Da Bohr tog et kvantespring for fysikken
PORTRÆT: Niels Bohr er utvivlsomt den mest kendte danske videnskabsmand. Hans skelsættende bidrag til fysikkens grundlag gav ham nobelprisen i 1922. Videnskabshistoriker Helge Kragh ser nærmere på Bohr og hans opdagelser.
niels bohr Institut atom nobel

Den danske fysiker Niels Bohr vandt i 1922 en nobelpris i fysik. Med sin teori om atomets struktur vendte han op og ned på de forestillinger, som tidligere havde været gældende. (Foto: Wikimedia Commons)

»Professor Niels Bohr fik i Gaar Nobelpræmien i Fysik«.

Sådan lød teksten på forsiden af dagbladet Politiken den 10. november 1922.

Niels Henrik David Bohr var da 37 år gammel og allerede anerkendt som en pioner inden for den teoretiske fysik i almindelighed og atom- og kvanteteorien i særdeleshed.

Han var første gang blevet indstillet til nobelprisen i 1917, blot fire år efter han publicerede sin epokegørende afhandling om atomets struktur. 

Historien kort
  • Niels Bohrs nybrud bestod i, at han som den første så, at atomets mekanik må være underlagt kvanteteoriens regler.
  • Bohrs teori stred lodret mod klassisk fysik, men den stemte med eksperimenter og forudsagde med held nye fænomener inden for den atomare verden. Atomteori og kvanteteori var to sider af samme sag.
  • Einstein havde en række berømte diskussioner med Bohr om kvantemekanikkens grundlag og almene gyldighed, hvor det ikke lykkedes Bohr at overbevise Einstein.

Teorien vendte op og ned på fysikkens gængse forestillinger, men den var alligevel så overbevisende, at den noget konservative nobelkomité i Stockholm besluttede sig for at hædre Bohr for hans »fortjenester inden for udforskningen af atomernes struktur og den stråling, der udsendes fra dem«.

Der var selvsagt tale om grundforskning, for dengang kunne ingen forestille sig, at atomteorien ville have praktiske konsekvenser.

I øvrigt blev Bohr også indstillet til nobelprisen i kemi i henholdsvis 1920 og 1929 - dog uden at modtage den. Marie Curie er stadig den eneste forsker, der har modtaget prisen i begge videnskaber.

Bohrs atomteori

 I 1911 havde den engelske fysiker og nobelpristager Ernest Rutherford foreslået, at næsten al atomets masse er koncentreret i en lillebitte positivt ladet kerne, som de negative elektroner befinder sig uden om.

Den unge Bohr, der havde et nært forhold til Rutherford, var straks overbevist og besluttede sig for at udarbejde en præcis teori for, hvordan elektronerne bevæger sig. Dette projekt tog fart, mens Bohr arbejdede i Rutherfords laboratorium i Manchester i sommeren 1912.

Det nye og virkeligt radikale i den atomteori, Bohr foreslog året efter, var hans idé om, at atomets mekanik må være underlagt kvanteteoriens regler.

Selv om kvanteorien stammer fra 1900, havde endnu ingen forestillet sig, at den kunne have noget at gøre med atomets opbygning.

Brint- eller hydrogenatomet er det simpleste af alle atomer, da det kun indeholder en enkelt elektron.

Ifølge Bohr ville elektronen cirkulere rundt om atomkernen, men med vigtige begrænsninger. For cirklens radius og dermed atomets energi var ’kvantiseret’, hvilket vil sige at de to størrelser kun kan antage visse bestemte værdier. 

bohr radium atom

Radiumatomets struktur, som Bohr præsenterede det i sin nobelforelæsning i 1922. (Foto: Helge Kragh)

Elektroner kan kun bevæge sig i såkaldte stationære baner, svarende til hvad Bohr kaldte atomets stationære tilstande.

Desuden vil et atom i grundtilstanden (hvor elektronen er tættest ved kernen) slet ikke udstråle energi i form af lys, selv om den burde gøre det efter den klassiske fysiks forestillinger.

Bohr hævdede, at lysudsendelse sker i form af pludselige og uforklarlige ’kvantespring’, hvor elektronen på næsten magisk vis søger tættere mod grundtilstanden.

Disse kvantespring var postulater i Bohrs teori - altså grundlæggende antagelser, der ikke selv kunne begrundes.  

Bohrs revolution af fysikken

Det afgørende er, at Bohr fandt det nødvendigt at sætte dele af den klassiske fysik ud af kraft i atomernes verden og erstatte dem med antagelser hentet fra kvanteteorien. På den måde var han i stand til for første gang at redegøre for de linjer, der findes i brints spektrum, som havde været kendte i næsten 40 år. 

Hvad skal vi med grundforskning?


Videnskab.dk sætter fokus på grundforskning.

Vi tager dig med helt ind i maskinrummet af grundforskningen og finder ud af:

  • hvad skattekronerne går til,
  • hvilke projekter der bliver lavet,
  • hvem der står bag og
  • hvad vi historisk set har fået ud af grundforskning.

Se hele temaet om grundforskning

På basis af de nævnte ideer udviklede Bohr i 1913 og de følgende år en imponerende teori for atomers opbygning og den stråling, der udgår fra dem, og som viser sig i grundstoffernes spektre.

Teorien stred lodret mod klassisk fysik, men den stemte med eksperimenter og forudsagde med held nye fænomener inden for den atomare verden.

Der kunne ikke længere herske tvivl om, at atomteori og kvanteteori var to sider af samme sag.

I starten af 1920’erne havde Bohrs atomteori fejret store triumfer og Bohrs nye institut på Blegdamsvej, der dengang hed Universitetets Institut for Teoretisk Fysik, var blevet et internationalt mekka for den atomfysiske videnskab.

