Великие ученые и их открытия: Жизнь и творчество Нильса Хенрика Давида Бора

     Но  после Макса Планка и Альберта Эйнштейна, а в некотором отношении и наряду с ними следует назвать и по достоинству оценить исследователя, который открыл новые пути в атомной физике, стал учителем двух поколений физиков-атомщиков и чья модель атома стала символом атомного века – Нильса Бора.

     Гениальный датский физик принадлежит к числу самых известных исследователей современности. Среди значительных ученых, работавших в области точного естествознания, он был в философском отношении наиболее оспариваемым мыслителем после Эйнштейна. Его «принцип дополнительности», одно из удивительных достижений диалектического мышления, критиковали с различных точек зрения, используя различные аргументы.

     Период, предшествовавший появлению работы Бора об атоме водорода (1913), оказавшей  столь значительное влияние на развитие теоретической физики, был отмечен рядом важных физических открытий и изобретений.

     В 1911 году Вильсон создал «туманную  камеру», ставшую вскоре незаменимым  устройством для исследования атомов и атомных частиц. Камера Вильсона позволила наблюдать траектории элементарных частиц и доказала реальность их столкновений, которые становились видимыми в виде разветвлений и внезапных изменений направления движения В том же году Резерфорд открыл атомное ядро и создал модель атома, послужившую исходной точкой научно обоснованной теории атома. Год спустя Лауэ открыл интерференцию рентгеновских лучей, дав тем самым науке такое средство исследования, которое имело величайшее значение для расцвета атомной физики.

     В этих условиях начал свою научную  деятельность молодой датский физик. Появление его статьи об атоме водорода стало, как писал Джеймс Франк, «днем рождения современной теории атома». Этой и последующими работами Бор положил начало теоретическому пониманию механизма атома. Для этого необходим был свободный от предубеждений подход к явлениям микромира, требовалась большая смелость и необычайная сила духа для выдвижения и разработки новой точки зрения.

БИОГРАФИЯ

Главное, чтобы работало,

а веришь ты в это или нет — не важно

Н. Бор 

     Нильс Хе́нрик Дави́д Бор (дат. Niels Henrik David Bohr) родился 7 октября 1885 в Копенгагене.

     Бор - датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Член Датского королевского общества (1917) и его президент с 1939. Был членом более чем 20 академий наук мира, в том числе иностранным почётным членом АН СССР (1929; членом-корреспондентом — с 1924). Известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики. Также он внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

2.1. Молодость. Теорема Бора — ван Лёвен

Копенгаген. Дом Давида и Дженни Адлеров (дедушка и бабушка по материнской линии) на Вед Странден, 14, где родился Нильс Бор.

     Нильс Бор родился в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора (1858—1911), дважды становившегося кандидатом на Нобелевскую премию по физиологии и медицине, и Эллен Адлер (1860—1930), дочери влиятельного и весьма состоятельного еврейского банкира и парламентария-либерала Давида Баруха Адлера. Родители Бора поженились в 1881 году.

     В школе Нильс проявлял явную склонность к физике и математике, а также к философии. Этому способствовали регулярные визиты коллег и друзей отца — философа Харальда Гёффдинга, физика Кристиана Кристиансена, лингвиста Вильгельма Томсена. Близким другом и одноклассником Бора в этот период был его троюродный брат, известный в будущем гештальт-психолог Эдгар Рубин. Именно он привлёк Бора к изучению философии.

     Другим  увлечением Бора был футбол. Нильс и его брат Харальд (впоследствии ставший известным математиком) выступали за любительский клуб «Академиск». В дальнейшем Харальд успешно играл в сборной Дании и выиграл в её составе «серебро» на Олимпиаде-1908, где датская команда уступила в финале англичанам.

     В 1903 году Нильс Бор поступил в Копенгагенский университет, где изучал физику, химию, астрономию, математику. Вместе с братом он организовал студенческий философский кружок, на котором его участники поочерёдно выступали с докладами. В университете Нильс Бор выполнил свои первые работы по исследованию колебаний струи жидкости для более точного определения величины поверхностного натяжения воды. Теоретическое исследование в 1906 году было отмечено золотой медалью Датского королевского общества. В последующие годы оно было дополнено экспериментальными результатами, полученными Бором в физиологической лаборатории отца, и опубликовано по представлению корифеев тогдашней физики Рамзая и Рэлея.

     В 1910 Бор получил степень магистра, а в мае 1911 защитил докторскую диссертацию по классической электронной теории металлов. В своей диссертационной работе Бор, развивая идеи Лоренца, доказал важную теорему классической статистической механики, согласно которой магнитный момент любой совокупности элементарных электрических зарядов, движущихся по законам классической механики в постоянном магнитном поле, в стационарном состоянии равен нулю. В 1919 эта теорема была независимо переоткрыта Йоханной ван Лёвен и носит название теоремы Бора — ван Лёвен. Из неё непосредственно следует невозможность объяснения магнитных свойств вещества (в частности, диамагнетизма), оставаясь в рамках классической физики. Это, видимо, стало первым столкновением Бора с ограниченностью классического описания, подводившим его к вопросам квантовой теории.

