Store opdagelser: Niels Bohr og atomets struktur

I 1911 ankom Niels Bohr til Trinity College i Cambridge. I bagagen havde han en guldmedalje fra Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab og en doktordisputats fra Københavns Universitet om metallernes elektronteori. Det var starten på et banebrydende bidrag til naturvidenskaben.

I Cambridge arbejdede Niels Bohr under den berømte fysiker J.J. Thomson (1856-1940), der var manden bag opdagelsen af elektronen, og i foråret 1912 tog han videre til Manchester, hvor han begyndte at overveje spørgsmålet om atomernes opbygning.

Professoren i Manchester var den højt anerkendte Ernest Rutherford (1871-1937), der var specialist i radioaktivitet og kort forinden havde foreslået sin banebrydende, men lidet accepterede, teori om kerneatomet: At alle atomer består af en ganske lille, positivt ladet kerne, omgivet af en sky af negative elektroner.

I modsætning til de fleste andre fysikere var Bohr imidlertid overbevist om, at kerneatomet var både gyldigt og brugbart. Men han indså også, at modellen var ufuldstændig – den var faktisk ikke en egentlig atommodel. Det satte han sig for at lave.

Atomet blev knyttet til kvanteteori

Hvordan måtte elektronerne bevæge sig, for at atomet kunne være stabilt? Hvilke lovmæssigheder bevægede de sig efter? Hvordan blev lyset udsendt fra atomer?

Bohrs bestræbelser på at forstå disse spørgsmål førte ham i sommeren 1913 til en epokegørende teori om atomets arkitektur, der for første gang knyttede atomets struktur sammen med den endnu noget mystiske kvanteteori, som Max Planck (1858-1947) fra Universitetet i Berlin havde indført i 1900.

Ifølge kvanteteorien var strålingsenergien fra et atom 'kvantiseret', idet stråling af frekvens f kun kunne have bestemte energier E givet ved E = hf, 2hf, 3hf, … Størrelsen h, der kendes som Plancks konstant, er en meget lille naturkonstant med værdien h = 6,623 x 10^-34 J x s (joule * sekund).

Brint blev hurtigt en klassiker i fysiklitteraturen

Bohr publicerede sin teori i tre store artikler i det videnskabelige tidsskrift Philosophical Magazine, alle med den fælles titel On the Constitution of Atoms and Molecules – 'Om Opbygningen af Atomer og Molekyler'.

Især den første artikel, der fokuserede på det simple brintatom (med kun en enkelt elektron kredsende omkring kernen), blev hurtigt en klassiker i fysiklitteraturen, og den indvarslede et helt nyt kapitel i atom- og kvantefysikken.

Teorien var bygget op omkring to postulater eller grundantagelser, hvoraf det første var, at den cirkulært bevægende elektron kun kunne eksistere i visse stationære tilstande svarende til bestemte afstande fra atomkernen.

Postulatet var et radikalt brud med alle tidligere ideer

Kun når elektronen var tættest ved kernen, i den såkaldte grundtilstand, var atomet stabilt. Ifølge det andet postulat kunne elektroner i de højere tilstande (baner) springe til lavere baner, og komme tættere kernen, og derved udsende lys.

Frekvensen eller bølgelængden af dette lys var netop givet ved energiforskellen ΔE divideret med den kvantestørrelse, som Planck tidligere havde indført: ΔE = hf.

Dette postulat om lysudsendelse var et radikalt brud med alle tidligere ideer, ifølge hvilke frekvensen af det udsendte lys måtte svare til en mekanisk omløbsfrekvens for elektronen.

Bohr anerkendte ikke denne samhørighed, men talte for et pludseligt 'kvantespring' fra en energitilstand til en anden.

Bohr fandt brints ioniseringsenergi

Bohr kunne nu uden stort matematisk besvær beregne strukturen i brintatomet og ud fra denne struktur udlede værdier, der kunne sammenlignes med målinger.

Således fandt han for brint ioniseringsenergi – det vil sige den energi, der skal til for helt at løsrive elektronen for atomet – en talværdi, der var i god overensstemmelse med eksperimenter.

Også brintatomets størrelse i grundtilstanden kunne han beregne, idet han udledte dets radius til at være cirka 5 x 10^-9 centimeter eller 0,05 nanometer, en størrelse der i dag betegnes som en 'Bohr-radius'.

Spektrallinjerne blev fundet eksperimentielt

Endnu mere imponerende var det, at Bohr kunne beregne spektret af brints lys, altså de karakteristiske bølgelængder brint udsender.

Allerede i 1885 havde den svejtsiske skolelærer Johann Balmer (1825-1898) vist, at disse bølgelængder følger et bestemt matematisk mønster, men ingen fysisk teori eller model havde kunnet forklare hverken mønster eller formel.

Ikke blot var Bohr i 1913 i stand til at udlede denne formel, han kunne også forudsige nye bølgelængder i de usynlige infrarøde og ultraviolette områder af spektret. Spektrallinjerne blev fundet eksperimentelt, med netop de forudsagte bølgelængder.

Succesen blev underbygget

Succesen blev yderligere udbygget, da Bohr kunne redegøre for nogle mystiske linjer, der optrådte i en blanding af brint og helium.

Andre fysikere mente, at disse linjer måtte hidrøre fra brint og være i modstrid med Bohrs teori, men Bohr kunne vise, at de stammede fra ioniseret helium (He⁺), hvor kun en enkelt elektron kredser omkring den tungere heliumkerne.

Et problem, der truede Bohrs atommodel, var her blevet vendt til en spektakulær bekræftelse.

