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 физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора (1858—1911), дважды становившегося кандидатом на Нобелевскую премию по физиологии и медицине, и Эллен Адлер (1860—1930).

 

В школе Нильс проявлял явную склонность к физике и математике, а также к философии. В 1903 году Нильс Бор поступил в Копенгагенский университет, где изучал физику, химию, астрономию, математику. 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 (1907—1909) .

 

В 1910 Бор получил степень магистра, а в мае 1911 защитил докторскую диссертацию по классической электронной теории металлов. 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. 

 

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. 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.

 

По возвращении в Копенгаген Бор преподавал в университете, в то же время интенсивно работая над квантовой теорией строения атома. 

 

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 «PhilosophicalMagazine» 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.

 

Работа Бора сразу привлекла внимание физиков и стимулировала бурное развитие квантовых представлений. 

 

Весной 1914 Бор был приглашён Резерфордом заменить Чарлза Дарвина, внука знаменитого естествоиспытателя, в качестве лектора по математической физике в Манчестерском университете (Шустеровская школа математической физики)Он оставался в Манчестере с осени 1914 до лета 1916. В это время он пытался распространить свою теорию на многоэлектронные атомы, однако скоро зашёл в тупик.

 

В 1914 Бор сумел частично объяснить расщепление спектральных линий в эффектах Штарка и Зеемана, однако ему не удалось получить расщепление более чем на две компоненты. В этом проявилась ограниченность круговых орбит, рассматриваемых в его теории. Преодолеть её стало возможно лишь после того, как в начале 1916 Арнольд Зоммерфельд сформулировал обобщённые квантовые условия, ввёл три квантовых числа для орбиты электрона и объяснил тонкую структуру спектральных линий, учтя релятивистские поправки. Бор сразу же занялся коренным пересмотром своих результатов в свете этого нового подхода.

 

Летом 1916 Бор окончательно вернулся на родину и возглавил кафедру теоретической физики в Копенгагенском университете. В апреле 1917 он обратился к датским властям с просьбой о выделении финансов на строительство нового института для себя и своих сотрудников. 3 марта 1921, после преодоления множества организационных и административных трудностей, в Копенгагене был наконец открыт Институт теоретической физики, носящий ныне имя своего первого руководителя (институт Нильса Бора).

 

В 1918 в статье «О квантовой теории линейчатых спектров» Бор сформулировал количественно так называемый принцип соответствия, связывающий квантовую теорию с классической физикой. Начиная с 1918, принцип соответствия стал в руках Бора мощным средством для получения новых результатов:

• он позволил, следуя представлениям о коэффициентах Эйнштейна, определить вероятности переходов и, следовательно, интенсивности спектральных линий;
• получить правила отбора (в частности, для гармонического осциллятора);
• дать интерпретацию числу и поляризации компонент штарковского и зеемановского расщеплений.

Впоследствии Бор дал чёткую формулировку принципу соответстви. Принцип соответствия сыграл огромную роль и при построении последовательной квантовой механики. Именно из него исходил в 1925 Вернер Гейзенберг при построении своей матричной механики. В общефилософском смысле этот принцип, связывающий новые знания с достижениями прошлого, является одним из основных методологических принципов современной науки.

 

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). В 1922 Бору была присуждена Нобелевская премия по физике «за заслуги в изучении строения атома». В своей лекции «О строении атомов», 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. 

 

Новой теорией стала квантовая механика, которая была создана в 1925—1927 годах в работах Вернера Гейзенберга, Эрвина Шрёдингера, Макса Борна, Поля Дирака.

 

Над вопросами физической интерпретации квантовой механики размышлял в это время Бор. Итогом стала концепция дополнительности, которая была представлена на конгрессе памяти Алессандро Вольты в Комо в сентябре 1927. Исходным пунктом в эволюции взглядов Бора стало принятие им в 1925 дуализма волна — частица. 

 

Именно корпускулярно-волновой дуализм был положен Бором в основу интерпретации теории. Идея дополнительности, развитая в начале 1927 во время отпуска в Норвегии, отражает логическое соотношение между двумя способами описания или наборами представлений, которые, хотя и исключают друг 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. Иными словами, в микромире нет состояний, в которых объект имел бы одновременно точные динамические характеристики, принадлежащие двум определённым классам, взаимно исключающим друг друга, что находит выражение в соотношении неопределённостей Гейзенберга.

