נילס בוהר הוא פיזיקאי ודמות ציבורית דני, ממייסדי הפיזיקה המודרנית. הוא היה המייסד והראש של מכון קופנהגן לפיזיקה תיאורטית, מייסד בית הספר המדעי העולמי, וגם חבר זר באקדמיה למדעים של ברית המועצות. מאמר זה יסקור את סיפור חייו של נילס בוהר ואת הישגיו העיקריים.
Merit
הפיזיקאי הדני בוהר נילס ייסד את תורת האטום, המבוססת על המודל הפלנטרי של האטום, מושגים קוונטיים והנחות שהוצעו על ידו באופן אישי. בנוסף, בוהר זכור בזכות עבודתו החשובה על התיאוריה של גרעין האטום, תגובות גרעיניות ומתכות. הוא היה אחד המשתתפים ביצירת מכניקת הקוונטים. בנוסף להתפתחויות בתחום הפיזיקה, בוהר מחזיק במספר עבודות על פילוסופיה ומדעי הטבע. המדען נלחם באופן פעיל נגד האיום האטומי. בשנת 1922 הוענק לו פרס נובל.
ילדות
מדען העתיד נילס בוהר נולד בקופנהגן ב-7 באוקטובר 1885. אביו, כריסטיאן, היה פרופסור לפיזיולוגיה באוניברסיטה מקומית, ואמו, אלן, באה ממשפחה יהודית עשירה. לנילס היה אח צעיר יותר, האראלד. הורים ניסו לעשות את ילדותם של בניהם מאושרת ומלאת אירועים. חִיוּבִיהשפעת המשפחה, ובפרט האם, מילאה תפקיד מרכזי בפיתוח תכונותיהן הרוחניות.
Education
בוהר קיבל את השכלתו היסודית בבית הספר גמלהולם. במהלך שנות הלימודים שלו, הוא אהב כדורגל, ואחר כך - סקי ושייט. בגיל עשרים ושלוש סיים בוהר את לימודיו באוניברסיטת קופנהגן, שם נחשב לפיזיקאי מחקר מוכשר במיוחד. על פרויקט הגמר שלו על קביעת מתח הפנים של מים באמצעות תנודות של סילון מים, נילס זכה במדליית זהב מהאקדמיה המלכותית הדנית למדעים. לאחר שקיבל את השכלתו, הפיזיקאי השואף בור נילס נשאר לעבוד באוניברסיטה. שם הוא ביצע מספר מחקרים חשובים. אחד מהם הוקדש לתיאוריה האלקטרונית הקלאסית של מתכות והיווה את הבסיס לעבודת הדוקטורט של בוהר.
לחשוב מחוץ לקופסה
יום אחד, נשיא האקדמיה המלכותית, ארנסט רתרפורד, התבקש עזרה על ידי עמית מאוניברסיטת קופנהגן. האחרון התכוון להעניק לתלמידו את הציון הנמוך ביותר, כאשר לדעתו מגיע לו ציון "מצוין". שני הצדדים לסכסוך הסכימו להסתמך על חוות דעתו של צד שלישי, בורר מסוים, שהפך לרתרפורד. לפי שאלת הבחינה, התלמיד היה צריך להסביר כיצד ניתן להשתמש בברומטר כדי לקבוע את גובהו של בניין.
התלמיד ענה שבשביל זה צריך לקשור ברומטר לחבל ארוך, לטפס איתו לגג הבניין, להוריד אותו לקרקע ולמדוד את אורך החבל שירד. מצד אחד, התשובה הייתהנכון ושלם לחלוטין, אבל מצד שני, היה לו מעט במשותף עם הפיזיקה. ואז ראתרפורד הציע לתלמיד לנסות שוב לענות. הוא נתן לו שש דקות, והזהיר שהתשובה צריכה להמחיש הבנה של חוקים פיזיקליים. חמש דקות לאחר מכן, לאחר ששמע מהתלמיד שהוא בוחר בפתרונות הטובים ביותר, ביקש ממנו רתרפורד לענות לפני המועד. הפעם הציע התלמיד לעלות לגג עם ברומטר, לזרוק אותו למטה, למדוד את זמן הנפילה ובאמצעות נוסחה מיוחדת לברר את הגובה. תשובה זו סיפקה את המורה, אבל הוא ורתרפורד לא יכלו למנוע מעצמם את התענוג להאזין לשאר הגרסאות של התלמיד.
