Ein Experte ist eine Person, die alle Fehler gemacht hat, die in einem sehr engen Feld gemacht werden können.
Niels Henrik David Bohr war ein dänischer Physiker, der grundlegende Beiträge zum Verständnis der Atomstruktur und Quantentheorie leistete, wofür er 1922 den Nobelpreis für Physik erhielt. Bohr war auch ein Philosoph und ein Beförderer der wissenschaftlichen Forschung.
Bohr entwickelte das Bohr-Modell des Atoms, in dem er vorschlug, dass die Energieniveaus von Elektronen diskret sind und dass die Elektronen in stabilen Umlaufbahnen um den Atomkern kreisen, aber von einem Energieniveau oder einer Umlaufbahn zu einem anderen springen können. Obwohl das Bohr-Modell durch andere Modelle ersetzt wurde, bleiben seine zugrunde liegenden Prinzipien gültig. Er konzipierte das Prinzip der Komplementarität: dass Gegenstände separat in Bezug auf widersprüchliche Eigenschaften analysiert werden könnten, wie die Verhaltensweise als Welle oder als Teilchenstrom. Der Begriff der Komplementarität dominierte Bohrs Denken sowohl in der Wissenschaft als auch in der Philosophie.
Bohr gründete das Institut für Theoretische Physik an der Universität Kopenhagen, heute als Niels-Bohr-Institut bekannt, das 1920 eröffnet wurde. Bohr mentorierte und arbeitete mit Physikern zusammen, darunter Hans Kramers, Oskar Klein, George de Hevesy und Werner Heisenberg. Er sagte die Existenz eines neuen zirkoniumähnlichen Elements voraus, das Hafnium genannt wurde, nach dem lateinischen Namen für Kopenhagen, wo es entdeckt wurde. Später wurde das Element Bohrium nach ihm benannt.
In den 1930er Jahren half Bohr Flüchtlingen vor dem Nazismus. Nach der Besetzung Dänemarks durch die Deutschen hatte er ein berühmtes Treffen mit Heisenberg, der zum Leiter des deutschen Kernwaffenprojekts geworden war. Im September 1943 erreichte Bohr die Nachricht, dass er von den Deutschen verhaftet werden sollte, und er floh nach Schweden. Von dort wurde er nach Großbritannien geflogen, wo er sich dem britischen Tube Alloys-Kernwaffenprojekt anschloss und Teil der britischen Mission zum Manhattan-Projekt war. Nach dem Krieg forderte Bohr die internationale Zusammenarbeit zur Kernenergie. Er war an der Gründung des CERN und der Forschungseinrichtung Risø der dänischen Atomenergiebehörde beteiligt und wurde 1957 der erste Vorsitzende des Nordischen Instituts für Theoretische Physik.
Frühe Jahre
Bohr wurde am 7. Oktober 1885 in Kopenhagen, Dänemark, geboren, der zweite von drei Kindern von Christian Bohr, Professor für Physiologie an der Universität Kopenhagen, und Ellen Bohr geb. Adler, die die Tochter von David B. Adler aus der wohlhabenden dänischen jüdischen Adler-Bankiersfamilie war. Er hatte eine ältere Schwester, Jenny, und einen jüngeren Bruder Harald. Jenny wurde Lehrerin, während Harald Mathematiker und Fußballspieler wurde, der für die dänische Nationalmannschaft bei den Olympischen Sommerspielen 1908 in London spielte. Niels war auch ein leidenschaftlicher Fußballspieler, und die beiden Brüder spielten mehrere Spiele für den Kopenhagener Akademisk Boldklub Academic Football Club, wobei Niels als Torwart tätig war.
Bohr besuchte die Gammelholm Latin School, ab er sieben Jahre alt war. 1903 immatrikulierte sich Bohr als Student an der Universität Kopenhagen. Sein Hauptfach war Physik, die er unter Professor Christian Christiansen, dem einzigen Professor für Physik der Universität zu diesem Zeitpunkt, studierte. Er studierte auch Astronomie und Mathematik unter Professor Thorvald Thiele und Philosophie unter Professor Harald Høffding, einem Freund seines Vaters.
