Нильс Бор Нильс Хе нрик Дави д Бор (7 октября 1885, Копенгаген — 18 ноября 1962, Копенгаген) — датский физикнрик 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; членомкорреспондентом — с 1924). Бор 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. Нильс Бор родился в семье профессора Копенгагенского университета Христиана Бора (и Эллен Адлер, дочери влиятельного банкира. В школе Нильс проявлял явную склонность к физике и математике, а также к 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[3]. В 1903 году Нильс Бор поступил в Копенгагенский университет, где изучал физику, химию, астрономию, математику. . В университете Нильс Бор выполнил свои первые работы. Теоретическое исследование в 1906 году было отмечено золотой медалью Датского королевского общества. В 1910 Бор получил степень магистра, а в мае 1911 защитил докторскую диссертацию по классической электронной теории металлов[7]. 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 (англ. ). Из неё непосредственно следует невозможность объяснения магнитных свойств вещества (в частности, диамагнетизма), оставаясь в рамках классической физики[9]. Это, видимо, стало первым столкновением Бора с ограниченностью классического описания, подводившим его к вопросам квантовой теории.
Содержание n n n n Теория Бора Достоинства теории Бора Недостатки теории Бора Дальнейшее развитие теории. Принцип соответствия (1916— 1923) Становление квантовой механики. Принцип дополнительности (1924— 1930) Ядерная физика (1930 -е годы) Полуклассическая теория Бора
Теория Бора разработана Нильсом Бором в 1913 г. и представляет собой первую квантовую теорию атома водорода, позволившую объяснить дискретность уровней энергии и вывести формулу для частот спектральных линий.
Достоинства теории Бора n n n Объяснила дискретность энергетических состояний водородоподобных атомов. Теория Бора подошла к объяснению внутриатомных процессов с принципиально новых позиций, стала первой полуквантовой теорией атома. Эвристическое значение теории Бора состоит в смелом предположении о существовании стационарных состояний и скачкообразных переходов между ними. Эти положения позднее были распространены и на другие микросистемы.
Недостатки теории Бора Не смогла объяснить интенсивность спектральных линий. n Справедлива только для водородоподобных атомов и не работает для атомов, следующих за ним в таблице Менделеева. n Теория Бора логически противоречива: не является ни классической, ни квантовой. В системе двух уравнений, лежащих в её основе, одно — уравнение движения электрона — классическое, другое — уравнение квантования орбит — квантовое. Теория Бора являлась недостаточно последовательной и общей. Поэтому она в дальнейшем была заменена современной квантовой механикой, основанной на более общих и непротиворечивых исходных положениях. Сейчас известно, что постулаты Бора являются следствиями более общих квантовых законов. Но правила квантования типа широко используются и в наши дни как приближенные соотношения: их точность часто бывает очень высокой. n
Дальнейшее развитие теории. Принцип соответствия (1916— 1923) Принцип соответствия сыграл огромную роль и при построении последовательной квантовой механики. Именно из него исходил в 1925 Вернер Гейзенберг при построении своей матричной механики[29]. В общефилософском смысле этот принцип, связывающий новые знания с достижениями прошлого, является одним из основных методологических принципов современной науки[29]. В 1921— 1923 в ряде работ Бору впервые удалось дать на основе своей модели атома, спектроскопических данных и общих соображений о свойствах элементов объяснение периодической системы Менделеева, представив схему заполнения электронных орбит (оболочек, согласно современной терминологии)[30]. Правильность интерпретации периодической таблицы была подтверждена открытием в 1922 нового элемента гафния Дирком Костером и Георгом Хевеши, работавшими в то время в Копенгагене[31]. Как и предсказывал Бор, этот элемент оказался близок по своим свойствам к цирконию, а не к редкоземельным элементам, как думали ранее[32]. В 1922 Бору была присуждена Нобелевская премия по физике «за заслуги в изучении строения атома» [33]. В своей лекции «О строении атомов» [34], прочитанной в Стокгольме 11 декабря 1922, Бор подвёл итоги десятилетней работы. Однако было очевидно, что теория Бора в своей основе содержала внутреннее противоречие, поскольку она механически объединяла классические понятия и законы с квантовыми условиями. Кроме того, она была неполной, недостаточно универсальной, так как не могла быть использована для количественного объяснения всего многообразия явлений атомного мира. Например, Бору совместно с его ассистентом Хендриком Крамерсом так и не удалось решить задачу о движении электронов в атоме гелия
Становление квантовой механики. Принцип дополнительности (1924— 1930) Новой теорией стала квантовая механика, которая была создана в 1925— 1927 годах в работах Вернера Гейзенберга, Эрвина механика, 1925— Гейзенберга, Шрёдингера, Макса Борна, Поля Дирака[36]. Вместе с тем, основные идеи квантовой механики, несмотря на её Шрёдингера, Борна, Дирака[36]. формальные успехи, в первые годы оставались во многом неясными. Для полного понимания физических основ квантовой механики было необходимо связать её с опытом, выявить смысл используемых в ней понятий (ибо использование классической терминологии уже не было правомерным), то есть дать интерпретацию её формализма. Именно над этими вопросами физической интерпретации квантовой механики размышлял в это время Бор. Итогом стала концепция дополнительности, которая была представлена на конгрессе памяти Алессандро Вольты в Комо дополнительности, в сентябре 1927[37]. Исходным пунктом в эволюции взглядов Бора стало принятие им в 1925 дуализма волна — частица. 