Fortællingen om superfunner Niels Bohr, der fandt forbindelsen mellem Rutherford-atom, Fraunhofer-linjerne og Planck-kurven

Fortællingen om superfunner Niels Bohr, der fandt forbindelsen mellem Rutherford-atom, Fraunhofer-linjerne og Planck-kurven

Nick. Gorkavyy
"Science and Life" №1, 2016

Andre videnskabelige fortællinger Nick. Gorky se i "Science and Life" № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, nr. 11, 2011, nr. 6, 2012, nr. 7, 2012, nr. 8, 2012, nr. 9, 2012, nr. 10, 2012, nr. 12, 2012, nr. 1, 2013, nr. 11, 2013, nr. 1, 2014, nr. 2, 2014, nr. 3, 2014, nr. 7, 2014, nr. 8, 2014, nr. 10, 2014, nr. 12, 2014, nr. 1, 2015, nr. 4, 2015, nr. 5, 2015, nr. 6, 2015, nr. 7, 2015, nr. 9, 2015.

"Rumsdetektiver" – en ny bog af Nikolai Nikolaevich Gorkavy, en forfatter, doktor i fysiske og matematiske videnskaber. Hendes figurer er bekendt med læserne af sci-fi-trilogien "Astrovityanka" og videnskabelige fortællinger offentliggjort i tidsskriftet 2010-2014. og i № 1, 4, 5, 6, 7, 9 2015

Nobelspristageren Niels Bohr. 1922. Foto: Wikimedia Сommons / PD

"De mørke striber i solspektret, opdaget af Josef Fraunhofer, syntes super-mystiske", så begyndte prinsessen Dzintars nye aftenhistorie. Børnene, Galatea og Andrew, ventede stille.

– Alt var uforståeligt: ​​hvor kom de fra; hvorfor de er mørke, ikke lyse; hvorfor nogle linjer er mørkere end andre, og hvad bestemmer deres placering i spektret. Sandt nok havde hver spektrallinie sin egen klare bølgelængde.*. Ved første øjekast syntes det, at de mørke linjer i solspektret var tilfældigt placeret. Forskerne søgte dog konstant efter mønstre i dem – og fandt dem! De spektrale linjer forbundet med hydrogen, bølgelængden kunne beskrive en simpel matematisk formel.

Flere forskere har opdaget en række spektrale linjer: den schweiziske matematiker Johann Balmer, den amerikanske fysiker Theodor Lyman og den tyske fysiker Friedrich Paschen. Derefter opsummerede den svenske forsker Johann Rydberg alle serierne af hydrogenlinjer og afledte en generel formel, der beskriver bølgelængden λ for hydrogen og hydrogenlignende atomer:

1 λ = R 1 n 2 – 1 k 2.

Ifølge denne formel afhænger bølgelængden af ​​heltalene n og k. hvis n = 1, og skift derefter k fra 2 til ∞ giver en række Lyman spektrale linjer; til n = 2 og for k fra 3 til ∞ blev Balmer-serien opnået; n = 3 og k fra 4 til ∞ svarede til Paschen linjer. Numerisk konstant R blev beregnet ved at sammenligne beregninger ved hjælp af Rydberg formel med det reelle spektrum.

Hvorfor følger linjerne i hydrogenspektret nøje nøjagtige numeriske relationer? Der var ikke noget svar på dette spørgsmål, og atomfysikere tog sin søgning.

– Er der nogen forbindelse mellem Fraunhofer-linjerne og radioaktive stoffer? – Andrew var overrasket

Dzintar smilede:

– Ved første øjekast, nej. Fraunhofer linjer – sollys refraheret i et glasprisme. Rutherfords atomfysik – højspænding, vakuumpumper og farlige radioaktive stoffer, der skal indhegnes med blyplader.Ikke desto mindre var der den nærmeste og på samme tid super-mystiske forbindelse mellem dem, og kun superhunker kunne åbne den

– plads! – sat i Galatea

– Det er rigtigt. Og sådan en super bjørn blev fundet. Han var en af ​​sønnerne af professor i fysiologi ved Københavns Universitet, Christian Bohr. Hans navn var Nils, og han havde en bror, Harald. Hans universitetsmedarbejdere samledes ofte i sin fars hus og havde lange akademiske diskussioner. Christian Bohrs børn var heldige nok til at høre filosofen Harald Goeffdings kontrovers, sprogforskeren Wilhelm Thomsen, fysikeren Christian Christiansen og hans egen far, en biolog. Måske var det takket være sådanne samtaler af smarte og alsidige mennesker, at Nils erhvervede en fantastisk synsvidde og mod til at tænke. Han studerede fysik og matematik så godt, at han i skole kritiserede fysik lærebogen for, at visse spørgsmål blev fortolket dårligt. Men her blev værkerne til ham med vanskeligheder og nogle gange bestod af kun to eller tre sætninger.

