(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Открытие строения атома — Нильс Бор

Рубрика: (Истории успеха) | Автор: moderator | Дата: 09-10-2013

Метки: , , ,

Имена Альберта Эйнштейна и Нильса Бора в истории теоретической физики стоят рядом. И роль его в раскрытии тайн мироздания так же велика, как и роль Эйнштейна.

Дело в том, что открытое в 1911 году Эрнестом Резерфордом (годы жизни 1871-1937) планетарное строение атома, при котором электроны, открытые, в свою очередь, в 1897 году Джозефом Джоном Томсоном (годы жизни 1856-1940), вращаются вокруг массивного ядра, вызывало больше вопросов, чем давало внятных ответов. Как устроены атомы? Что удерживает электроны на орбите в их вращении вокруг атомного ядра? Почему электроны, теряя энергию в виде света или иного электромагнитного излучения, не падают на поверхность ядра? Они же теряют при этом энергию, значит, силы, удерживающие электроны на орбите, должны постепенно уменьшаться, а электрон должен вращаться вокруг ядра по спирали? А если это не так, то почему? Что удерживает электроны на орбитах? И являются ли эти орбиты постоянными? Этот парадокс, доставшийся в наследство от классической физики, требовал объяснения. В противном случае слишком многое оставалось непонятным.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк (годы жизни 1858-1947) выдвинул предположение, что электромагнитное излучение, испускаемое горячим веществом, идет не сплошным потоком, а вполне определенными дискретными порциями энергии. Назвав в 1905 году эти единицы квантами, Альберт Эйнштейн распространил данную теорию на электронную эмиссию, возникающую при поглощении света некоторыми металлами (это явление называется «фотоэлектрическим эффектом»). Применяя новую квантовую теорию к проблеме строения атома, Нильс Бор предположил, что электроны обладают некоторыми разрешенными устойчивыми орбитами, на которых они не излучают энергию. Только в случае, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, он приобретает или теряет энергию, причем величина, на которую изменяется энергия, точно равна энергетической разности между двумя орбитами. Идея, что частицы могут обладать лишь определенными орбитами, была абсолютно новой, поскольку, согласно классической теории, их орбиты могли располагаться на любом расстоянии от ядра, подобно тому, как планеты могли бы в принципе вращаться по любым орбитам вокруг Солнца.

Теория Бора была необычной, противоречила законам классической физики, но она многое объясняла. Она, например, помогла понять суть разделения спектров элементов. Когда свет от светящегося элемента (например, нагретого газа, состоящего из атомов водорода) проходит через призму, он дает не непрерывный включающий все цвета спектр, а последовательность ярких линий, разделенных более широкими темными областями. Согласно теории Нильса Бора, каждая яркая цветная линия соответствует свету, излучаемому электронами, когда они переходят с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Бор вывел формулу для частот линий в спектре водорода, в которой содержалась постоянная Планка. Частота, умноженная на постоянную Планка, равна разности энергий между начальной и конечной орбитами, между которыми совершают переход электроны. В 1913 году Бор опубликовал свою теорию, которая была принята и оценена научным сообществом и получила название «модель атома Бора».

Бор сформулировал два фундаментальных принципа, которые определили дальнейшее развитие квантовой механики -  принцип соответствия и принцип дополнительности. Принцип соответствия утверждает, что квантово-механическое описание макроскопического мира (то есть мира крупных физических объектов) должно соответствовать его описанию в рамках классической механики. Принцип дополнительности утверждает, что волновой и корпускулярный характер вещества и излучения представляют собой взаимоисключающие свойства, хотя оба эти представления являются необходимыми компонентами понимания природы. Волновое или корпускулярное поведение может проявиться в эксперименте определенного типа, однако смешанное поведение не наблюдается никогда.