השיטה הבאה התבססה על מדידת גובה הצל של הברומטר וגובה הצל של הבניין, ולאחר מכן פתרון הפרופורציה. רתרפורד אהב את האפשרות הזו, והוא ביקש מהתלמיד בהתלהבות להדגיש את השיטות הנותרות. ואז התלמיד הציע לו את האפשרות הפשוטה ביותר. פשוט היה צריך לשים את הברומטר על קיר הבניין ולעשות סימנים, ואז לספור את מספר הסימנים ולהכפיל אותם באורך הברומטר. התלמיד האמין שבהחלט אסור להתעלם מתשובה ברורה שכזו.
כדי לא להיחשב לג'וקר בעיני מדענים, הסטודנט הציע את האפשרות המתוחכמת ביותר. לאחר שקשר חוט לברומטר, הוא אמר, אתה צריך להניף אותו בבסיס הבניין ועל הגג שלו, למדוד את עוצמת הכבידה. מההבדל בין הנתונים שהתקבלו, אם תרצה, תוכל לגלות את הגובה. בנוסף, על ידי הנפת מטוטלת על חוט מגג בניין, ניתן לקבוע את הגובה מתקופת הקדכה.
סוף סוף, סטודנטהציע למצוא את מנהל הבניין ובתמורה לברומטר נפלא לברר ממנו את הגובה. רתרפורד שאל אם התלמיד באמת לא יודע את הפתרון המקובל לבעיה. הוא לא הסתיר את מה שידע, אבל הודה שמאס בהכפיית צורת החשיבה שלו על ידי מורים על תלמידים, בבית הספר ובקולג', ובדחייתם של פתרונות לא סטנדרטיים. כפי שבטח ניחשתם, התלמיד הזה היה נילס בוהר.
עובר לאנגליה
לאחר שעבד באוניברסיטה במשך שלוש שנים, בוהר עבר לאנגליה. בשנה הראשונה הוא עבד בקיימברידג' עם ג'וזף תומסון, ולאחר מכן עבר לארנסט רתרפורד במנצ'סטר. המעבדה של רתרפורד באותה תקופה נחשבה למצטיינת ביותר. לאחרונה נערכו בו ניסויים שהולידו את גילוי המודל הפלנטרי של האטום. ליתר דיוק, הדגם היה אז עדיין בחיתוליו.
ניסויים במעבר חלקיקי אלפא דרך נייר הכסף אפשרו לרתרפורד להבין שבמרכז האטום יש גרעין טעון קטן, המהווה כמעט את כל המסה של האטום, ואלקטרוני אור נמצאים סביב זה. מכיוון שהאטום הוא נייטרלי מבחינה חשמלית, סכום המטענים של האלקטרונים חייב להיות שווה למודול המטען של הגרעין. המסקנה שהמטען של הגרעין הוא כפול של מטען האלקטרון הייתה מרכזית במחקר זה, אך עד כה נותרה לא ברורה. במקום זאת, זוהו איזוטופים - חומרים בעלי אותן תכונות כימיות אך מסות אטומיות שונות.
מספר אטומי של יסודות. חוק העקירה
בעבודה במעבדה של רתרפורד, בוהר הבין שתכונות כימיות תלויות במספראלקטרונים באטום, כלומר מהמטען שלו, לא ממסה, מה שמסביר את קיומם של איזוטופים. זה היה ההישג הגדול הראשון של בוהר במעבדה זו. מכיוון שחלקיק האלפא מתחבר לגרעין הליום עם מטען של +2, במהלך ריקבון אלפא (החלקיק עף החוצה מהגרעין), יש למקם את יסוד "הילד" בטבלה המחזורית שני תאים משמאל מאשר " אמא", ובמהלך ריקבון בטא (האלקטרון עף החוצה מהגרעין) - תא אחד מימין. כך נוצר "חוק העקירות הרדיואקטיביות". יתר על כן, הפיזיקאי הדני גילה מספר תגליות חשובות יותר שנוגעות לעצם המודל של האטום.