På Københavns Universitet, hvor Niels Bohr kom ind i 1903, blev han anset for en "tung student". Da noget eksploderede i laboratoriet, sagde kemi-læreren Bjerrum uden selv at vende sit hoved mod synderen, med en kontrast: "Dette er Bor."

I 1910 tog Nils sin eksamen fra universitetet, modtog en kandidatgrad og i maj 1911 forsvarede han sin doktorsafhandling. I samme år modtog en ung talentfuld fysiker et tilskud på 2500 kroner til praktik i udlandet og gik til England til det berømte Cavendish Laboratory til Joseph George Thomson. Den unge mand hylede – han kom til den legendariske Cambridge, hvor Newton og Darwin, Maxwell og Rayleigh arbejdede. Men Bohr kunne ikke lide Thomson. Den unge dansker begyndte ved at give sin nye leder et genoptryk af en artikel af Thomson selv, hvor han omhyggeligt noterede alle sine fejl.

– Dårlig start! – grin Andrei.

– Et år senere flyttede Bohr til Manchester til Ernest Rutherford, der åbnede sit eget laboratorium. Niels tog seriøst Rutherfords planetmodel af atomet, der endnu ikke havde modtaget en matematisk beskrivelse. Han troede, at det på grund af dets grund er muligt at lave en detaljeret teori om atomet, mens Rutherford selv, en ren eksperimentator, troede at flere eksperimentelle data skulle akkumuleres.

Niels Bohr med sin bride Margret under engagementet. 1910. Foto fra arkivet fra Institut for Teoretisk Fysik Niels Bohr. Foto: Generalstabens Litografiska Anstalt Stockholm / Wikimedia Commons

Midt i refleksion og kontrovers med Rutherford om dette emne blev Bohr tvunget til at forlade Manchester,fordi i København den 1. august 1912 blev hans bryllup arrangeret med den smukke pige Margret Norlund – søster til hans bror Haralds nære ven. Efter brylluppet skulle de nygifte rejse til Norge. Men Bohr besluttede at kombinere sine videnskabelige og personlige interesser og overtalte Margrethe til at gå til Skotland og besøge Rutherford på vej. Først blev de unge i Cambridge, hvor Nils færdiggjorde en ny artikel i løbet af en uge. Margret skrev det under mandens diktat og samtidig reglerne for hans ubetydelige engelsk. Fra Cambridge gik de til Manchester, afleverede artiklen til Rutherford, og først da lavede de en to ugers bryllupsrejse i Skotland.

I efteråret 1912 blev Bohr ansat som freelance lærer ved Københavns Universitet, selvom han uden tvivl fortjente en højere stilling. I løbet af året skrev den unge fysiker og offentliggjorde tre artikler, som senere blev grundlaget for atomfysikken. Bohr forbinder ikke kun atomstrukturen og Fraunhofer-linjen, han introducerede også i sin teori ved første øjekast Planck-kurven, ret langt fra disse begreber, der beskrev det kontinuerlige spektrum af både fjerne stjerner og lyspærer (se"Science and Life", nr. 7, 2015, "Tales of Max Planck, som i lyset af lyspæren har fundet sin permanente").

– Hvordan har han gjort det? – undrede Galatea. – Kombiner atom Rutherford, Fraunhofer linjer og Plancks lyspære kurve?

