نیلز هنریک داوید بور ، فیزیکدان دانمارکی Niels Bohr

نیلز هنریک داوید بور (Niels Henrik David Bohr)‏ (۷ اکتبر ۱۸۸۵ تا ۱۸ نوامبر ۱۹۶۲ کوپنهاگ، دانمارک) فیزیکدان دانمارکی بود که شهرت او بیشتر به علت ردکردن مدل اتمی ارنست رادرفورد و ابداع مدل اتمی خود است. او تلاش هایی بنیادی در زمینه شناخت ساختار اتم و مکانیک کوانتوم داشت و برای همین تلاش هایش در سال ۱۹۲۲، به او جایزه نوبل فیزیک داده شد. او مدل پیشنهادی اتم که مانند سامانه خورشیدی بود (یک هسته در مرکز و الکترون ها پیرامونش در گردش) را گسترش داد، او بر روی نظریه اش 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 می پرد. بور با بسیاری از فیزیکدانان نامی در موسسه اش 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.

دوران جوانی نیلز بور

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 اِلن آلدر بور دختر یک خانواده یهودی دانمارکی و سرشناس در مراکز بانکی و پارلمانی بود. خانواده بور کلیسا نمی رفتند ولی مادر خانواده برخلاف اینکه یهودی بود توافق کرده بود که بچه ها مسیحی بارآورده شوند. بور در سال ۱۹۰۳ در رشته فیزیک دانشگاه کپنهاگ نام نویسی کرد. در دانشگاه نیلز با انجام آزمایشهایی درباره نیروی کشش سطحی آب و اندازه گیری آن نیرو، توانست خود را برتر از دیگران نشان دهد و به پاس انجام آن کار، مدال طلای آکادمی علوم و ادبیات دانمارک را به دست آورد. وی در سال ۱۹۱۱ با نوشتن پایان نامه ای درباره نظریه الکترونی فلزات که تاکید آن بر نارسایی های فیزیک کلاسیک درتوضیح رفتار ماده در سطح اتمی بود درجه دکترای خود را دریافت کرد. نوشتن آن پایان نامه آغازی بر تحقیقات بعدی او بود.

آشنایی بور 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 باقی ماندند. در واقع رادرفورد بود که بور را به بالاترین طراز پژوهش در زمینه فیزیک آورد. بور از الگوی هسته ای 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 هسته های جرمی متفاوت اند.
• فروپاشی پرتوزا، بار هسته و در نتیجه تعداد الکترونها و هویت شیمیایی اتم را تغییر می دهد.

فعالیت های بین المللی بور

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 می یافت. بور در دهه ۱۹۳۰ ضمن ادامه کار برروی نظریه کوانتومی، سهمی نیز در پیش برد زمینه جدید فیزیک هسته ای داشت. برداشت او از هسته اتم که وی آن را به «قطره ای مایع» تشبیه کرد، قدم مهمی در راه درک پدیده های هسته ای بسیاری شد. مدل او به ویژه 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 هسته ای در ماه ژوئن ۱۹۵۰ نامه سرگشاده ای خطاب به سازمان ملل متحد نوشت و درخواست خویش مبنی بر ایجاد یک «دنیای آزاد» را به عنوان پیش شرط صلح تکرار کرد وی پیش از این نیز در زمینه صلح بین الملی تلاش کرده بود. از جمله فعالیت های علمی بعدی او می توان به نقش رهبرانه او در سال ۱۹۵۵ در سامان دادن به موسسه ای دانمارکی برای استفاده سازنده از کارمایه هسته ای اشاره کرد.

سال های پایانی زندگی بور

بور در پی استقرار در کپنهاک به اندیشه، درباره جنبه های نظری مدل اتم هسته دار رادرفورد ادامه داد. این مدل مانند یک منظومه خورشیدی بسیار کوچک بود یعنی هسته ای در مرکز، به مثابه خورشید و الکترون هایی در حال گردش به گرد آن به مثابه سیاره ها، فیزیکدانان طرح کلی آن را پذیرفته بودند اما در آن اشکال بزرگی که امروزه آن را ناهنجاری می خوانند می دیدند. 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 مارپیچ وار تنگ و تنگ تر شود و الکترون سرانجام به درون هسته سقوط کند اما این وضع پیش نیامده و الکترون ها به داخل هسته فرو نمی ریزند و اتم به مدت نامحدود پایدار باقی می ماند. چنین ناهنجاری در رفتار الکترون مغایر با پیش بینی نظریه الکترومغناطیس بود.

بور برای یافتن توضیح مسئله شیوه تازه ای به کار برد و گفت: تئوری بی تئوری. الکترون تا زمانی که به چرخش ادامه می دهد هیچ تابشی از خود به بیرون نمی فرستد. او این را در حالی می گفت که نظریه و شواهد آزمایشگاهی، هر دو، نشان می دادند که وقتی هیدروژن حرارت ببیند از خود نور تابش می کند و عقیده این بود که آن نور از الکترون اتم هم تابش می شود. 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 پیمانه هایی از انرژی تشعشعی جذب یا تابش می کند (چیزی که امروزه فوتون یا کوانتوم نور نامیده می شود). 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 تابش های اتم هیدروژن اند. نور قرمز هنگامی تابش می شود که الکترون از مدار سوم به مدار دوم بجهد و نور سبز متمایل به آب ی مربوط به جهش الکترون از مدار چهارم به دوم است. در آغاز بسیاری از فیزیکدانان مسن تر 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 چیست؟

۱- در نظریه بور توضیحی برای چگونگی پخش جمعیّت الکترون های اتم های چند الکترونی وجود نداشت. یعنی معلوم نبود که چند الکترون در هر مدار قرار می گیرند. این از بابت آن بود که آزمایش های او روی اتم هیدروژن که تک الکترونی است صورت گرفته بود؛ ولی بعدها توسط نظریه شرودینگر که وجود زیرلایه ها را توجیه می کرد (مانند s p ....) این بند از نظریه کامل شد.

۲- وضعیت مدارهای مجاز (پایدار) در نظریه بور مشخص نیست. به این معنا که معلوم نیست که زاویه دارند یا در یک صفحه قرار گرفته اند؛ و بعدها مشخص شد که الکترون به صورت سه بعدی در مدار می چرخد نه دایره ای.

۳- در ضمن الزامی نیست که مداری با بیشترین شعاع، دارای بیشترین انرژی هم باشد در حالی که بور عکس این مطلب را گفته بود.

۴- نظریه اتمی بور در تفسیر طیف نشری خطی هیدروژن موفق عمل می کند ولی قادر به توجیه وضعیت طیف اتم های دیگر نبود.

۵- 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.