דגם Rutherford-Bohr
המודל הזה נקרא גם פלנטרי, מכיוון שבו האלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין, בדיוק כמו כוכבי הלכת סביב השמש. לדגם זה היו מספר בעיות. העובדה היא שהאטום בו היה לא יציב בצורה קטסטרופלית, ואיבד אנרגיה במאה מיליוניית השנייה. במציאות זה לא קרה. הבעיה שהתעוררה נראתה בלתי פתירה והצריכה גישה חדשה לחלוטין. כאן הוכיח את עצמו הפיזיקאי הדני בור נילס.
בוהר הציע שבניגוד לחוקי האלקטרודינמיקה והמכניקה, ישנם מסלולים באטומים הנעים לאורכם האלקטרונים אינם מקרינים. מסלול יציב אם התנע הזוויתי של אלקטרון שנמצא עליו שווה למחצית מהקבוע של פלאנק. קרינה מתרחשת, אבל רק ברגע המעבר של אלקטרון ממסלול אחד למשנהו. כל האנרגיה שמשתחררת במקרה זה נסחפת על ידי קוונט הקרינה. לקוונטי כזה יש אנרגיה השווה למכפלת תדר הסיבוב וקבוע של פלאנק, או ההפרש בין ההתחלה ל-האנרגיה הסופית של האלקטרון. לפיכך, בוהר שילב את עבודתו של רתרפורד ואת רעיון הקוונטה, שהוצע על ידי מקס פלאנק בשנת 1900. איחוד כזה סותר את כל הוראות התיאוריה המסורתית, ובו בזמן, לא דחה אותה לחלוטין. האלקטרון נחשב כנקודה חומרית הנעה על פי חוקי המכניקה הקלאסיים, אך רק אותם מסלולים הממלאים את "תנאי הקוונטיזציה" "מותרים". במסלולים כאלה, האנרגיות של אלקטרון עומדות ביחס הפוך לריבועים של מספרי המסלול.
גזירה מ"כלל התדירות"
בהתבסס על "כלל התדרים", בוהר הגיע למסקנה שהתדרים של הקרינה פרופורציונליים להפרש בין הריבועים ההפוכים של מספרים שלמים. בעבר, דפוס זה נקבע על ידי ספקטרוסקופים, אך לא מצא הסבר תיאורטי. התיאוריה של נילס בוהר אפשרה להסביר את הספקטרום של מימן לא רק (הפשוט שבאטומים), אלא גם הליום, כולל מיונן. המדען המחיש את השפעת תנועת הגרעין וחזה כיצד מתמלאות קליפות האלקטרונים, מה שאפשר לחשוף את הטבע הפיזי של המחזוריות של היסודות במערכת מנדלייב. על התפתחויות אלה, זכה בוהר בפרס נובל בשנת 1922.
מכון בוהר
לאחר השלמת עבודתו של רתרפורד, הפיזיקאי המוכר בוהר נילס חזר למולדתו, שם הוזמן ב-1916 כפרופסור באוניברסיטת קופנהגן. שנתיים לאחר מכן, הוא הפך לחבר בחברה הדנית המלכותית (בשנת 1939 עמד בראשה המדען).
בשנת 1920 ייסד בוהר את המכון לתיאורטיפיזיקה והפך למנהיג שלה. השלטונות של קופנהגן, מתוך הכרה ביתרונותיו של הפיזיקאי, סיפקו לו את הבניין של "בית הבירה" ההיסטורי עבור המכון. המכון עמד בכל הציפיות, ומילא תפקיד יוצא דופן בפיתוח הפיזיקה הקוונטית. ראוי לציין כי תכונותיו האישיות של בוהר מילאו תפקיד מכריע בכך. הוא הקיף את עצמו בעובדים וסטודנטים מוכשרים, שהגבולות ביניהם היו לרוב בלתי נראים. המכון של בוהר היה בינלאומי, אנשים ניסו ליפול אליו מכל מקום. בין האנשים המפורסמים של אסכולת בוהר נמנים: פ. בלוך, וו. וייסקופף, ה. קזימיר, או. בורה, ל. לנדאו, ג'יי ווילר ועוד רבים אחרים.
