Нільс Бор – данський фізик і громадський діяч, один з основоположників фізики в сучасному вигляді. Був засновником і керівником копенгагенського Інституту теоретичної фізики, творцем світової наукової школи, а також іноземним членом академії наук СРСР. У цій статті будуть розглянуті історія життя Нільса Бора та його основні досягнення.

Заслуги

Датський Фізик Нільс Бор заснував теорію атома, яка базується на планетарній моделі атома, квантових преставлениях та запропонованих ним особисто постулатах. Крім того, Бор запам'ятався важливими роботами по теорії атомного ядра і ядерних реакцій і металів. Він був одним з учасників створення квантової механіки. Крім напрацювань в галузі фізики, Бору належить ряд праць з філософії та природознавства. Вчений активно боровся з атомною загрозою. У 1922 році його нагородили Нобелівською премією.

Дитинство

Майбутній учений Нільс Бор народився в місті Копенгагені 7 жовтня 1885 року. Його батько Крістіан був професором фізіології в місцевому університеті, а мати Елен походила із заможної єврейської родини. У Нільса був молодший брат Харальд. Батьки постаралися зробити дитинство синів щасливим і насиченим. Позитивний вплив сім'ї, зокрема матері, зіграло важливу роль у становленні їх душевних якостей.

Освіта

Початковий освіта Бор отримав в Гаммельхольмскій школі. У шкільні роки він захоплювався футболом, а пізніше – лижним і вітрильним спортом. У двадцять три роки Бор став випускником Копенгагенського університету, в якому його вважали надзвичайно обдарованим фізиком-дослідником. За дипломний проект, присвячений визначення поверхневого натягу води з допомогою вібрацій водного струменя, Нільса нагородили золотою медаллю від Датської королівської академії наук. Отримавши освіту, молодий фізик Нільс Бор залишився працювати в університеті. Там він здійснив ряд найважливіших досліджень. Одне з них було присвячено класичної електронної теорії металів і лягло в основу докторської дисертації Бору.

Нестандартне мислення

Одного разу до президента Королівської академії, Ернеста Резерфорду, звернувся за допомогою колега з копенгагенського університету. Останній мав намір поставити своєму студенту найнижчу оцінку, в той час як той вважав, що заслуговує оцінки «відмінно». Обидва учасника спору погодилися покластися на думку третьої особи, нікого арбітра, яким і став Резерфорд. Згідно екзаменаційного питання, студент повинен був пояснити, як з допомогою барометра можна визначити висоту будівлі. Студент відповів, що для цього потрібно прив'язати барометр на довгій мотузці, піднятися з ним на дах будівлі, опустити його до землі і заміряти довжину мотузки пішла вниз. З одного боку, відповідь була абсолютно вірним і повним, але з іншого – він мав мало спільного з фізикою. Тоді Резерфорд запропонував студенту ще раз спробувати відповісти. Він дав йому шість хвилин, і попередив, що відповідь має ілюструвати розуміння фізичних законів. Через п'ять хвилин, почувши від студента, що він вибирає найкращі з декількох рішень, Резерфорд попросив його достроково відповісти. На це раз студент запропонував піднятися з барометром на дах, скинути його вниз, заміряти час падіння і, скориставшись спеціальною формулою, з'ясувати висоту. Ця відповідь задовольнила викладача, проте він з Резерфордом не могли відмовити собі в задоволенні прослухати інші версії студента.
Наступний спосіб був заснований на вимірюванні висоти тіні барометра і висоти тіні будівлі, з подальшим вирішенням пропорції. Це варіант сподобався Резерфорду, і він з ентузіазмом попросив студента висвітлити залишилися способи. Тоді студент запропонував йому найпростіший варіант. Потрібно було просто прикладати барометр до стіни будівлі і робити позначки, а потім порахувати кількість позначок і помножити їх на довжину барометра. Студент вважав, що настільки очевидний відповідь точно не можна упускати з виду. Щоб не уславитися в очах вчених жартівником, студент запропонував і найдосконаліший варіант. Прив'язавши до барометра шнурок – розповідав він, – потрібно розкачати його біля основи будівлі і на його даху, завмерши величину гравітації. З різниці між отриманими даними, при бажанні можна дізнатися висоту. Крім того, розгойдуючи маятник на шнурку з даху будівлі, можна визначити висоту по періоду прецесії. Нарешті, студент запропонував знайти керуючого будівлі і взамін на чудовий барометр вивідати у нього висоту. Резерфорд запитав, невже студент і справді не знає загальноприйнятого вирішення завдання. Він не став приховувати, що знає, але зізнався, що ситий по горло нав'язуванням вчителями свого способу мислення підопічним, в школі і коледжі, і отверганием ними нестандартних рішень. Як ви напевно здогадалися, цим студентом був Нільс Бор.