– I almindelighed ved ingen, hvordan en strålende idé kommer i tankerne, der forener flere forskellige fysiske begreber. Boru lykkedes uden tvivl: han postulerede to signifikante forskelle i Rutherfords planetariske model af atomet for hydrogen, hvor der kun var en elektron fra modellen af ​​det virkelige solsystem. For det første indførte Bohr et forbud mod den frie ordning af kredsløb i et atom. Han konkluderede, at hvis i solsystemet systemet kan rotere i nogen baner, så i atomet er et sæt elektronbaner stift specificeret. Den anden forskel var, at elektronerne i atomet fik en hidtil uset frihed: hvis de virkelige planeter, der havde valgt en omgang på fødslen, var forældet kædet til det, så kunne elektronerne i Bohr-atomet hoppe fra bane til kredsløb som fugle fra øret på aborre!

– Fugle på æsler – det er smukt! – hilste galatea

– Ja, det er svært at forestille sig, at Jupiter hopper først til Mars bane og hopper derefter på et besøg i Neptunus! – smilede Andrew.

– Evnen til at ændre kredsløb er blevet en fundamental forskel mellem en elektron i et atom og en planets adfærd i et rigtigt planetarisk system. Bohr foreslog, at elektronen frigiver en del energi i form af lys (elektromagnetisk stråling) ved at lave et spring fra den øvre bane til den nederste. Men det kan kun gå fra den nederste bane til den øverste, når den absorberes på samme måde som en del af ekstern stråling. Bohr multiplicerede frekvensen af ​​denne stråling af Plancks konstant og opnåede den energi, som han betragtes som forskellen i energier mellem kredsløbene. Således forklarede han uventet eksistensen af ​​en række spektrale linjer af Balmer og Lyman og afledte endda Rydbergs formel, idet han udtrykte Rydberg-konstanten med hensyn til de grundlæggende fysiske konstanter.

Niels Bohr på sit kontor. 1935. Foto: Wikimedia Сommons / PD

– Jeg forstår ikke, hvordan han kunne forklare eksistensen af ​​spektrale linjer? – Galatea var foruroliget.

– Forestil dig et dusin zherdochochek. Vi vil tildele det første nummer til bunden, den anden fra den anden til den anden og så videre op til nummeret 10. Lad de lykkelige små titmusser springe langs disse perler. Hver fugles hoppe ned giver stråling af en bestemt bølgelængde – det vil sige en spektral linje.Jo større afstanden mellem ørestykker er, desto større strålingsenergi og, ifølge Plancks formel, desto mindre er bølgelængden. Forestil dig at på pits med tal fra 2 til 10 sidder på fuglen. Lad hver af dem hoppe på en tom, lavere bane nummereret på nummer 1. Dette vil give en stråling af en vis længde og generere en række ultraviolette linjer – Lyman serien. Hvis fuglene, der sidder i kredsløb fra 3. til 10. spring, ikke til den første, men til den anden bane, så bliver strålingsenergien mindre – Balmer-serien fra det synlige område. Hvis vi tvinge fuglene fra baner fra 4. til 10. for at hoppe ind i kredsløb nummer 3, så får vi en infrarød serie af Paschen linjer.

– Så dette er ikke et planetært, men den blå model af atomet er opnået! – joked galatea

"Hvis en mængde passende energi flyver forbi vores perches, vil fuglen kunne fange den og flyve op til en højere fortabelse. Sådan kvantet af lys fanget i et atom vil føre til udseendet af mørke linjer fra Frahofer på baggrund af et kontinuerligt spektrum.

Efter at have overvejet Rydberg-formlen i lyset af modellen af ​​Bohr-atomet, vil vi se det nummer n vil være nummeret på den kredsløb, som fugleelektronerne hopper over, og k – Antallet af kredsløbet, hvorpå disse elektroner sad før hoppet. Selvfølgelig er antallet af elektronbaner ikke begrænset til ti – der er uendeligt mange af dem, men de alle adlyder Rydberg-formlen og Bohrs regler.

Interessant nok skrev Bor i begyndelsen af ​​1913 til Rutherford og hans venske ungarske kemiker György de Heveshi (han betragtes som en pioner inden for brug af radioaktive isotoper i biologisk forskning), som ikke beregner frekvenserne af de observerede spektrale linjer. Men i foråret samme år kom en bog over Borus øjne, hvor spredningslinjens love blev populært forklaret, og Balmer-formlen blev givet. Efter at have læst det indså Bohr, at regelmæssigheden af ​​placeringen af ​​spektrallinjerne er nøglen til at forstå atomets struktur. Derefter mindede Bohr, at så snart han så Balmer-formlen, syntes han at have gået på ham, og det blev straks klart for ham.

