Нільс Бор – теоретик і практик науки

Нільс Бор

Нільс Бор, один з найвидатніших вчених XX століття, народився в Копенгагені 7 жовтня 1885 р. Протягом років, що передували першій світовій війні, він створив на основі нових квантових уявлень першу плідну модель, що описує будову і функціонування атомів, а в 20-ті роки першим застосував її для пояснення періодичної системи елементів Менделєєва. Радикально новий підхід зробив квантову теорію наріжним каменем сучасної фізики, а сам Бор зіграв вирішальну роль в розробці так званої «копенгагенської інтерпретації», яка і донині служить основою для перекладу квантово-механічних понять на повсякденну мову. Він брав участь в роботі над Манхеттенським проектом по створенню першої атомної бомби, проте в 50-х роках виступив за встановлення дієвого контролю над ядерною зброєю. За свою діяльність в галузі використання атомної енергії в мирних цілях він був названий в 1957 році першим лауреатом американської премії «Атоми на службі миру».

Бор виріс в родині вченого. Його батько, Крістіан Бор, був професором фізіології Копенгагенського університету, його молодший брат Харальд, який все життя залишався його другом, був видатним математиком, а син Нільса Бора, Oгe, змінив батька на посту директора Інституту теоретичної фізики в Копенгагені і так само, як і він, став згодом лауреатом Нобелівської премії з фізики.

На початку своєї наукової кар’єри Бор вражав не тільки блискучою обдарованістю, скільки завзятістю в роботі. Це проявилося в 1906 р., коли він здійснив ретельні вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу води, і пізніше – при вивченні поведінки електронів в металі, за що отримав в 1911 р. вчену ступінь доктора наук. І лише після завершення цієї роботи і переїзду спочатку в Кембриджський, а потім Манчестерський університет (березень 1912 р.) Бор почав проявляти характерний для нього підхід до вирішення наукових проблем.

Геніальність Бора – а в той час атомній фізиці, щоб зробити ривок вперед, необхідний був саме геній – полягала у вмінні поєднувати, здавалося б, несумісні ідеї, породжувані абсолютно різними джерелами, для створення моделі атома (набір рівнянь, що описує фізичну картину), яка хоча б приблизно відповідала тим уявленням, які виникали в процесі практичної роботи. Коли у Бора з’являлася загальна ідея, він міг «пограти» з різними припущеннями, щоб тісніше пов’язати їх одне з одним, і так до тих пір, поки не виходила більш повна картина. У 20-ті роки інакше, мабуть, і бути не могло, бо знання фізиків про атом були вкрай розрізненими і неповними.

Та й сам електрон, що є, як ми тепер знаємо, складовою часткою атома, був відкритий тільки в 1897 р., і лише в 1911 р. відомий фізик Ернест Резерфорд (1871-1937) на підставі експериментів, що проводилися в Манчестері, припустив, що кожен атом має невелике центральне ядро з позитивним зарядом, яке укладає в собі основну масу атома і оточене хмарою негативно заряджених частинок – електронів.

Наступні експерименти підтвердили його припущення – ядро дійсно становить всього лише одну стотисячну від загального обсягу атома. Зазвичай ядро, що має в поперечнику близько 10-13 см, укладено в електронному хмару з поперечником 10-8 см. Для порівняння уявіть собі міліметрову шпилькову головку в центрі купола собору св. Павла (діаметром 35 м), по стінах якого розташувалася хмара з мікроскопічних пилинок. Головка шпильки – це ядро, а порошинки – електрони. Як ми бачимо, атоми – це в основному незаповнений простір.

Але на початку 1912 р. запропонована Резерфордом модель атома була вельми суперечлива. Оскільки протилежні електричні заряди притягуються, фізики не могли пояснити чому електрони в атомі не падають на ядро, вивільняючи при цьому енергію у вигляді випромінювання. Саме в цей час у Манчестер приїжджає Нільс Бос, якого тягло туди бажання розгадати разом з Резерфордом і його колегами загадку атома.