Переїзд в Англію

Пропрацювавши в університеті три роки, Бор переїхав в Англію. Перший рік він працював у Кембриджі у Джозефа Томсона, потім перебрався до Ернеста Резерфорду в Манчестер. Лабораторія Резерфорда на той момент вважалася найбільш видатною. Останнім часом в ній відбувалися експерименти, породили відкриття планетарної моделі атома. Точніше, модель, тоді перебувала ще на стадії становлення.
Досліди по проходженню альфа-частинок через фольгу дозволили Резерфорду усвідомити, що в центрі атома розташовується невелике заряджене ядро, на яке припадає майже вся маса атома, а навколо нього розташовуються легкі електрони. Так як атом электронейтрален, сума зарядів електронів повинна дорівнювати модулем заряду ядра. Висновок про те, що заряд ядра кратний заряду електрона було центральним в цьому дослідженні, але поки що залишалося неясним. Зате були виявлені ізотопи – речовини, що мають однакові хімічні властивості, але різну атомну масу.

Атомний номер елементів. Закон зміщення

Працюючи в лабораторії Резерфорда, Бор зрозумів, що хімічні властивості залежать від числа електронів в атомі, тобто від його заряду, а не маси, що і пояснює існування ізотопів. Це стало першим важливим досягненням Бору в цій лабораторії. Так як альфа-частинка приставляє собою ядро гелію з зарядом +2 при альфа-розпаді (частка вилітає з ядра) «дочірній» елемент таблиці Менделєєва повинен розміщуватися ліворуч на дві клітинки ніж «материнський», а при бета-розпаді (електрон вилітає з ядра) – правіше на одну клітинку. Так був сформований «закон радіоактивних зсувів». Далі датський фізик зробив ряд більш важливих відкриттів, що стосувалися самої моделі атома.

Модель Резерфорда-Бора

Цю модель також називають планетарною, адже в ній електрони обертаються навколо ядра, подібно до того, як планети навколо Сонця. Така модель мала ряд проблем. Справа в тому, що атом у ній був катастрофічно нестійкий, і втрачав енергію за стомільйонну частку секунди. Насправді ж такого не відбувалося. Виникла проблема здавалася нерозв'язною і вимагала радикально нового підходу. Тут і проявив себе датський фізик Нільс Бор. Бор припустив, що, всупереч законам електродинаміки і механіки, в атомах є орбіти, переміщаючись по яких електрони не випромінюють. Орбіта стабільна, якщо момент кількості рухів електрона що знаходиться на ній дорівнює половині постійної Планка. Випромінювання відбувається, але тільки в момент переходу електрона з однієї орбіти на іншу. Вся енергія, яка при цьому вивільняється, несеться квантом випромінювання. Такий квант має енергію, рівну добутку частоти обертання на постійну Планка, або різниці між початковою і кінцевою енергією електрона. Таким чином, Бор об'єднав напрацювання Резерфорда і ідею квантів, яка була запропонована Максом Планком у 1900 році. Таке об'єднання суперечило всім положенням традиційної теорії, і в той же самий час, не відкидало її повністю. Електрон був розглянуте як матеріальна точка, що рухається з класичних законів механіки, але «дозволеними» є лише ті орбіти, які виконують «умов квантування». На таких орбітах, енергії електрона обернено пропорційні квадратам номерів орбіт.

Виведення з «правила частот»

Спираючись на «правило частот», Бор зробив висновок, що частоти випромінювання пропорційні різниці між зворотними квадратами цілих чисел. Раніше ця закономірність була встановлена спектроскопистами, однак не знаходила теоретичного пояснення. Теорія Нільса Бора дозволяла пояснити спектр не тільки водню (найпростішого з атомів), але і гелію, в тому числі іонізованого. Вчений проілюстрував вплив содвижения ядра і передбачив, як заповнюються електронні оболонки, що дозволило виявити фізичну природу періодичності системі елементів Менделєєва. За ці напрацювання, в 1922 році Бор був удостоєний Нобелівської премії.