– Ligesom det: Jeg så og forstod? sagde galatea utroligt

– Selvfølgelig ikke! Det er nødvendigt at tænke lang og hårdt over problemet, så det kan løses ved pludselig indsigt.

Den nye teori om Niels Bohr modsatte klassisk fysik. Ifølge teorien om James Maxwell (se"Science and Life", nr. 1, 2015, "James Maxwells tal og hans manuelle daemon"), ladede partikler spinde i en cirkel, skal konstant udstråle energi. Bashr hævdede Plancks kvantteori, og argumenterede for, at i elektroniske stråler i elektroniske stråler ikke udstråler energi, og kun når kredsløbsændringer kan udsende og absorbere visse dele af energi – lyskvanta. Bohr viste at det er ved kvantificering af energi, at atomet og de elektroniske strukturer er bygget i det. Så Plancks teori, der forklarer udslippet af stjerner og pærer, viste sig at være sandt for de mest delikate intra-atomiske processer.

Rutherford reagerede med interesse for Bohr-modellen, selv om han straks bemærkede, at den ikke var fri for modsætninger, da den var baseret på både Plancks kvanteide og klassiske mekanik. Han skrev til Bor:

Dine tanker om årsagerne til hydrogenspektret er meget kloge og synes godt gennemtænkte, men kombinationen af ​​Plancks ideer med den gamle mekanik skaber betydelige vanskeligheder for at forstå, hvad der er grundlaget for denne overvejelse. Jeg opdagede et alvorligt problem med din hypotese, hvor du uden tvivlfuldt ud klar over det består af følgende: Hvordan kan en elektron vide, med hvilken frekvens skal den svinge, når den går fra en stationær tilstand til en anden? Det forekommer mig, at du er tvunget til at antage, at elektronen ved på forhånd, hvor det vil stoppe.

Albert Einstein og Niels Bohr. Bruxelles, 1930. Foto: Wikimedia Сommons / PD

Sådanne førende forskere som Joseph John Thomson og John William Rayleigh accepterede ikke Bohrs nye ideer. Lord Rayleigh talte utålmodigt om Bohrs arbejde: "Jeg så på det, men jeg kan ikke se, hvordan det kan være nyttigt for mig. Jeg formoder ikke at sige, at opdagelser ikke bliver gjort på denne måde. Måske bliver de færdige. Men det passer mig ikke." Og Albert Einstein sagde: "Hvis alt dette er rigtigt, så er her slutningen af ​​fysikken." Meget senere, der hilste Bohrs model, skrev Einstein: "Det forekom mig altid et mirakel, at denne tøvende og fuldstændige modsigelse af fundamentet viste sig at være tilstrækkeligt til at tillade Bohr, en mand med genial intuition og en subtil følelse at finde de vigtigste love af spektrallinjer og elektronskaller af atomer, herunder deres betydning for kemi. Det forekommer mig at være et mirakel lige nu. Det er den højeste musikalitet inden for tankeområdet. "

Mange andre fremtrædende forskere, som James Jeans og Hendrik Lorenz, blev straks interesseret i den nye teori: hun forklarede meget elegant udseendet af spektrale linjer af hydrogen og hydrogenlignende atomer.

I midten af ​​september 1913 blev der afholdt en videnskabelig konference i England, der bragte Thomson, Rayleigh, Marie Curie, Jeans, Lorenz og andre berømte fysikere sammen. Diskussionen blev udført hovedsagelig omkring Bohrs nyligt offentliggjorte artikler. James Jeans i sin indledende rapport bemærkede: "Dr. Bohr ankom til et yderst vittig, originalt og, man kan sige, overbevisende fortolkning af spredte linjer." Som svar på publikums skepsis udtalte højttaleren stærkt: "En vigtig bekræftelse af rigtigheden af ​​disse antagelser er, at de handler i praksis."

Interessen for Bohrs teori, desværre, ændrede ikke noget i en ung lærer mere end beskeden stilling. I marts 1914 skrev Bor med bitterhed til sin svenske ven: "Den stilling, jeg holder, giver ikke noget laboratorium til mig … Mine opgaver er reduceret til lægefysik til læger og har intet at gøre med videnskabelig forskning, jeg har ingen mulighed for at få elever eller assistenter. "Yderligere rapporterer Bohr, at han søger at åbne en ledig stilling til en lærer i teoretisk fysik, men "fakultetet modsætter sig konstant etableringen af ​​denne stilling."