 

Принцип дополнительности лёг в основу так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механикии анализа процесса измерения  характеристик 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 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.

 

Через месяц после конгресса в Комо, на пятом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, начались знаменитые дискуссии Бора и Эйнштейна об интерпретации квантовой механики. Спор продолжился в 1930 на шестом конгрессе, а затем возобновился с новой силой в 1935 после появления известной работы Эйнштейна, Подольского и Розена о полноте квантовой механики. Дискуссии не прекращались до самой смерти Эйнштейна, порой принимая ожесточённый характер. Впрочем, участники никогда не переставали относиться друг к другу с огромным уважением.

 

Хотя Бор так и не сумел убедить Эйнштейна в своей правоте, эти обсуждения и решения многочисленных парадоксов позволили Бору чрезвычайно улучшить ясность своих мыслей и формулировок, углубить понимание квантовой механики.

 

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 не только научного (например, Резерфорд), но и политического мира (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. Всего у Нильса и Маргарет было шестеро детей. Один из них, Оге Бор, также стал выдающимся физиком, лауреатом Нобелевской премии.

 

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. 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 компаунд-ядра. Это позволило применить статистический подход к описанию поведения ядер, что позволило вычислить сечения ряда реакций, а также интерпретировать распад составного ядра в терминах испарения частиц.

 

Однако такая простая картина имеет место лишь при больших расстояниях между резонансами (уровнями ядра), то есть при малых энергиях возбуждения. Одновременно с представлением о составном ядре Бор (совместно с Ф. Калькаром) предложил рассматривать коллективные движения частиц в ядрах, противопоставив их картине независимых нуклонов. Такие колебательные моды жидкокапельного типа находят отражение в спектроскопических данных (в частности, в мультипольной структуре ядерного излучения). Идеи о поляризуемости и деформациях ядер были положены в основу обобщённой (коллективной) модели ядра, развитой в начале 1950-х годов Оге Бором, Беном Моттельсоном и Джеймсом Рейнуотером.

 

Велик вклад Бора в объяснение механизма деления ядер, при котором происходит освобождение огромных количеств энергии. Деление было экспериментально обнаружено в конце 1938 Отто Ганом и Фрицем Штрассманом и верно истолковано Лизе Мейтнер и Отто Фришем во время рождественских каникул. Бор узнал об их идеях от Фриша, работавшего тогда в Копенгагене, перед самым отъездом в США в январе 1939. В Принстоне совместно с Джоном Уилером он развил количественную теорию деления ядер, основываясь на модели составного ядра и представлениях о критической деформации ядра, ведущей к его неустойчивости и распаду. Для некоторых ядер эта критическая величина может быть равна нулю, что выражается в распаде ядра при сколь угодно малых деформациях. Теория позволила получить зависимость сечения деления от энергии, совпадающую с экспериментальной. Кроме того, Бору удалось показать, что деление ядер урана-235 вызывается «медленными» (низкоэнергетичными) нейтронами, а урана-238 — быстрыми.

 

После прихода к власти в Германии нацистов Бор принял активное участие в устройстве судьбы многих учёных-эмигрантов, которые переехали в Копенгаген. 

 

После оккупации Дании в апреле 1940 года возникла реальная опасность ареста Бора в связи с его полуеврейским происхождением. Тем не менее, он решил оставаться в Копенгагене, пока это будет возможно, чтобы гарантировать защиту института и своих сотрудников от посягательств оккупационных властей. В октябре 1941 Бора посетил Гейзенберг, в то время руководитель нацистского атомного проекта. 

 

К осени 1943 оставаться в Дании стало невозможно, поэтому Бор вместе с сыном Оге был переправлен силами Сопротивления сначала на лодке в Швецию, а оттуда на бомбардировщике в Англию, при этом они едва не погибли. В Великобритании и США, куда он вскоре переехал, учёный включился в работу над созданием атомной бомбы и участвовал в ней вплоть до июня 1945.

 

Вместе с тем, уже начиная с 1944, Бор осознавал всю опасность атомной угрозы. В своём меморандуме на имя президента Рузвельта (3 июля 1944) он призвал к полному запрещению использования ядерного оружия, к обеспечению строгого международного контроля за этим и, в то же время, к уничтожению всякой монополии на мирное применение атомной энергии. Впоследствии он направил в адрес руководителей США ещё два меморандума — от 24 марта 1945 и от 17 мая 1948. Бор пытался донести свои мысли до Черчилля и Рузвельта и при личных встречах с ними, однако безрезультатно. Более того, эта деятельность, а также приглашение приехать на время войны в Советский Союз, полученное от Петра Капицы в начале 1944, привели к подозрениям в шпионаже в пользу СССР.