Інститут Бору

По завершенні робіт у Резерфорда вже визнаний фізик Нільс Бор повернувся на батьківщину, куди його запросили в 1916 році професором копенгагенського університету. Через два роки він став членом Данського королівського товариства (у 1939 році вчений очолив його). У 1920 році Бор заснував Інститут теоретичної фізики і став його керівником. Влада Копенгагена, в знак визнання заслуг фізика, надали йому для інституту будівля історичного «Будинку Пивовара». Інститут виправдав всі очікування, зігравши в розвитку квантової фізики видатну роль. Варто відзначити, що визначальне значення в цьому мали особисті якості Бору. Він оточив себе талановитими співробітниками і учнями, межі між якими часто були непомітні. Інститут Бора був інтернаціональний, у нього прагнули обпасти звідусіль. Серед знаменитих вихідців Борівської школи можна виділити: Ф. Блоха, Ст. Вайскопфа, Х. Казимира, О. Бору, Л. Ландау, Дж. Уиллера і багатьох інших. До Бору не раз приїжджав німецький вчений Вернер Гейзенберг. У часи, коли створювався «принцип невизначеності», з Бором дискутував Ервін Шредінгер, який був прихильником суто-хвильової точки зору. У колишньому «Будинку Пивовара» формувався фундамент якісно нової фізики двадцятого століття, одним з ключових фігурантів якої був Нільс Бор. Модель атома, запропонована датським ученим і його наставником Резерфордом, була непослідовною. Вона об'єднувала постулати класичної теорії і гіпотези, явно їй суперечать. Щоб усунути ці суперечності, необхідно було радикально переглянути основні положення теорії. В цьому напрямку важливу роль зіграли прямі заслуги Бору, його авторитет у наукових колах, і просто особистий вплив. Роботи Нільса Бора показали, що для отримання фізичної картини мікросвіту не підійде підхід, з успіхом застосовується для «світом великих речей», і він став одним з основоположників такого підходу. Учений увів такі поняття, як «неконтрольоване вплив вимірювальних процедур» і «додаткові величини».

Копенгагенська квантова теорія

З іменем датського вченого пов'язана імовірнісна (вона ж копенгагенська) інтерпретація квантової теорії, а також вивчення її численних «парадоксів». Важливу роль тут зіграла дискусія Бора з Альбертом Ейнштейном, якому не до душі була квантова фізика Бору в імовірнісному тлумачення. «Принцип відповідності», сформульований датським вченим, зіграв важливу роль у розумінні закономірностей мікросвіту і їх взаємодії з класичної (неквантовой) фізикою.

Ядерна тематика

Почавши займатися фізикою ядра ще у Резерфорда, Бор приділяв ядерної тематики багато уваги. Він запропонував у 1936 році теорію складеного ядра, незабаром породила краплинну модель, яка зіграла вагому роль у дослідженні поділу ядер. Зокрема, Бору належить передбачення спонтанного ділення ядер урану. Коли фашисти захопили Данію, вчений таємно був доставлений в Англії, а потім до Америки, де спільно з сином Оге трудився над Манхэтеннским проектом в Лос-Аламосі. У повоєнні роки Бор багато часу приділяв питанням контролю над ядерною зброєю і мирного застосування атомів. Він взяв участь у створенні центру ядерних досліджень Європи і навіть звертався зі своїми ідеями до ООН. Виходячи з того, що Бор не відмовився обговорювати з радянськими фізиками певні аспекти «ядерного проекту», він вважав небезпечним монопольне володіння атомною зброєю.

Інші області знання

Крім того, Нільс Бор, біографія якого підходить до кінця, цікавився також питаннями суміжними з фізикою, зокрема біологією. Також його цікавила філософія природознавства. Видатний датський учений помер від серцевого нападу 18 жовтня 1962 року в Копенгагені.

Висновок

Нільс Бор, відкриття якого, безумовно, змінили фізику, користувався величезним науковим, і моральним авторитетом. Спілкування з ним, навіть швидкоплинне, справляло на співрозмовників незабутнє враження. По мовлення та письма Бору було видно, що він старанно підбирає слова, щоб максимально точно проілюструвати свої думки. Російський фізик Віталій Гінзбург назвав Бору неймовірно делікатним і мудрим.