500 danske sedler med et portræt af Niels Bohr

Niels Bohr var imidlertid ikke kun en strålende forsker, men også en fremragende arrangør. I flere år overvandt han det danske videnskabs konservatisme og opnåede tildeling af midler til oprettelsen af ​​sit eget moderne laboratorium. Instituttet for teoretisk fysik i København i mange årtier er bygget op af Bohrs indsats og er blevet tyngdepunktet for teoretiske fysikere og bærer nu hans navn. I 1922 blev Boru tildelt Nobelprisen i fysik, og det kemiske element nummer 107, der blev opnået i 1976 i Dubna, blev opkaldt efter ham.

Niels Bohr Institut for Teoretisk Fysik i København. Foto: Wikimedia Сommons / PD

Niels Bohr havde sine egne ideer om de dristige videnskabelige teorier. En gang på et seminar fortalte han den berømte fysiker Wolfgang Pauli, som skitserede en ny teori: "Vi tror alle, at din teori er sindssyg. Det eneste der bekymrer os er, om det er sindssygt nok til at være korrekt."Og den sovjetiske fysiker Lev Landau talte på samme måde om Bor selv: "Han havde en fuldstændig frygtløshed af det nye, selv den mest utrolige og fantastiske ved første øjekast … Han havde en evigt ung hjerne."

Niels Bohr og hans elev Lev Landau på Archimedes Day festivalen ved Moscow State University Physics Department. 1961. Foto I. I. Popova / Wikimedia Сommons

Niels Bohr gik ned i historien som en mand, der formåede at trænge ind i naturens vigtigste hemmelighed og forbinde strukturen af ​​et lille atom og strålingen af ​​kæmpestjerner. Han overførte broen fra den gamle klassiske fysiks kyst til kysten af ​​et nyt ukendt land – kvantefysik. På denne bro skyndte en hær af unge forskere, som i flere år skabte et kvantesbillede af verden. Nu kaldes denne stormfulde periode den videnskabelige revolution.

Johann Balmer (1825-1898) – schweizisk matematiker og fysiker. I 1885 afledte han en formel, der beskriver placeringen af ​​de spektrale linjer af hydrogen i det synlige område. Denne serie af linjer blev kendt som Balmer-serien.

Niels Bohr (1885-1962) – Dansk teoretisk fysiker, en af ​​grundlæggerne af moderne fysik. Vinder af Nobelprisen fra 1922.

Theodore Lyman (1874-1954) – amerikansk fysiker, der opdagede i 1906 sammen med Viktor Schumann (1841-1913), en række ultraviolette hydrogenlinjer (Lyman serien).

Lev Landau (1908-1968) – Sovjet teoretisk fysiker. Vinder af Nobelprisen fra 1962.Han betragtes som en elev af Bohr, med hvem han arbejdede i København.

Hendrik Lorenz (1853-1928) – Nederlandsk teoretisk fysiker, Nobelprisvinder 1902.

Wolfgang Pauli (1900-1958) – tysk fysiker, en af ​​grundlæggerne af kvantemekanik. Vinder af Nobelprisen fra 1945.

Friedrich Paschen (1865-1947) – tysk fysiker, der i 1908 opdagede en infrarød serie af brintlinjer (Paschen-serien).

Johann Rydberg (1854-1919) – en svensk fysiker, der opnåede en generel formel, der beskriver bølgelængderne for alle serier af spektrale linjer af hydrogen og hydrogenlignende atomer.

Josef Fraunhofer (1787-1826) – tysk fysiker, der fik verdensomspændende anerkendelse for sine præstationer inden for optik, især til fremstilling og fremstilling af optiske instrumenter og opdagelsen af ​​absorptionslinjer i solspektret.

György de Hevesy (1885-1966) – Ungarsk kemiker, en af ​​opdagerne af det kemiske element hafnium. Vinder af Nobelprisen fra 1943.


* Husk: Lys er en elektromagnetisk bølge, hvis længde kan defineres som afstanden mellem to kamme nærmest hinanden.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: