Niels Bohr

Niels Henrik David Bohr (Kopenhagen, Denemarken, 7 oktober 1885 – Denemarken, 18 november 1962) was een Deens theoretisch natuurkundige en theoretisch scheikundige. In 1922 ontving hij de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Niels Bohr wordt algemeen gezien als één van de grondleggers van de atoomfysica. Waar Ernest Rutherford als groot experimentator veel over de interne opbouw van het atoom ontdekte, was het de grote verdienste van Bohr om een theoretische grondslag voor dit nieuwe atoommodel te formuleren, waarmee hij tevens een grote bijdrage leverde aan de meest spraakmakende tak van fysica in de 20e eeuw: de kwantummechanica.

Levensloop

Niels Bohr werd geboren in een statig herenhuis van zijn moeders grootmoeder, een vrouw uit een rijke joodse bankiersfamilie. Hij was een zoon van Christian Bohr, hoogleraar fysiologie aan de Universiteit van Kopenhagen, en Ellen Adler. Zij hadden drie kinderen: Jenny, Niels en Harald.

Vroege jeugd

Het hechte gezin waarin Bohr opgroeide was beschaafd en intellectueel, en niet godsdienstig. Niels genoot zijn basis- en voortgezette opleiding aan de Gammelholmschool in Kopenhagen. Hoewel hij een vlijtig scholier was werd hij op school overschaduwd door zijn jongere broer Harald, die later wiskundige zou worden. Daarnaast waren beide broers excellente voetballers, waarbij Harald zelfs voetbalde in het Deense elftal dat zilver won in 1908 bij de Olympische Spelen in Londen.

In 1903 ging de atheïst Bohr (die religieus denken schadelijk en misleidend vond) studeren aan de universiteit van Kopenhagen met fysica als hoofdvak. In 1907 won hij een gouden medaille van de Koninklijke Deense Academie van Wetenschappen en Letteren met een manuscript over metingen van de oppervlaktespanning van water. Omdat de universiteit niet beschikte over een natuurkundig laboratorium moest Bohr zijn experimenten uitvoeren in het fysiologisch laboratorium van zijn vader.

Zijn winnend manuscript werd in 1908 gepubliceerd in Transactions van de Royal Society. De ervaring die hij opdeed over dit onderwerp zouden later terugkomen in zijn theorie over het druppelmodel van de atoomkern. In 1911 promoveerde hij op het proefschrift: "Studies over de elektronentheorie van metalen". In hetzelfde jaar overleed zijn vader.

Manchester

Na zijn promotie ontving Bohr van de Carlsbergstichting – gefinancierd door de Deense bierbrouwerij Carlsberg – een studiebeurs om in het buitenland te studeren. Om zich verder te verdiepen in de elektronentheorie besloot Bohr naar Engeland te gaan om daar samen te werken met Joseph John Thomson, een autoriteit op dit gebied. De samenwerking verliep echter stroef, mede omdat Thomson eerder een punt had gezet achter zijn elektronenstudies en niet erg bereidwillig was om Bohrs vragen hierover te beantwoorden.

Bohr zocht naar een uitweg en die vond hij toen hij kennismaakte met Ernest Rutherford, een Nieuw-Zeelandse natuurkundige die juist de ware aard van het atoommodel had gevonden. Hij volgde Rutherford naar de universiteit van Manchester, waar hij zich aansloot bij diens onderzoeksteam. Gedurende zijn studie had hij kennisgemaakt met de kwantumtheorie die ontwikkeld was door Albert Einstein en Max Planck. Deze theorie gebruikte hij om zijn eigen theorieën over de atoomstructuur verder uit te werken en de fouten te corrigeren die hij waarnam in Rutherfords model. Net als Rutherford was hij ervan overtuigd dat elektronen om de kern cirkelden, maar volgens hem namen deze banen de vorm aan van een aantal vaste 'schillen' waarin de elektronen volgens kwantumregels bewogen.

Na zes maanden verliet hij Manchester en keerde terug naar Kopenhagen waar hij een baan kreeg als assistent-hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Kopenhagen. Hij werd verwelkomd door zijn verloofde Margrethe Nørland; met wie hij op 1 augustus 1912 in het huwelijk trad. Ze zouden zes zonen krijgen, waarvan er twee jong stierven. In 1913 werd hij hoofddocent aan de universiteit.

In 1914, tijdens de Eerste Wereldoorlog, kreeg Bohr een aanstelling door Rutherford aangeboden als lector bij Victoria University in Manchester. Samen met zijn vrouw ondernam hij de gevaarlijke reis over de Noordzee. Het lectorschap gaf hem de tijd om zijn onderzoek voort te zetten. Na twee jaar keerde Bohr terug naar Denemarken, waar hij de positie aanvaarde van hoogleraar in de theoretische natuurkunde aan de universiteit – een leerstoel die speciaal voor hem was gecreëerd. Ook werd hij verkozen tot lid van de Koninklijke Deense Academie van Wetenschappen.

Tweede Wereldoorlog

Bohr had in september 1941 in het door nazi-Duitsland bezette Kopenhagen een ontmoeting met zijn voormalige student en tevens persoonlijke vriend Werner Heisenberg. Over de inhoud van die ontmoeting bestaan twee lezingen. De ene is die van Bohr, die geschokt was dat Heisenberg geen morele bezwaren had tegen diens meewerken aan een Duitse atoombom. Heisenberg deed er naar zijn zeggen juist alles aan om dat project te vertragen.

In 1943 lekte uit dat alle Joden in Kopenhagen opgepakt zouden worden. Bohr, die van moederszijde van Joodse origine was, wist net als de meeste Joden in Denemarken, in een vissersboot naar Zweden te ontsnappen. Daarna ging hij naar de Verenigde Staten waar hij, samen met zijn zoon Aage, zich aansloot bij het Manhattanproject en hij de rest van de oorlog meewerkte aan de Amerikaanse atoombom.

Laatste jaren en vernoemingen

In augustus 1945 kon Bohr terugkeren naar Denemarken. In de jaren 1950 engageerde hij zich in politiek opzicht en sprak hij zich uit voor meer openheid tussen 'Oost' en 'West', gezien de nucleaire wapenwedloop die in zijn tijd op gang kwam, zowel op aarde als, vanaf 1957, in de ruimte. In 1955 organiseerde Bohr in Genève de Atoms for Peace (Atomen voor Vrede) conferentie. Op 24 oktober 1957 ontving hij hiervoor de allereerste 'Atoms for Peace Award'.

In 1952 werd Bohr de eerste directeur van de theoretische afdeling van CERN, dat aanvankelijk in Kopenhagen was gevestigd. Tevens stond hij aan de wieg van de nucleaire geneeskunde. Ook was hij in 1921 instrumenteel in de oprichting van het Instituut voor Theoretische Fysica in Kopenhagen. Onder zijn leiding zou het instituut uitgroeien tot een van 's wereld belangrijkste onderzoekscentra van die tijd. Na zijn overlijden volgde zijn zoon Aage hem in 1963 op als directeur. Op 7 oktober 1985, de honderdste geboortedag van Bohr, werd officieel het Niels Bohr-instituut in Kopenhagen geopend, een resultaat van een fusie van een flink aantal Kopenhaagse wetenschappelijke instellingen, waaronder het Instituut voor Theoretische Fysica. Het Niels Bohr-instituut beheert onder meer het Niels Bohr-archief.

Werk

Atoommodel

Zie Atoommodel van Bohr voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Twee jaar nadat Rutherford zijn atoomtheorie bekend had gemaakt voltooide Bohr in Kopenhagen zijn kwantummodel van het 'Bohr-atoommodel'. In 1913 publiceerde hij in het Philosophical Magazine het werk ”On the Constitution of Atoms and Molecules”. Hierin beschreef hij dat de banen van elektronen om de atoomkern gekwantificeerd zijn. Deze banen worden gekenmerkt door gedefinieerde waardes, namelijk h/2π, 2h/2π, 3h/2π etc. (waarbij h de constante van Planck is).

Verder postuleerde hij dat de emissie van licht optreedt wanneer een elektron zich verplaatst van een hogere energiebaan naar een lagere; absorptie zorgt voor het tegengestelde effect. De energie die hierbij vrijkomt (in de vorm van een foton) is hν, met ν de frequentie van de uitgezonden golf. Op deze wijze kon hij het atoomspectra – exacte frequenties van lichtkwanta – van waterstof verklaren.

In 1918 publiceerde hij de verhandeling “Over de kwantumtheorie van spectraallijnen”, waarin hij het correspondentieprincipe beschreef. Dit principe moest de kloof overbruggen tussen de klassieke natuurkunde en de kwantummechanica. Het correspondentieprincipe eist dat voor grote kwantumgetallen de beschrijving van de verschijnselen moeten overgaan in de klassieke theorie onder omstandigheden waarin het effect van de constante van Planck te verwaarlozen is.