Каждый школьник сегодня знает, что свет имеет и волновую и корпускулярную природу одновременно. Но как же было трудно понять и принять эту теорию в начале века. Сам Бор в своей Нобелевской лекции в 1922 году сказал, что приняв сосуществование двух очевидно противоречащих друг другу интерпретаций, мы вынуждены обходиться без визуальных моделей. То есть нам остаётся только принять, не пытаясь представить, на что же это похоже «в большом мире». Исследуя мир атома, сказал Бор, «мы должны быть скромными в наших запросах и довольствоваться концепциями, которые являются формальными в том смысле, что в них отсутствует столь привычная нам визуальная картина».

С открытиями Эйнштейна и Бора теоретическая физика окончательно сформировалась как отдельная наука. В сложнейших исследованиях тайн мироздания стало гораздо трудней использовать такой инструмент, как воображение. Помните – «если Солнце представить в виде мяча, то Земля будет песчинкой, отстоящей от этого мяча на миллион (или много миллионов) километров»? Как представить это миллион километров? Как вообразить то, что вообразить невозможно?

Но оставим в стороне основы теории атома Бора, и обратимся к личности этого выдающегося человека.

Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в Копенгагене в семье Кристиана Бора, профессора физиологии Копенгагенского университета, и Элен Бор (в девичестве Адлер). Нильс был старшим ребёнком, младшего брата Харальда в будущем тоже ждала судьба учёного – он стал выдающимся математиком. Благодаря отцу сыновья получили блестящее образование и интерес к наукам, а мать дала Нильсу и его брату то, что во взрослой жизни сделало учёных замечательными людьми с потрясающим чувством юмора и широкой душой.

В 1903 году Нильс закончил Гаммельхольмскую грамматическую гимназию. В те же годы оба Бора-младших славились как отчаянные футболисты и просто хорошо развитые в спортивном плане ребята. В 1907 году Нильс Бор закончил Копенгагенский университет. Его диплом, посвящённый определению поверхностного натяжения воды по вибрации водяной струи, был отмечен золотой медалью Датской королевской академии наук. В 1911 году в том же университете Бор получает первую научную степень. Докторская диссертация, посвящённая исследованию поведения электронов в металлах, принесла ему репутацию очень одарённого физика-теоретика.

После защиты диссертации Бор целый год провёл в Англии – в лабораториях Томсона и Резерфорда. Летом 1912 года Бор вернулся в родной университет, чтобы занять должность ассистент-профессора. В том же году он женился на Маргарет Норлунд, подарившей супругу шесть сыновей. И снова Бор, как его отец, постарался привить сыновьям интерес к наукам и развить их способности. И, следует признать, это ему удалось в полной мере. Его сын, а потом и коллега Оге Бор (родился в 1922 году) тоже стал и известнейшим физиком и… лауреатом Нобелевской премии 1975 года! И, представьте себе, тоже за исследование строения атома, точнее – за разработку модели атомного ядра. (Ну, как здесь снова ни вспомнить династию Беккерелей?)

С 1914 по 1916 год Нильс Бор работал у Резерфорда, который моментально оценил значение работ датского физика. Но в 1916 году Бор вернулся в Копенгаген, в свой университет, где специально для него была создана должность профессора. В 1920 году Бор создал Институт теоретической физики в родном Копенгагене. Этот институт он возглавлял до конца жизни, исключая только годы войны, когда ему пришлось покинуть родину, спасаясь от преследований фашистов (кстати, вместе с сыном – сначала в Швецию, а потом и в Англию, в пустом бомбовом отсеке английского бомбардировщика).

Как и Эйнштейн, Бор прилагал огромные усилия, стремясь остановить гонку ядерных вооружений. Но безуспешно… А вот что говорил о Нильсе Боре Альберт Эйнштейн. «Что удивительно привлекает в Боре как ученом-мыслителе, так это редкий сплав смелости и осторожности. Мало кто обладал такой способностью интуитивно схватывать суть скрытых вещей, сочетая это с обостренным критицизмом. Он, без сомнения, является одним из величайших научных умов нашего века».

Его не стало 18 ноября 1962 года, в Копенгагене. Высокий, сильный, энергичный, гостеприимный, очень доброжелательный к людям, с удивительно острым чувством юмора человек – таким Бор остался в памяти современников.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru