نیلز بور

نیلز هنریک داوید بور (۷ اکتبر ۱۸۸۵ - ۱۸ نوامبر ۱۹۶۲، کپنهاگ، دانمارک) فیزیکدان دانمارکی بود که شهرت او بیشتر به علت ردکردن مدل اتمی ارنست رادرفورد و ابداع مدل اتمی خود است. او تلاش‌هایی بنیادی در زمینه شناخت ساختار اتم و مکانیک کوانتوم داشت و برای همین تلاش‌هایش در سال ۱۹۲۲، به او جایزه نوبل فیزیک داده شد. او مدل پیشنهادی اتم که مانند سامانه خورشیدی بود (یک هسته در مرکز و الکترون‌ها پیرامونش در گردش) را گسترش داد، او بر روی نظریه‌اش در بستر مکانیک کوانتوم کار کرد و گفت که الکترون از یک تراز انرژی به صورت کمیتی گسسته و نه پیوسته، به یک تراز دیگر انرژی می‌پرد. بور با بسیاری از فیزیکدانان نامی در موسسه‌اش در کپنهاگ همکاری کرد. همچنین او عضو گروه فیزیکدانان بریتانیایی پروژه منهتن بود. بور در سال ۱۹۱۲ ازدواج کرد و صاحب چند فرزند شد که یکی از پسرانش، آگه بوهر فیزیکدان بود و توانست در سال ۱۹۷۵ مانند پدرش، جایزه نوبل را از آن خود کند.
زندگینامه
دوران جوانی
نیلز هنریک دیوید بور در هفتم اکتبر سال ۱۸۸۵ میلادی در کپنهاگ دانمارک به دنیا آمد. پدر او کریستیان بور، استاد فیزیولوژی دانشگاه کپنهاگ و مادرش الن آلدر بور دختر یک خانواده یهودی دانمارکی و سرشناس در مراکز بانکی و پارلمانی بود. خانواده بور کلیسا نمی‌رفتند ولی مادر خانواده برخلاف اینکه یهودی بود توافق کرده بود که بچه‌ها مسیحی بارآورده شوند. بور در سال ۱۹۰۳ در رشته فیزیک دانشگاه کپنهاگ نام‌نویسی کرد. در دانشگاه نیلز با انجام آزمایشهایی درباره نیروی کشش سطحی آب و اندازه‌گیری آن نیرو، توانست خود را برتر از دیگران نشان دهد و به پاس انجام آن کار، مدال طلای آکادمی علوم و ادبیات دانمارک را به‌دست‌آورد. وی در سال ۱۹۱۱ با نوشتن پایان‌نامه‌ای درباره نظریه الکترونی فلزات که تاکید آن بر نارسایی‌های فیزیک کلاسیک درتوضیح رفتار ماده در سطح اتمی بود درجه دکترای خود را دریافت کرد. نوشتن آن پایان‌نامه آغازی بر تحقیقات بعدی او بود.
آشنایی با رادرفورد
بور در انگلستان پس از همکاری مختصری با جوزف جان تامسون در کمبریج رهسپار آزمایشگاه رادرفورد در منچستر شد. داشتن رابطه با رادرفورد سرمشق حیات علمی بعدی او شد. آن دو از همان نخستین ملاقات با یکدیگر دوست شدند و تا پایان عمر دوستانی نزدیک باقی‌ماندند. در واقع رادرفورد بود که بور را به بالاترین طراز پژوهش در زمینه فیزیک آورد. بور از الگوی هسته‌ای اتم که در سال ۱۹۱۰ توسط رادرفورد عرضه شده بود استفاده کرد تا نکات زیر را روشن سازد:
خواص شیمیایی یک اتم از جمله جای آن در جدول تناوبی بستگی به آرایش الکترونهای آن دارد.
خواص پرتوزایی با هسته مرتبط است.
ایزوتوپها متناظرند با اتمهایی که دارای الکترونهای یکسان اما هسته‌های جرمی متفاوت‌اند.
فروپاشی پرتوزا، بار هسته و در نتیجه تعداد الکترونها و هویت شیمیایی اتم را تغییر می‌دهد.