1905 veranstaltete die Königlich Dänische Akademie der Wissenschaften und Künste einen Wettbewerb um eine Goldmedaille, um eine von Lord Rayleigh 1879 vorgeschlagene Methode zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten zu untersuchen. Dies beinhaltete die Messung der Oszillationsfrequenz des Radius eines Wasserstrahls. Bohr führte eine Reihe von Experimenten mit Hilfe des Labors seines Vaters in der Universität durch; die Universität selbst hatte kein Physiklabor. Um seine Experimente abzuschließen, musste er sein eigenes Laborglas herstellen und Reagenzgläser mit den erforderlichen elliptischen Querschnitten erstellen. Er ging über die ursprüngliche Aufgabe hinaus und führte Verbesserungen sowohl in Rayleighs Theorie als auch in seiner Methode ein, indem er die Viskosität des Wassers berücksichtigte und mit endlichen Amplituden anstatt nur unendlich kleinen Amplituden arbeitete. Sein Aufsatz, den er in letzter Minute einreichte, gewann den Preis. Später reichte er eine verbesserte Version des Papiers bei der Royal Society in London zur Veröffentlichung in den Philosophical Transactions der Royal Society ein.
der beiden Bohr-Brüder, um einen Master-Abschluss zu verdienen, den er im April 1909 in Mathematik erhielt. Niels brauchte weitere neun Monate, um seinen Abschluss in der Elektronentheorie von Metallen zu verdienen, einem Thema, das von seinem Betreuer Christiansen zugewiesen wurde. Bohr entwickelte anschließend seine Masterarbeit zu seiner viel größeren Doktorarbeit (dr. phil.) aus. Er recherchierte in der Literatur zu diesem Thema und entschied sich für ein Modell, das von Paul Drude postuliert und von Hendrik Lorentz ausgearbeitet wurde, in dem die Elektronen in einem Metall wie ein Gas behandelt werden. Bohr erweiterte Lorentz' Modell, konnte aber immer noch keine Phänomene wie den Hall-Effekt erklären, und kam zu dem Ergebnis, dass die Elektronentheorie die magnetischen Eigenschaften von Metallen nicht vollständig erklären konnte. Die Arbeit wurde im April 1911 angenommen, und Bohr führte seine formale Verteidigung am 13. Mai durch. Harald hatte sein Doktorat im Vorjahr erhalten. Bohrs Arbeit war bahnbrechend, zog aber außerhalb Skandinaviens wenig Aufmerksamkeit auf sich, da sie auf Dänisch geschrieben war, was zu dieser Zeit eine Anforderung der Universität Kopenhagen war. 1921 würde der niederländische Physiker Hendrika Johanna van Leeuwen unabhängig ein aus Bohrs Arbeit abgeleitetes Theorem entwickeln, das heute als Bohr-van-Leeuwen-Theorem bekannt ist.
1910 traf Bohr Margrethe Nørlund, die Schwester des Mathematikers Niels Erik Nørlund. Bohr kündigte seine Mitgliedschaft in der Kirche von Dänemark am 16. April 1912, und er und Margrethe heirateten in einer zivilen Zeremonie im Rathaus in Slagelse am 1. August. Jahre später verließ sein Bruder Harald die Kirche ähnlich, bevor er heiratete. Bohr und Margrethe hatten sechs Söhne. Der älteste, Christian, kam 1934 bei einem Bootsunfall ums Leben, und ein anderer, Harald, starb an Meningitis in der Kindheit. Aage Bohr wurde ein erfolgreicher Physiker und erhielt 1975 wie sein Vater den Nobelpreis für Physik. Hans , ein Chemieingenieur; und Ernest, ein Anwalt. Wie sein Onkel Harald wurde Ernest Bohr ein olympischer Sportler und spielte Feldhockey für Dänemark bei den Olympischen Sommerspielen 1948 in London.