Найпростіша модель атома, отримана Резерфордом, нагадувала структуру Сонячної системи: у центрі, на місці Сонця, розташоване ядро, a навколо нього, подібно до планет, обертаються по своїх орбітах електрони. Картина, звичайно, була дуже спрощеною, проте вона являла собою перший крок на шляху до пізнання атома. Відповідно до поглядів фізиків того часу, заряджені частинки, що обертаються навколо ядра повинні були випускати електромагнітну енергію (світло, рентгенівські промені або радіохвилі) і рухатися по спіралі всередину. Таким чином, модель мала явні недоліки. Бор вирішив дилему, розробивши на основі досягнень фізики того періоду зовсім іншу концепцію і застосувавши її до планетарної моделі атома Резерфорда.

В основу цієї концепції лягло відкриття, зроблене на рубежі XIX і XX століть німецьким фізиком Максом Планком (1858-1947), з якого випливало, що електромагнітне випромінювання (світлове чи інше) може випускати поглинатися атомом у вигляді дискретних порцій – квантів. Відповідно до квантової теорії вони можуть випускати тільки строго певні порції енергії, а для цього електрони повинні миттєво «перестрибувати» з однієї орбіти на іншу (як якби Марс небачено перестрибнув на орбіту Землі). Існують стійкі орбіти, стверджував Бор, відповідні фіксованим значенням енергії; їх можна порівняти зі сходами. Однак проміжних орбіт немає, і електрон може опуститися по спіралі на ядро, оскільки це має на увазі виділення дрібних порцій енергії.

Модель Бора містила, однак, ряд похибок. Ідея орбіт лежала на класичній фізиці, законах Ньютона, а ідея стійких станів електрона, які відповідають певним порцій енергії (що згодом отримали назву енергетичних рівнів), була запозичена з квантової фізики. Створення моделі, в якій суперечливо поєднувалися положення різних теорій, не прояснило особливостей функціонування атома, проте послужило необхідним відправним пунктом для наукової діяльності Бора протягом наступного десятиліття.

Успішна робота Бора тривала в Копенгагені, де данська влада створила для нього спеціальний інститут. У 1920 р. він став директором Інституту теоретичної фізики, який під його керівництвом перетворився в один з найбільших наукових центрів, де над проникненням в таємниці атома і кванта працювали фізики-теоретики з різних країн світу. На початку 20-х років Бор зробив своє найбільше відкриття, створивши теорію атома, яка давала, принаймні в загальних рисах, пояснення всієї хімічної науки.

У 60-х роках XIX ст. російський вчений Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907) розробив періодичну систему хімічних елементів, показавши, що вони можуть бути систематизовані в таблиці відповідно до величини їх атомної ваги, причому елементи, що володіють подібними властивостями, потрапляють в одні і ті ж вертикальні стовпці. Однак періодичний закон не пояснював, чому елементи з абсолютно різною атомною вагою мають аналогічні хімічні властивості. Відповідь на це питання дала розроблена Бором в роки після першої світової війни теорія атома. Для Бора і його сучасників було очевидно, що хімічні властивості атомів майже повністю залежать від числа наявних у них електронів. Кількість електронів в свою чергу пов’язана з числом протонів (позитивно заряджених частинок) в ядрі і, таким чином, з атомною масою. Але електрони самі по собі – це видиме «обличчя» атома, яке він виявляє світу, своєрідний «механізм» його взаємодії з іншими атомами. Тоді чому атом літію, що має 3 електрона, володіє подібними хімічними властивостями з атомом натрію, який має 11 електронів, і з атомом калію, що має 19 електронів?

І знову Бор, не чекаючи фундаментальних розробок, розвиває модель атома для пояснення результатів спостережень. Уявімо собі електронні орбіти, навколишні ядро не як планети – Сонце, а як щільно прилягаючі одна до одної шкурки цибулинного лушпиння. Внутрішня орбіта, або, кажучи словами Бора, «оболонка», може містити тільки два електрони. Бор не замислювався над причинами цього явища, для нього було досить того, що ця особливість його моделі відповідала спостережуваним проявам хімічних властивостей елементів. У наступній оболонці від ядра можуть розташовуватися вже вісім електронів. Тому атом, що має в своєму ядрі, наприклад, шість протонів і тому «потребує» шести електронів для нейтралізації свого електричного заряду, розташує два електрона у внутрішній оболонці і чотири – в другій. В атомі з 11 протонами (натрій) два електрона залишаються у внутрішній оболонці, вісім в другій, насиченій оболонці, а одинадцятий електрон йде в нову оболонку, третю від ядра.