המדען הגרמני ורן הייזנברג ביקר בבוהר יותר מפעם אחת. בזמן שנוצר "עקרון אי הוודאות", ארווין שרדינגר, שהיה תומך בנקודת המבט הגלי גרידא, שוחח עם בוהר. הבסיס לפיזיקה חדשה מבחינה איכותית של המאה העשרים נוצר בבית הבירה לשעבר, אחד מדמויות המפתח בו היה נילס בוהר.
מודל האטום שהוצע על ידי המדען הדני והמנטור שלו רתרפורד לא היה עקבי. הוא איחד את ההנחות של התיאוריה הקלאסית והשערות שסתרו אותה בבירור. כדי לבטל את הסתירות הללו, היה צורך לשנות באופן קיצוני את ההוראות העיקריות של התיאוריה. היתרונות הישירים של בוהר, סמכותו בחוגים מדעיים והשפעתו האישית פשוט מילאו תפקיד חשוב בכיוון זה. עבודתו של נילס בוהר הראתה שכדי לקבל תמונה פיזית של עולם המיקרו, הגישה המשמשת בהצלחה ל"עולם הדברים הגדולים" אינה מתאימה, והיא הפכהאחד ממייסדי הגישה הזו. המדען הציג מושגים כמו "השפעה בלתי מבוקרת של נהלי מדידה" ו"כמויות נוספות".
תורת הקוונטים של קופנגן
הפרשנות ההסתברותית (המכונה קופנהגן) של תורת הקוונטים, כמו גם חקר ה"פרדוקסים" הרבים שלה, קשורה בשמו של המדען הדני. תפקיד חשוב כאן מילא הדיון של בוהר עם אלברט איינשטיין, שלא אהב את הפיזיקה הקוונטית של בוהר בפרשנות הסתברותית. "עקרון ההתכתבות", שנוסח על ידי המדען הדני, מילא תפקיד חשוב בהבנת דפוסי המיקרוקוסמוס והאינטראקציה שלהם עם הפיזיקה הקלאסית (הלא קוונטית).
נושא גרעיני
החל ללמוד פיזיקה גרעינית תחת רתרפורד, בוהר הקדיש תשומת לב רבה לנושאים גרעיניים. ב-1936 הוא הציע את התיאוריה של הגרעין המורכב, שהוליד במהרה את מודל הטיפה, שמילא תפקיד משמעותי בחקר הביקוע הגרעיני. בפרט, בוהר חזה את הביקוע הספונטני של גרעיני אורניום.
כשהנאצים כבשו את דנמרק, המדען נלקח בחשאי לאנגליה, ולאחר מכן לאמריקה, שם, יחד עם בנו אוגה, הוא עבד בפרויקט מנהטן בלוס אלמוס. בשנים שלאחר המלחמה הקדיש בוהר זמן רב לשאלות של שליטה על נשק גרעיני ושימוש שליו באטומים. הוא לקח חלק בהקמת המרכז למחקר גרעיני באירופה ואף הפנה את רעיונותיו לאו"ם. בהתבסס על העובדה שבוהר לא סירב לדון בהיבטים מסוימים של "פרויקט הגרעין" עם פיזיקאים סובייטים, הוא ראה בכך מסוכןהחזקת נשק גרעיני מונופול.
תחומי ידע אחרים
בנוסף, נילס בוהר, שהביוגרפיה שלו מתקרבת לסיומה, התעניין גם בנושאים הקשורים לפיזיקה, בפרט ביולוגיה. הוא התעניין גם בפילוסופיה של מדעי הטבע.
מדען דני מצטיין מת מהתקף לב ב-18 באוקטובר 1962 בקופנהגן.
מסקנה
נילס בוהר, שתגליותיו בהחלט שינו את הפיזיקה, נהנה מסמכות מדעית ומוסרית רבה. התקשורת איתו, אפילו חולפת, עשתה רושם בל יימחה על בני השיח. נאומו וכתיבתו של בוהר הראו שהוא בחר בקפידה את דבריו על מנת להמחיש את מחשבותיו בצורה מדויקת ככל האפשר. הפיזיקאי הרוסי ויטלי גינזבורג כינה את בוהר עדין וחכם להפליא.