1927[37]. частица. До этого Бор отказывался признавать реальность эйнштейновских квантов света (фотонов), которые было трудно (фотонов), согласовать с принципом соответствия[38], что вылилось в совместную с Крамерсом и Джоном Слэтером статью, в соответствия[38], которой было сделано неожиданное предположении о несохранении энергии и импульса в индивидуальных микроскопических процессах (законы сохранения принимали статистический характер). Однако эти взгляды вскоре были опровергнуты опытами Вальтера Боте и Ганса Гейгера[39]. Именно корпускулярно-волновой дуализм был положен Бором Гейгера[39]. Именно в основу интерпретации теории. Идея дополнительности, развитая в начале 1927 во время отпуска в Норвегии[40], отражает логическое соотношение между двумя способами описания или наборами представлений, которые, хотя и исключают друга, оба необходимы для исчерпывающего описания положения дел. Сущность принципа неопределённости состоит в том, что не может возникнуть такой физической ситуации, в которой оба дополнительные аспекта явления проявились бы одновременно и одинаково отчётливо[41]. Иными словами, в микромире нет состояний, в отчётливо[41]. которых объект имел бы одновременно точные динамические характеристики, принадлежащие двум определённым классам, взаимно исключающим друга, что находит выражение в соотношении неопределённостей Гейзенберга. Следует отметить, что на формирование идей Бора, как он сам признавал, повлияли философско-психологические изыскания Сёрена Кьеркегора, Харальда Гёффдинга и Уильяма Джемса[42]. Принцип дополнительности лёг в основу так Кьеркегора, Джемса[42]. называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики[43] и анализа процесса измерения[44] характеристик механики[43] измерения[44] микрообъектов. Согласно этой интерпретации, заимствованные из классической физики динамические характеристики микрочастицы (её координата, импульс, энергия и др. ) вовсе не присущи частице самой по себе. Смысл и определённое координата, импульс, значение той или иной характеристики электрона, например, его импульса, раскрываются во взаимосвязи с классическими объектами, для которых эти величины имеют определённый смысл и все одновременно могут иметь определённое значение (такой классический объект условно называется измерительным прибором). Роль принципа дополнительности оказалась столь существенной, что Паули даже предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности» по аналогии с теорией относительности[45]. Через месяц после конгресса в Комо, на пятом относительности[45]. Через Комо, Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, начались знаменитые дискуссии Бора и Эйнштейна об интерпретации квантовой Брюсселе, механики[46]. Спор продолжился в 1930 на шестом конгрессе, а затем возобновился с новой силой в 1935 после механики[46]. появления известной работы[47] Эйнштейна, Подольского и Розена о полноте квантовой механики. Дискуссии не работы[47] прекращались до самой смерти Эйнштейна[48], порой принимая ожесточённый характер Эйнштейна[48],
Ядерная физика (1930 -е годы) n n n В 1932 Бор с семьёй переехал в так называемый «Дом чести» , резиденцию самого уважаемого гражданина Дании, выстроенную основателем пивоваренной компании « Карлсберг» . Здесь его посещали знаменитости (например, Резерфорд), (королевская чета Дании, английская королева Елизавета, президенты и премьер-министры различных стран) В 1934 Бор пережил тяжёлую личную трагедию. Во время плавания на яхте в проливе Каттегат штормовой волной был смыт за борт его старший сын — 19 -летний Христиан; обнаружить его так и не удалось[52]. Всего у Нильса и Маргарет было шестеро детей. Один из них, Оге Бор, также стал выдающимся физиком, лауреатом Нобелевской премии (1975). В 1930 -е годы Бор увлёкся ядерной тематикой, переориентировав на неё свой институт: благодаря своей известности и влиянию он сумел добиться выделения финансирования на строительство у себя в Институте новых установок — циклотрона, ускорителя по модели Кокрофта — Уолтона, ускорителя ван-де-Граафа[53]. Сам он внёс в это время существенный вклад в теорию строения ядра и ядерных реакций. В 1936 Бор, исходя из существования недавно наблюдавшихся нейтронных резонансов, сформулировал фундаментальное для ядерной физики представление о характере протекания ядерных реакций: он предположил существование так называемого составного ядра ( «компаунд-ядра» ), то есть возбуждённого состояния ядра с временем жизни порядка времени движения нейтрона через него. Тогда механизм реакций, не ограничивающийся лишь нейтронными реакциями, включает два этапа: 1) образование составного ядра, 2) его распад. При этом две эти стадии протекают независимо друг от друга, что обусловлено равновесным перераспределением энергии между степенями свободы
Полуклассическая теория Бора n n n n Основана на двух постулатах Бора: Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн. Излучение и поглощение энергии атомом происходит при скачкообразном переходе из одного стационарного состояния в другое, при этом имеют место два соотношения: 1. где — излучённая (поглощённая) энергия, — номера квантовых состояний. В спектроскопии и называются термами. 2. Правило квантования момента импульса: Далее исходя из соображений классической физики о круговом движении электрона вокруг неподвижного ядра по стационарной орбите под действием кулоновской силы притяжения, Бором были получены выражения для радиусов стационарных орбит и энергии электрона на этих орбитах: м — боровский радиус. Лукачина Никита ученик э. В — энергетическая постоянная Ридберга школы № 582 9 а класса.