Physik
Bohr-Modell
Im September 1911 reiste Bohr, unterstützt durch ein Stipendium der Carlsberg-Stiftung, nach England. Zu dieser Zeit war dies der Ort, an dem die meisten der theoretischen Arbeiten zur Struktur von Atomen und Molekülen durchgeführt wurden. Er traf J. J. Thomson vom Cavendish Laboratory und Trinity College, Cambridge. Er besuchte Vorlesungen über Elektromagnetismus von James Jeans und Joseph Larmor, und führte einige Forschungen über Kathodenstrahlen durch, konnte aber Thomson nicht beeindrucken. Er hatte mehr Erfolg mit jüngeren Physikern wie dem Australier William Lawrence Bragg und dem Neuseeländer Ernest Rutherford, dessen 1911 Rutherford-Modell mit kleinem Atomkern Thomsons Modell von 1904 mit Rosinen herausforderte. Bohr erhielt eine Einladung von Rutherford, sich an der Victoria University of Manchester einer postdoktoralen Arbeit zu widmen, wo Bohr George de Hevesy und Charles Galton Darwin traf, auf den Bohr sich bezog als „der Enkel des echten Darwin".
Bohr kehrte im Juli 1912 nach Dänemark zur Hochzeit zurück und reiste während seiner Flitterwochen durch England und Schottland. Bei seiner Rückkehr wurde er Privatdozent an der Universität Kopenhagen und hielt Vorlesungen über Thermodynamik. Martin Knudsen schlug Bohrs Namen für einen Dozenten vor, was im Juli 1913 genehmigt wurde, und Bohr begann dann, Medizinstudenten zu unterrichten. Seine drei Arbeiten, die später als „die Trilogie" berühmt wurden, wurden in Philosophical Magazine im Juli, September und November dieses Jahres veröffentlicht. Er passte Rutherfords Kernstruktur an Max Plancks Quantentheorie an und schuf so sein Bohr-Modell des Atoms.
Planetarische Modelle von Atomen waren nicht neu, aber Bohrs Behandlung war. Ausgehend von der Arbeit von Darwin von 1912 über die Rolle von Elektronen bei der Wechselwirkung von Alpha-Partikeln mit einem Atomkern entwickelte er die Theorie von Elektronen, die in Umlaufbahnen um den Atomkern reisen, wobei die chemischen Eigenschaften jedes Elements weitgehend durch die Anzahl der Elektronen in den äußeren Umlaufbahnen seiner Atome bestimmt werden. Er führte die Idee ein, dass ein Elektron von einer höherenergetischen Umlaufbahn zu einer niederenergetischen fallen könnte, wobei in diesem Prozess ein Quantum diskreter Energie emittiert wird. Dies wurde zur Grundlage für das, was heute als die alte Quantentheorie bekannt ist.
1885 hatte Johann Balmer seine Balmer-Serie entwickelt, um die sichtbaren Spektrallinien eines Wasserstoffatoms zu beschreiben:
wobei λ die Wellenlänge des absorbierten oder emittierten Lichts ist und RH die Rydberg-Konstante ist. Balmers Formel wurde durch die Entdeckung zusätzlicher Spektrallinien bestätigt, aber dreißig Jahre lang konnte niemand erklären, warum sie funktionierte. In der ersten Arbeit seiner Trilogie konnte Bohr sie aus seinem Modell ableiten:
wobei me die Masse des Elektrons ist, e ist seine Ladung, h ist Plancks Konstante und Z ist die Ordnungszahl des Atoms, 1 für Wasserstoff.
Die erste Hürde des Modells war die Pickering-Serie, Linien, die nicht in Balmers Formel passten. Als Alfred Fowler ihn darauf herausforderte, antwortete Bohr, dass sie durch ionisiertes Helium, Heliumatome mit nur einem Elektron, verursacht wurden. Das Bohr-Modell erwies sich auch für solche Ionen als funktionsfähig. Viele ältere Physiker, wie Thomson, Rayleigh und Hendrik Lorentz, mochten die Trilogie nicht, aber die jüngere Generation, einschließlich Rutherford, David Hilbert, Albert Einstein, Enrico Fermi, Max Born und Arnold Sommerfeld, sahen sie als Durchbruch. Die Akzeptanz der Trilogie war völlig auf ihre Fähigkeit zurückzuführen, Phänomene zu erklären, die andere Modelle behinderten, und Ergebnisse vorherzusagen, die später durch Experimente verifiziert wurden. Heute ist das Bohr-Modell des Atoms überholt, aber es ist immer noch das bekannteste Modell des Atoms, da es häufig in Physik- und Chemietexten der High School vorkommt.'