2.2. Бор в Англии. Теория Бора

     В 1911 Бор получил стипендию в размере 2500 крон от фонда Карлсберга для стажировки за границей. В сентябре 1911 он прибыл в Кембридж, чтобы работать в Кавендишской лаборатории под руководством знаменитого Дж. Дж. Томсона. Однако сотрудничество не сложилось: Томсона не заинтересовал молодой датчанин, с ходу указавший на ошибку в одной из его работ и к тому же плохо изъяснявшийся на английском. Впоследствии Бор так вспоминал об этом:

Я был разочарован, Томсона не заинтересовало то, что его вычисления оказались неверными. В этом была и моя  вина. Я недостаточно хорошо знал английский и потому не мог  объясниться… Томсон был гением, который, на самом деле, указал путь всем… В целом, работать в Кембридже было очень интересно, но это было абсолютно бесполезным занятием.

     В итоге в марте 1912 Бор переехал в Манчестер к Эрнесту Резерфорду, с которым незадолго до того познакомился. В 1911 Резерфорд по итогам своих опытов опубликовал планетарную модель атома. Бор активно включился в работу по этой тематике, чему способствовали многочисленные обсуждения с работавшим тогда в Манчестере известным химиком Георгом Хевеши и с самим Резерфордом. Исходной идеей было то, что свойства элементов определяются целым числом — атомным номером, в роли которого выступает заряд ядра, который может изменяться в процессах радиоактивного распада. Первым применением резерфордовской модели атома для Бора стало рассмотрение в последние месяцы своего пребывания в Англии процессов взаимодействия альфа- и бета-лучей с веществом. Летом 1912 Бор вернулся в Данию.

     1 августа 1912 в Копенгагене состоялась свадьба Бора и Маргарет Норлунд, сестры близкого друга Харальда — Нильса Эрика Норлунда, с которой он познакомился в 1909. Во время свадебного путешествия в Англию и Шотландию Бор с супругой посетили Резерфорда в Манчестере. Бор передал ему свою подготовленную к печати статью «Теория торможения заряженных частиц при их прохождении через вещество» (она была опубликована в начале 1913). Вместе с тем было положено начало тесной дружбе семей Боров и Резерфордов. Общение с Резерфордом оставило неизгладимый отпечаток (как в научном, так и в личностном плане) на дальнейшей судьбе Бора, который спустя много лет писал:

Очень характерным для  Резерфорда был благожелательный интерес, который  он проявлял ко всем молодым физикам, с которыми ему  приходилось долго  или коротко иметь  дело. <…> для меня Резерфорд стал вторым отцом.

     По  возвращении в Копенгаген Бор преподавал в университете, в то же время интенсивно работая над квантовой теорией строения атома. Первые результаты содержатся в черновике, посланном Резерфорду ещё в июле 1912 и носящем название «резерфордовского меморандума». Однако решающие успехи были достигнуты в конце 1912 — начале 1913. Ключевым моментом стало знакомство в феврале 1913 с закономерностями расположения спектральных линий и общим комбинационным принципом для частот излучения атомов. Впоследствии сам Бор говорил:

Как только я увидел формулу Бальмера, весь вопрос стал мне немедленно ясен.

     В марте 1913 Бор послал предварительный  вариант статьи Резерфорду, а в  апреле съездил на несколько дней в Манчестер для обсуждения своей  теории. Итогом проведённой работы стали три части революционной статьи «О строении атомов и молекул», опубликованные в журнале «Philosophical Magazine» в июле, октябре и декабре 1913 и содержащие квантовую теорию водородоподобного атома. В теории Бора можно выделить два основных компонента: общие утверждения (постулаты) о поведении атомных систем, сохраняющие своё значение и всесторонне проверенные, и конкретная модель строения атома, представляющая в наши дни лишь исторический интерес. Постулаты Бора содержат предположения о существовании стационарных состояний и об излучательных переходах между ними в соответствии с представлениями Планка о квантовании энергии вещества. Модельная теория атома Бора исходит из предположения о возможности описания движения электронов в атоме, находящемся в стационарном состоянии, на основе классической физики, на которое накладываются дополнительные квантовые условия (например, квантование углового момента электрона). Теория Бора сразу же позволила обосновать испускание и поглощение излучения в сериальных спектрах водорода, а также объяснить (с поправкой на приведённую массу электрона) наблюдавшиеся ранее Чарлзом Пикерингом и Альфредом Фаулером водородоподобные спектры с полуцелыми квантовыми числами как принадлежащие ионизированному гелию. Блестящим успехом теории Бора стало теоретическое получение значения постоянной Ридберга.