В 1950 Бор опубликовал открытое письмо ООН, настаивая на мирном сотрудничестве и свободном обмене информацией между государствами как залоге построения «открытого мира». В дальнейшем он неоднократно высказывался на эту тему, своим авторитетом подкрепляя призывы к миру и предотвращению угрозы ядерной войны.

 

В последние годы Бор занимался, в основном, общественной деятельностью, выступал с лекциями в различных странах, писал статьи на философские темы. Непосредственно в области физики в 1940—1950-х годах он продолжал заниматься проблемой взаимодействия элементарных частиц со средой. Сам Бор считал принцип дополнительности своим самым ценным вкладом в науку. Он пытался расширить его применение на другие области человеческой деятельности — биологию, психологию, культуру, много размышляя о роли и значении языка в науке и жизни.

 

Скончался Нильс Бор 18 ноября 1962 от сердечного приступа. Урна с его прахом находится в семейном склепе в Копенгагене.

 

Бор создал крупную международную школу физиков и многое сделал для развития сотрудничества между физиками всего мира. С начала 1920-х годов Копенгаген стал «центром притяжения» для наиболее активных физиков: большинство создателей квантовой механики (Гейзенберг, Дирак, Шрёдингер и другие) в то или иное время там работали, их идеи выкристаллизовывались в продолжительных изнурительных беседах с Бором. Большое значение для распространения идей Бора имели его визиты с лекциями в различные страны. Так, большую роль в истории науки сыграли семь лекций, прочитанных Бором в июне 1922 в Гёттингенском университете (так называемый «Боровский фестиваль»). Именно тогда он познакомился с молодыми физиками Вольфгангом Паули и Вернером Гейзенбергом, учениками Зоммерфельда.

 

В дальнейшем связь группы Бора с гёттингенской группой, руководимой Максом Борном, не прерывалась и дала множество выдающихся научных результатов. Естественно, весьма сильны были связи Бора с кембриджской группой, которую возглавлял Резерфорд: в Копенгагене в разное время работали Чарлз Дарвин, Поль Дирак, Ральф Фаулер, Дуглас Хартри, НевиллМотт и другие. В своём институте Бор принимал также советских учёных, многие из которых работали там подолгу. Он неоднократно приезжал в СССР, последний раз в 1961.

 

К школе Нильса Бора можно отнести  таких учёных, как ХендрикКрамерс, Оскар Клейн, Лев Ландау, Виктор Вайскопф, Леон Розенфельд, Джон Уилер, Феликс Блох, Оге Бор, Хендрик Казимир, ЁсиоНисина, КристианМёллер, Абрахам Пайс и многих других. 

 

Память

• С 1965 Копенгагенский институт теоретической физики носит название «институт Нильса Бора». Стоит отметить, что после смерти его основателя и бессменного руководителя Институт возглавил Оге Бор (до 1970).
• В 1963 и 1985 в Дании были выпущены марки с изображением Нильса Бора.
• 105-й элемент таблицы Менделеева (дубний), открытый в 1970, до 1997 был известен как нильсборий. В этом же году было утверждено название борий для 107-го элемента, открытого в 1981.
• Имя Бора носит астероид 3948, открытый в 1985.
• В 1997 Датский национальный банк выпустил в обращение банкноту достоинством 500 крон с изображением Нильса Бора.

Награды

• Нобелевская премия по физике (1922); 
• Медаль Маттеуччи (1923);
•  Медаль имени Макса Планка (1930); 
• Медаль Копли (1938); Орден Слона (1947); 
• Премия «За мирный атом» (1957)
• Почётные учёные степени Кембриджского, Манчестерского, Оксфордского, Эдинбургского, Сорбоннского, Принстонского, Гарвардского университетов, университета Макгилла, Рокфеллеровского центра и др.

 

 

 

 

Литература

Нильс Бор [Электронный ресрс]: сайт.-Наука.- .-URLhttps://science.wikia.org/ru/wiki/Нильс_Бор

 

• Назад
• Вперёд