Bohr mochte das Unterrichten von Medizinstudenten nicht. Er beschloss, nach Manchester zurückzukehren, wo Rutherford ihm einen Job als Reader angeboten hatte, an Stelle von Darwin, dessen Amtszeit abgelaufen war. Bohr akzeptierte. Er nahm sich einen Urlaub von der Universität Kopenhagen, den er begann, indem er einen Urlaub in Tirol mit seinem Bruder Harald und seiner Tante Hanna Adler machte. Dort besuchte er die Universität Göttingen und die Ludwig-Maximilians-Universität München, wo er Sommerfeld traf und Seminare zur Trilogie abhielt. Der Erste Weltkrieg brach aus, während sie in Tirol waren, was die Rückreise nach Dänemark und Bohrs anschließende Reise mit Margrethe nach England, wo er im Oktober 1914 ankam, stark verkomplizierte. Sie blieben bis Juli 1916, bis zu welcher Zeit er zum Lehrstuhl für Theoretische Physik an der Universität Kopenhagen ernannt worden war, eine Position, die speziell für ihn geschaffen wurde. Seine Dozentschaft wurde gleichzeitig abgeschafft, daher musste er immer noch Physik für Medizinstudenten unterrichten. Neue Professoren wurden König Christian X. formal vorgestellt, der seine Freude ausdrückte, einen so berühmten Fußballspieler zu treffen.
Institut für Physik
Im April 1917 begann Bohr eine Kampagne zur Gründung eines Instituts für Theoretische Physik. Er gewann die Unterstützung der dänischen Regierung und der Carlsberg-Stiftung, und beträchtliche Beiträge kamen auch von der Industrie und privaten Spendern, von denen viele jüdisch waren. Die Gesetzgebung zur Gründung des Instituts wurde im November 1918 verabschiedet. Heute als Niels-Bohr-Institut bekannt, eröffnete es am 3. März 1921 mit Bohr als Direktor. Seine Familie zog in eine Wohnung im ersten Stock. Bohrs Institut diente in den 1920er und 1930er Jahren als Mittelpunkt für Forscher in der Quantenmechanik und verwandten Themen, als die meisten der weltweit besten bekannten theoretischen Physiker einige Zeit in seiner Gesellschaft verbrachten. Frühe Ankünfte waren Hans Kramers aus den Niederlanden, Oskar Klein aus Schweden, George de Hevesy aus Ungarn, Wojciech Rubinowicz aus Polen und Svein Rosseland aus Norwegen. Bohr wurde weithin als ihr angenehmer Gastgeber und hervorragender Kollege geschätzt. Klein und Rosseland produzieren die erste Veröffentlichung des Instituts noch bevor es eröffnete.
Das Bohr-Modell funktionierte gut für Wasserstoff, konnte aber komplexere Elemente nicht erklären. Bis 1919 war Bohr der Idee abgewandt, dass Elektronen um den Atomkern kreisten, und entwickelte Heuristiken, um sie zu beschreiben. Die Seltenerdelemente stellten ein besonderes Klassifizierungsproblem für Chemiker dar, da sie sich chemisch so ähnlich waren. Eine wichtige Entwicklung kam 1924 mit Wolfgang Paulis Entdeckung des Pauli-Ausschließungsprinzips, das Bohrs Modelle auf eine feste theoretische Grundlage stellte. Bohr war dann in der Lage zu erklären, dass das noch nicht entdeckte Element 72 kein Seltenerdelement war, sondern ein Element mit chemischen Eigenschaften ähnlich denen von Zirkonium. Er wurde sofort vom französischen Chemiker Georges Urbain herausgefordert, der behauptete, ein Seltenerdelement 72 entdeckt zu haben, das er