وی پس از آن توانست به رابطه میان عدد اتمی یک عنصر، که فشرده و خلاصه‌ای از رفتار شیمیایی آن به‌شمار می‌رود و تعداد الکترون‌های موجود در اتم پی‌برد. بور در سال ۱۹۱۲ به دانمارک بازگشت و به سمت دانشیاری فیزیک دانشگاه کپنهاک منصوب شد. او پس از شکل‌گیری حرفه آینده‌اش در کپنهاک با مارگارت نورلند ازدواج کرد. نتیجه این ازدواج شش فرزند پسر بود که چهارتن از آنها به سن بلوغ و بالاتر از آن رسیدند.
در سال ۱۹۱۳ پس از آنکه مدل اتمی بور با استقبال روبرو شد و با حمایت رادرفورد به عنوان نظریه جدید پذیرفته شد. وی توانست سه مقاله درباره ساختار اتم منتشر کند که یکی از آنها مقاله «درباره ساختمان اتم و مولکول» بود. بور سال‌های ۱۹۱۴ تا ۱۹۱۶ را در منچستر گذرانید و یکبار دیگر در آنجا تحت حمایت رادرفورد به کار پرداخت. پس از آن در سال ۱۹۱۶ تصدی کرسی استادی فیزیک دانشگاه کپنهاک به او پیشنهاد شد. وی به قصد قبول آن به دانمارک بازگشت و تا پایان عمر مدیر آن موسسه باقی‌ماند.
فعالیت‌های بین‌المللی
فرهنگستان علوم سوئد در نوامبر سال ۱۹۲۲ جایزه نوبل فیزیک را به نیلز بور اعطاء کرد. او ششمین دانمارکی و نخستین فیزیکدان دانمارکی بود که به آن نشان افتخار دست می‌یافت. بور در دهه ۱۹۳۰ ضمن ادامه کار برروی نظریه کوانتومی، سهمی نیز در پیش‌برد زمینه جدید فیزیک هسته‌ای داشت. برداشت او از هسته اتم که وی آن را به «قطره‌ای مایع» تشبیه کرد، قدم مهمی در راه درک پدیده‌های هسته‌ای بسیاری شد. مدل او به‌ویژه در درک نحوه شکافت هسته اتم که در سال ۱۹۳۹ مشاهده شد نقشی کلیدی داشت. پس از جنگ جهانی دوم، بور به منظور محدود ساختن خطرات جنگ هسته‌ای در ماه ژوئن ۱۹۵۰ نامه سرگشاده‌ای
خطاب به سازمان ملل متحد نوشت و درخواست خویش مبنی بر ایجاد یک «دنیای آزاد» را به عنوان پیش‌شرط صلح تکرار کرد وی پیش از این نیز در زمینه صلح بین‌الملی تلاش کرده بود. از جمله فعالیت‌های علمی بعدی او می‌توان به نقش رهبرانه او در سال ۱۹۵۵ در سامان دادن به موسسه‌ای دانمارکی برای استفاده سازنده از انرژی هسته‌ای اشاره کرد.
سال‌های پایانی زندگی
بور در سالهای پایانی عمر خود در عرصه دانش فیزیک بیشتر یک تماشاگر بود تا یک ایفا کننده نقش، با این حال هنوز در ایجاد یک جو اخلاقی قوی در جامعه تلاش می‌کرد. او در دوره اشتغال خود به دو نسل فیزیکدان اثر گذاشت، به روش برخورد آنها با مسائل علمی شکل‌داد و برای نشان‌دادن راه درست زیستن به انسان دانش‌پژوه الگویی از شخص خود ارائه کرد. بور در ۱۸ نوامبر سال ۱۹۶۲ در سن هفتاد و هفت سالگی در کپنهاک درگذشت. وی شخصیت علمی بسیار محبوبی بود که پس از مرگش جهان متمدن یکسر در سوگ فرورفت. بور فردی ممتاز در زندگی حرفه‌ای و انسان‌دوست از نظر روحی بود.