Bohr had (indirect) ook een belangrijke rol in de ontdekking en exploitatie van kernsplijting. Zijn druppelmodel van de atoomkern, in 1936 gepubliceerd, verschafte voor Lise Meitner en Otto Frisch de basis voor de theoretische verklaring over hoe kernsplijting tot stand komt. Verder deed Bohr in 1939 de suggestie dat kernsplijting eerder zou optreden in het zeldzamere uranium-235 dan in het veel voorkomende uranium-238. De ontdekking van kernsplijting leidde ertoe dat andere wetenschappers aan Einstein vroegen een waarschuwingsbrief op te stellen voor de Amerikaanse president Roosevelt, wat uiteindelijk leidde tot het Manhattanproject.

Kopenhaagse interpretatie

Zie Kopenhaagse interpretatie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Bohr bevorderde de formulering van een nieuwe filosofische en wiskundige benadering en beschrijving van de structuur van het atoom en de atoomkern en andere gerelateerde gebieden van de kwantumfysica. Dit noemt men de zogenaamde Kopenhaagse interpretatie (CHI) van de kwantummechanica. Kort samengevat: de waarnemer van een experiment vormt samen met dit experiment een enkel systeem. De waarnemer oefent een non-lokale invloed uit op de kwantumwereld, die volgens de tot dan toe gangbare opvattingen volstrekt ongerijmd was. Elementaire deeltjes kunnen spontaan verschijnen en verdwijnen, sneller dan de lichtsnelheid informatie uitwisselen en nog meer vreemd gedrag vertonen.

Voortvloeiend uit de Kopenhaagse Interpretatie introduceerde Bohr in 1927 – op een conferentie in het Italiaanse Como ter ere van de honderdjarige sterfdag van Alessandro Volta – zijn complementariteitsprincipe, een belangrijke conceptuele bijdrage aan de kwantummechanica. Het complementariteitsprincipe houdt in dat kwantummechanische verschijnselen zowel een deeltjes- als een golfkarakter kunnen vertonen, maar nooit beide tegelijkertijd

Samen met onder andere de jonge Werner Heisenberg, die bij hem studeerde, stelde hij in de jaren 20 deze theorie op. Bohrs collega Albert Einstein had ernstige bezwaren tegen deze 'zweverige' theorie en hij voerde met Bohr de rest van zijn leven verhitte debatten over deze kwestie. Deze controverse bereikte in 1935 een hoogtepunt in de formulering van de Einstein-Podolsky-Rosen-paradox. Tegenwoordig wordt de Kopenhaagse interpretatie echter als bewezen beschouwd en heeft Bohr volgens de meeste natuurkundigen het gelijk aan zijn kant. In 1923 ontving hij de Matteucci Medal, in 1938 de Copley Medal.

Trivia

• Het toneelstuk Kopenhagen van de Engelse toneelschrijver Michael Frayn is gebaseerd op de ontmoeting tussen Heisenberg en Bohr in bezet Kopenhagen in 1941. In de Nederlandse versie van dit toneelstuk werd de rol van Bohr gespeeld door Bram van der Vlugt.

• Niels Bohr vroeg eens aan Pauli, toen deze een nieuwe theorie presenteerde: "We zijn het er allemaal over eens dat uw theorie gek is. Maar is ze gek genoeg om waar te kunnen zijn?"

• De Bohrstraal a₀ is een atomaire lengteschaal vernoemd naar deze wetenschapper, die ongeveer overeen komt met 5,292 × 10⁻¹¹ meter.

• Bohrs zoon Aage was eveneens natuurkundige en ontving in 1975 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

• Het element Bohrium is naar Niels Bohr vernoemd als eerbetoon.

• Niels Bohr werd in 1947 door de Deense Koning onderscheiden met de exclusieve Orde van de Olifant – de hoogste eer in Denemarken – en koos als wapenschild, de wapenborden van de ridders worden in de kapel van de orde opgehangen, een Aziatisch thema: Yin en Yang, met het devies Contraria sunt complementa (tegenstellingen zijn complementair).

• Niels Bohr had een hekel aan schrijven en dicteerde zijn belangrijkste werken aan zijn vrouw.