Аналогічно іде справа з літієм, у якого два електрона знаходяться у внутрішній оболонці, а третій має свою власну оболонку. У калію буде вже три електронних оболонки (два, вісім і вісім електронів), а останній електрон виявиться у власній, четвертій оболонці.

З хімічної точки зору найважливішим у будові атома є число електронів у зовнішній оболонці. Розробляючи моделі електронних оболонок все більш і більш важких атомів, що містять все більше число електронів, Бор зумів дати пояснення зв’язків елементів у періодичній таблиці Менделєєва з точки зору їх атомної структури. І хоча у нього не було уявлення про те, чому оболонка з вісьмома електронами повинна бути насиченою і закритою для інших електронів, він використовував саме це явище для пояснення взаємодії і з’єднання атомів.

Бор не прагнув до суворих математичних доказів, він просто був впевнений, що явища повинні відбуватися саме так, а не інакше. У своїх «Автобіографічних записках», опублікованих в 1949 р., Ейнштейн писав про роботу Бора і ранній етап розвитку квантової теорії: «… Ця ненадійна і суперечлива основа дала такому чоловіку, як Бор, з його унікальною інтуїцією і обдарованістю, можливість відкрити основні закони спектральних ліній і електронних оболонок атомів і показати їх значення для хімічної науки; ця обставина здавалася і досі здається мені дивом».

У 1922 р. Бор отримав за цю роботу Нобелівську премію з фізики. Тоді ж було відкрито і названо гафнієм раніше невідомий елемент, існування якого, однак, передбачала його теорія атома. Але тільки в 1926-1927 рр. фізики змогли розробити тверду основу квантової теорії, відкривши зв’язки і закони, що пояснюють специфіку поведінки електронів і причини обмеженості їх числа в електронних оболонках атома. Висунуті в той час ідеї і до цього дня здаються фантастичними. Електрон з найменшої дрібниці перетворився в якусь цілісність, яка одночасно може бути і хвилею, і корпускулою. Будь-який експеримент, що ставить своїм завданням виявлення частинки, продемонструє, що електрон поводиться як корпускула, але поставте експеримент з метою визначення хвильових властивостей, і електрон поведеться як хвиля. Так що ж відбувається насправді?

До кінця 20-х років була створена закінчена теорія і розроблена система струнких рівнянь, що описують поведінку атомів, електронів і випромінювання. Єдина біда була в тому, що вона не піддавалася осмисленню. І знову на допомогу прийшов Бор. Тут і не треба шукати «сенсу», порадив він. Єдине, що нам достеменно відомо, – це результати експерименту, а поки ми в змозі їх передбачити, не варто турбуватися про поведінку частинок (або хвиль), коли ми за ними не спостерігаємо. Така – в дещо спрощеному вигляді – суть так званої «копенгагенської інтерпретації» квантової механіки, але спрощення це, зазначимо, дуже невелике.

Протягом більш ніж півстоліття після появи теорії Бора фізики використовують квантову механіку для пояснення поведінки молекул, в тому числі таких біологічних молекул, як ДНК, для проектування атомних електростанцій (і бомб), створення комп’ютерів, годинників на рідких кристалах і лазерів. І до цього дня ніхто точно не знає, що ж являють собою частинки квантового світу, що вони «роблять», коли з ними не експериментують. Однак результати всіх дослідів, проведених в останні п’ятдесят років, узгоджуються з передбаченнями квантової теорії.

Найбільше досягнення Бора, безсумнівно, полягає в його поясненні періодичної системи елементів, а його практичний підхід до суперечливої квантової теорії (мовляв, до тих пір поки вона «працює», не так вже й важливо знати, чому це відбувається) вплинув на ціле покоління фізиків і має велике значення для багатьох сучасних вчених. Але і після створення цієї теорії Бор продовжував грати видатну роль в науці; особливо значний його внесок у вивчення ядерного ділення, а також в створення Європейського центру ядерних досліджень (ЦЕРН), який відкрився в 1951 році. Бор помер в Копенгагені 18 листопада 1962 року на сімдесят восьмому році життя.

Автор: Джон Гриббин.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *