної теорії. Але, в той же час, ця класична теорія не відкидалась повністю: електрон розглядався як матеріальна точка, що рухається за законами класичної механіки, але тільки з усіх орбіт «дозволеними» оголошувались лише ті, які відповідають «умовам квантування».

Енергії електрона на таких орбітах виходять обернено пропорційними квадратам цілих чисел — номерів орбіт. Долучаючи «правило частот», Нільс Бор прийшов до висновку, що частоти випромінення мають бути пропорційними різниці обернених квадратів цілих чисел. Ця закономірність дійсно була встановлена спектроскопістами, але не знаходила до тих пір свого пояснення.

Бор пояснив не тільки спектр найпростішого з атомів — водню, але і гелію, в тому числі, і іонізованого, передбачив структуру заповнення електронних оболонок, що дозволило зрозуміти фізичну природу періодичності хімічних властивостей елементів — періодичну таблицю Менделєєва. За ці праці Бор був в 1922 році удостоєний Нобелівської премії.

Інститут Бора в Копенгагені

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 призначено було зіграти видатну роль в розвитку квантової фізики. Поза сумнівом, основне значення мали тут виняткові особисті якості його директора. Він постійно був оточений співробітниками і учнями (грані між першими і другими насправді і не було), які приїжджали до Бора звідусіль. До його великої інтернаціональної школи належали Фелікс Блох, Оге Бор, Віктоbor3р Фредерік Вайскопф, X. Казимир, О. Клейн, X. Крамерс, Лев Давидович Ландау, К. Меллер, У. Нішика, А.Пайс, Л. Розенфельд, Дж. Уіллер і багато інших.

«Будинок Пивовара» став центром притягання для всіх теоретиків. До Бора не раз приїжджав німецький фізик-теоретик Вернер Гейзенберг та Ервін Шредінгер.

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 фізиком-теоретиком Альбертом Ейнштейном, що так і не примирився з імовірнісним тлумаченням квантової механіки. Для розуміння закономірностей мікросвіту і їх співвідношення із законами класичної (тобто неквантовою) фізики важливе значення має сформульований Бором принцип відповідності.

Помер Бор в Копенгагені 18 листопада 1962 від серцевого нападу.

Пам’ять

105-й елемент таблиці Менделєєва (Дубно), відкритий в 1970, до 1997 був відомий як нільсборій. У цьому ж році було затверджено назву Борій для 107-го елемента, відкритого в 1981.

З 1965 Копенгагенський інститут теоретичної фізики носить назву «інститут Нільса Бора. У 1963 і 1985 в Данії були випущені марки із зображенням Нільса Бора.

У 1997 Данська національний банк випустив в обіг банкноту номіналом 500 крон із зображенням Нільса Бора.

Ім’я Бора носить астероїд 3948, відкритий в 1985.

Роль Бора у фізиці дуже точно розкрив Р.Е. Пайерлс у вірші на честь семидесятої річниці з дня народження відомого фізика.

Ось Бор всім відомий …

А от додатковий закон,

Який був Бором проголошений,

Який описує з двох сторін

Як електрон , так і протон

Атома,

Який збудував Бор.

А ось електронні рівні

Атома,

Який збудував Бор.

Які спектр характерний дають

На них перескакують електрони,

Атома

Який збудував Бор.

А ось ядро

Атома,

Який збудував Бор,

Яке бачить він як краплю,

Яка знаходиться точно в центрі

Атома,

Який збудував Бор.

Leave a Reply