نظریه اتمی
تمبر یادبود نیلز بور و تئوری اتمی او - دانمارک
بور در پی استقرار در کپنهاک به اندیشه، درباره جنبه‌های نظری مدل اتم هسته‌دار رادرفورد ادامه داد. این مدل مانند یک منظومه خورشیدی بسیار کوچک بود یعنی هسته‌ای در مرکز، به مثابه خورشید و الکترون‌هایی در حال گردش به گرد آن به مثابه سیاره‌ها، فیزیکدانان طرح کلی آن را پذیرفته بودند اما در آن اشکال بزرگی که امروزه آن را ناهنجاری می‌خوانند می‌دیدند. به موجب نظریه الکترومغناطیس، ذره باردار و چرخانی مانند الکترون باید در هر دور گردش مقداری انرژی به صورت تابش پخش کند و در نتیجه بخشی از انرژی خود را از دست بدهد. طبق تئوری در چنین حالتی دایره مسیر باید مارپیچ‌وار تنگ و تنگ‌تر شود و الکترون سرانجام به درون هسته سقوط کند اما این وضع پیش نیامده و الکترون‌ها به داخل هسته فرو نمی‌ریزند و اتم به مدت نامحدود پایدار باقی می‌ماند. چنین ناهنجاری در رفتار الکترون مغایر با پیش‌بینی نظریه الکترومغناطیس بود.
بور برای یافتن توضیح مسئله شیوه تازه‌ای به کار برد و گفت: تئوری بی‌تئوری. الکترون تا زمانی که به چرخش ادامه می‌دهد هیچ تابشی از خود به بیرون نمی‌فرستد. او این را در حالی می‌گفت که نظریه و شواهد آزمایشگاهی، هر دو، نشان می‌دادند که وقتی هیدروژن حرارت ببیند از خود نور تابش می‌کند و عقیده این بود که آن نور از الکترون اتم هم تابش می‌شود. بور در سال ۱۹۱۳ با آن روش به تجسم ساختاری برای اتم دست یافت. بور در توضیح چگونگی رفتار الکترون اظهار داشت که الکترون دررفتن از مداری به مدار دیگر انرژی، بصورت بسته یا پیمانه‌هایی از انرژی تشعشعی جذب یا تابش می‌کند (چیزی که امروزه فوتون یا کوانتوم نور نامیده می‌شود). هرچه طول موج تابیده کمتر باشد انرژی فوتون آن بیشتر است.
هیدروژن سه خط طیفی روشن به رنگهای قرمز، سبز متمایل به آبی و آبی دارد. بور تشریح کرد که این خطوط رنگی واضح طیف همان تابش‌های اتم هیدروژن‌اند. نور قرمز هنگامی تابش می‌شود که الکترون از مدار سوم به مدار دوم بجهد و نور سبز متمایل به آب‌ی مربوط به جهش الکترون از مدار چهارم به دوم است. در آغاز بسیاری از فیزیکدانان مسن‌تر از جمله ج. ج تامسون درباره درستی نظریه بور تردید کردند اما رادرفورد از حامیان آن شد بطوریکه نظریه جدید سرانجام پذیرفته شد.
مشکلات نظریه بور
مشکلات نظریه بور به بیان ساده به شرح زیر می‌باشد:
در نظریه بور توضیحی برای چگونگی پخش جمعیت الکترون‌های اتم‌های چند الکترونی وجود نداشت. یعنی معلوم نبود که چند الکترون در هر مدار قرار می‌گیرند. این از بابت آن بود که آزمایش‌های او روی اتم هیدروژن که تک‌الکترونی است صورت گرفته بود؛ ولی بعدها توسط نظریه شرودینگر که وجود زیر لایه‌ها را توجیه می‌کرد (مانند s p ….) این بند از نظریه کامل شد.
وضعیت مدارهای مجاز (پایدار) در نظریه بور مشخص نیست. به این معنا که معلوم نیست که زاویه دارند یا در یک صفحه قرار گرفته‌اند؛ و بعدها مشخص شد که الکترون به صورت سه بعدی در مدار می‌چرخد نه دایره‌ای.
در ضمن الزامی نیست که مداری با بیشترین شعاع، دارای بیشترین انرژی هم باشد در حالی که بور عکس این مطلب را گفته بود.
نظریه اتمی بور در تفسیر طیف نشری خطی هیدروژن موفق عمل می‌کند ولی قادر به توجیه وضعیت طیف اتم‌های دیگر نبود.
یک نظریه کامل اتمی باید از سه ساختار اتم، یعنی پروتون نوترون و الکترون شرح و توضیح داده شود ولی در نظریه اتمی بور بیشتر روی الکترون متمرکز شده بود.
ارنست رادرفورد
ورنر کارل هایزنبرگ
مدل اتمی بور