Zie ook

• Atoommodel van Bohr
• Bohrstraal

Externe links

• Niels Bohr Archief
• Niels Bohr Instituut

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Niels Bohr op Wikimedia Commons.

Bronnen, noten en/of referenties

Bronnen, noten en/of referenties (nl) Lang, Herman de, Canon van de Natuurkunde, Veen Magazines (nl) Peruzzi, Giulio, Wetenschappelijk biografie Niels Bohr – van kwantumsprong tot 'big science', Veen Magazines, Amsterdam , 2007. ISBN 978-90-76988-96-2. .

Winnaars van de Nobelprijs voor de Natuurkunde

1901: Röntgen · 1902: Lorentz, Zeeman · 1903: Becquerel, P.Curie, M.Curie · 1904: Rayleigh · 1905: Lenard · 1906: Thomson · 1907: Michelson · 1908: Lippmann · 1909: Marconi, Braun · 1910: van der Waals · 1911: Wien · 1912: Dalén · 1913: Kamerlingh Onnes · 1914: von Laue · 1915: W.L.Bragg, W.H.Bragg · 1917: Barkla · 1918: Planck · 1919: Stark · 1920: Guillaume · 1921: Einstein · 1922: N.Bohr · 1923: Millikan · 1924: Siegbahn · 1925: Franck, Hertz . 1926: Perrin · 1927: Compton, Wilson · 1928: Richardson · 1929: de Broglie · 1930: Raman · 1932: Heisenberg · 1933: Schrödinger, Dirac · 1935: Chadwick · 1936: Hess, Anderson · 1937: Davisson, Thomson · 1938: Fermi · 1939: Lawrence · 1943: Stern · 1944: Rabi · 1945: Pauli · 1946: Bridgman · 1947: Appleton · 1948: Blackett · 1949: Yukawa · 1950: Powell . 1951: Cockcroft, Walton · 1952: Bloch, Purcell · 1953: Zernike · 1954: Born, Bothe · 1955: Lamb, Kusch · 1956: Shockley, Bardeen, Brattain · 1957: Yang, T. D. Lee · 1958: Tsjerenkov, Frank, Tamm · 1959: Segrè, Chamberlain · 1960: Glaser · 1961: Hofstadter, Mössbauer · 1962: Landau · 1963: ;Wigner, Goeppert-Mayer, Jensen · 1964: Townes, Basov, Prokhorov · 1965: Tomonaga, Schwinger, Feynman · 1966: Kastler · 1967: Bethe · 1968: Alvarez · 1969: Gell-Mann · 1970: Alfvén, Néel · 1971: Gabor · 1972: Bardeen, Cooper, Schrieffer · 1973: Esaki, Giaever, Josephson · 1974: Ryle, Hewish · 1975: A. Bohr, Mottelson, Rainwater . 1976: Richter, Ketterle, Ting · 1977: Anderson, Mott, van Vleck · 1978: Kapitsa, Penzias, R. W. Wilson · 1979: Glashow, Salam, Weinberg · 1980: Cronin, Fitch · 1981: Bloembergen, Schawlow, Siegbahn · 1982: K. G. Wilson · 1983: Chandrasekhar, Fowler · 1984: Rubbia, van der Meer · 1985: von Klitzing · 1986: Ruska, Binnig, Rohrer · 1987: Bednorz, Müller · 1988: Lederman, Schwartz, Steinberger · 1989: Ramsey, Dehmelt, Paul · 1990: Friedman, Kendall, R. Taylor · 1991: de Gennes · 1992: Charpak · 1993: Hulse, J. Taylor · 1994: Brockhouse, Shull · 1995: Perl, Reines · 1996: D. Lee, Osheroff, Richardson · 1997: Chu, Cohen-Tannoudji, Phillips · 1998: Laughlin, Störmer, Tsui · 1999: 't Hooft, Veltman · 2000: Alferov, Kroemer, Kilby . 2001: Cornell, Ketterle, Wieman · 2002: Davis, Koshiba, Giacconi · 2003: Abrikosov, Ginzburg, Leggett · 2004: Gross, Politzer, Wilczek · 2005: Glauber, Hall, Hänsch · 2006: Mather, Smoot · 2007: Fert, Grünberg · 2008: Nambu, Kobayashi, Maskawa· 2009: Kao, Boyle, Smith· 2010: Geim, Novoselov ·

2011: Perlmutter, Schmidt, Riess