Ikke blot havde teorien revolutioneret fysikken, den viste sig også frugtbar på det kemiske område. Omkring 1922 kunne Bohr for første gang give en atomfysisk forklaring på det periodiske system, der er af central betydning for al kemi.

Bohr, Einstein og nobelprisen

Niels Bohr beundrede den seks år ældre Albert Einstein, og beundringen var gensidig. 

Allerede i 1920 havde Bohr indstillet Einstein til nobelprisen for relativitetsteorien, hvilket var en af talrige indstillinger. Men set med svenske briller var relativitetsteorien endnu mere kontroversiel end kvanteteorien, og først i 1922 blev Einstein tildelt prisen (og da ikke for relativitetsteorien, men for sin beskrivelse af den fotoelektriske effekt).

Einstein fik altså nobelprisen samtidigt med Bohr, men alligevel fik begge fysikere en hel pris. Forklaringen er, at Einstein fik prisen med tilbagevirkende kraft, nemlig for året 1921, hvor man af uransagelige grunde ikke havde fundet en værdig kandidat. 

einstein bohr

Niels Bohr og Albert Einstein havde stor beundring for hinanden, men det lykkedes aldrig Bohr at overbevise Einstein om kvantemekanikkens anvendelighed. (Foto: Wikimedia Commons)

I et lykønskningsbrev til Einstein skrev Bohr, at han vel vidste »hvor lidt jeg har fortjent dette«. Han vurderede Einsteins indsats højere end sin egen, hvilket Einstein i sit svarbrev fandt »ægte bohrsk«.

Mens Bohr fulgte traditionen og tog til Stockholm for at holde sin nobelforelæsning og deltage i den megen festivitas, befandt Einstein sig i Japan og var derfor ikke i stand til at deltage.

Bohr havde gode forbindelser til svenske fysikere, og som skandinav var han en populær person i Stockholm.

I sin lange og velforberedte forelæsning gav han en detaljeret og almenforståelig gennemgang af atomfysikkens vigtigste resultater, men han dvælede også ved de problemer, der trods alt var med den eksisterende teori.

Han var udmærket klar over, at teorien kun var midlertidig, og at den en dag ville blive afløst af en anden og bedre teori.

På vej mod kvantemekanikken

Den teori for atomets struktur, Bohr præsenterede i Stockholm, var en sær blanding af klassisk fysik og kvanteteoretiske antagelser.

Elektronerne bevægede sig pænt rundt om atomkernen i bestemte baner, som var det planeter i omløb om Solen, men deres kvantespring var alt andet end klassisk fysik. Det var, som om elektronerne selv bestemte, hvornår de skulle springe og hvorhen! 

Portrætter af danske nobelpristagere

Videnskabshistoriker Helge Kragh skriver de kommende lørdage en række portrætter af kendte og knap så kendte danske forskere, som har udført uovertruffen grundforskning og er blevet belønnet med nobelprisen for det. 

Læs med hver lørdag og kom tættere på bl.a. Niels Bohr, Aage Bohr & Ben Mottelson, August Krogh samt Jens Christian Skou.

Selv om teorien havde stor forklaringskraft, viste det sig snart, at der var forhold, den ikke kunne forklare. Således var den ikke i stand til at redegøre for lyset fra heliumatomet, der med sine kun to elektroner er det simpleste atom bortset fra brint.

Heller ikke for dannelsen af molekyler ud fra atomer kunne teorien give et tilfredsstillende svar. Desuden blev Bohr og andre fysikere overbeviste om, at teoriens logiske og matematiske struktur var utilstrækkelig.

Der var altså noget galt, men ingen vidste rigtigt, hvad der var galt.

Den nye teori, Bohr vagt forestillede sig, kom i sommeren 1925 med et vigtigt og vanskeligt forståeligt arbejde af den blot 23-årige tyske fysiker Werner Heisenberg. Det var den første version af, hvad vi i dag kalder kvantemekanikken.

Heisenbergs teori byggede i væsentlig grad på resultater fra Bohrs kvanteteori. Især var den tyske fysiker inspireret af Bohrs såkaldte korrespondensprincip, der er en metode til at sikre overensstemmelse mellem den klassiske fysiks resultater og dem, der stammer fra kvanteteorien.

Bohr fik ikke overbevist Einstein

Bohr var dog ikke selv direkte involveret i kvantemekanikkens fødsel. Men da han først havde sundet sig og sat sig ind i den nye teori, blev han snart en ledende autoritet i kvantemekanikken og dens fysiske fortolkning.  

Instituttet i København blev i endnu højere grad end før samlingsstedet for den nye generation af fysikere, der udviklede den sære kvantemekanik og dens erkendelsesmæssige konsekvenser.

I et delvist samarbejde med Heisenberg formulerede Bohr i 1927 disse konsekvenser i, hvad han kaldte komplementaritetsprincippet. 

Niels Bohr Institut atom nobel

Universitetets Institut for Teoretisk Fysik på Blegdamsvej, som det så ud ved indvielsen i 1921. (Foto: Københavns Universitet)

Mens Bohr med hud og hår kastede sig over den nye teori, var den anden nobelpristager fra 1922, Einstein, dybt skeptisk. Som han skrev i et brev fra 1926, så bringer kvantemekanikken os »næppe nærmere til den Gamles hemmeligheder«.

Einstein havde senere en række berømte diskussioner med Bohr om kvantemekanikkens grundlag og almene gyldighed.

Det lykkedes aldrig Bohr at overbevise relativitetsteoriens fader om sit syn på kvantemekanikkens fortræffeligheder.