Eksperimenter bekræftede stationær tilstand i atomet

Ideen om stationære tilstande eller baner for elektronen i dens omløb om kernen var et centralt element i Bohrs nye atomteori. Eksisterede disse tilstande i virkeligheden, eller var de blot et produkt af Bohrs fantasi?

De tyske fysikere James Franck (1882-1964) og Gustav Hertz (1887-1975) lavede en række eksperimenter, som de først anså for at være i modstrid med teorien, men da Bohr analyserede dem i 1914, indså han, at de tværtimod udgjorde en klar bekræftelse af hypotesen om stationære tilstande i atomet.

I 1925 fik Franck og Hertz Nobelprisen i fysik med netop denne begrundelse.

Bohrs teori blev opfattet som problematisk og besynderlig

På trods af dens mange empiriske succeser blev Bohrs teori af flere fysikere imidlertid opfattet som problematisk og lovlig besynderlig, da den på vigtige områder stred direkte imod den klassiske fysik.

Ifølge klassiske forestillinger må en elektron kunne findes i enhver afstand fra kernen – på samme måde som en planet eller komet kan findes i enhver afstand fra Solen.

Det var også grundlæggende, at en elektron, der kredser omkring kernen, afgiver stråling og derved mister energi, så den kollapser med kernen. Uden at kunne begrunde det empirisk satte Bohr denne vigtige lovmæssighed ud af kraft for de stationære baner.

Optimismen var kortvarig

Det tog tid for fysikerne at vænne sig til det nye kvanteatom, men omkring 1918 var Bohrs model alment accepteret som den klart bedste teori for atomets opbygning.

Bohrs teori var særdeles ambitiøs, idet den ikke blot lovede en forklaring på atomets mysterier, men også en forståelse af molekylernes struktur og egenskaber. I sin ungdommelige optimisme mente Bohr, at han var på vej mod en forståelse af hele kemien på et atomfysisk grundlag.

Hans optimisme var ikke ubegrundet, for han kunne beregne energien af det simple brintmolekyle (H₂) og den dannelsesvarme, der opstår, når to brintatomer forener sig til et molekyle (H + H → H₂).

Men optimismen var kortvarig, for det viste sig, at Bohrs teori ikke kunne redegøre for den kemiske binding, der knytter atomer sammen i molekyler.

Hafnium blev opdaget på Københavns Universitet

Derimod kunne Bohr allerede i 1913 skitsere en lovende forklaring på grundstoffernes periodiske system ud fra antallet af elektroner i forskellige baner om kernen.

I starten af 1920'erne udviklede han dette første forsøg til en fuldgyldig teori. Den var ganske vist ikke helt korrekt, men var dog et vigtigt trin i den udvikling, der et par år senere førte til en atomfysisk forståelse af hele det periodiske system.

Blandt andet kunne Bohr ud fra sin teori forudsige egenskaberne for det endnu ukendte grundstof med placering nummer 72 i det periodiske system, og i overensstemmelse hermed blev grundstoffet hafnium opdaget i 1923.

Opdagelsen fandt sted på Bohrs institut i København.

De kunne ikke forklare teorien i detaljer

I 1922 blev Bohr tildelt Nobelprisen i fysik for sine 'fortjenester inden for udforskningen af atomernes struktur og af den stråling, der udsendes fra dem'. På den tid var teorien fra 1913 udviklet i langt flere detaljer, ikke blot af Bohr selv, men også af en lang række andre fysikere.

Især Arnold Sommerfeld (1868-1951) fra Universitetet i München bidrog med vigtige resultater, og det samme var tilfældet med andre tyske fysikere, som Bohr havde nær kontakt med.

Men på trods af den stadig mere sofistikerede teori var der omkring 1924 en klar fornemmelse af, at den levede på lånt tid. Der var fænomener, teorien ikke kunne forklare, og dens teoretiske struktur var utilfredsstillende, ja måske endda inkonsistent.

Selv det simple heliumatom, hvor kun to elektroner kredser omkring kernen, kunne teorien ikke forklare i detaljer.

Kvantemekanikken voksede ud af Bohrs atomteori

Der var noget galt. Måske elektronerne slet ikke bevægede sig i veldefinerede baner omkring kernen? Måske problemerne lå gemt i selve den anskuelige planetmodel?

Indvendingerne blev rejst af især den unge tyske fysiker Werner Heisenberg (1901-1976) og hans østrigske kollega Wolfgang Pauli (1900-1958), og det var blandt andet på grund af deres kritik, at Bohrs oprindelige atommodel afgik ved døden – om end det var en naturlig og værdig død.

I 1925 blev modellen erstattet af kvantemekanikken, der på mange måder voksede ud af de ruiner, der var tilbage af den bohrske atomteori.

Atomteorien er ikke helt korrekt, men meget pædagogisk

Når Bohrs oprindelige atommodeller stadig optræder i lærebøger i fysik og kemi, er det ikke, fordi teorien er 100 % korrekt, men fordi den giver et pædagogisk anskueligt og, trods alt, ikke helt forkert billede af atomernes struktur.

Under alle omstændigheder var Bohrs atomteori, på trods af dens korte levetid (1913-1925), et gigantisk fremskridt i forståelsen af atomernes struktur og den sære kvanteverden.

Einstein var blandt de fysikere, der ikke blot værdsatte teorien, men også erkendte, at dens styrke og succes i væsentlig grad var baseret på Bohrs særlige måde at tænke på.

Han betegnede senere teorien som et 'mirakel' og et udtryk for 'den højeste form for musikalitet i tankens rige'.

Når Bohr havde været i stand til at afdække lovene for lysudsendelse og atomets struktur, så skyldtes det ifølge Einstein hans 'enestående instinkt' og en særegen fornemmelse for sammenhænge i naturen.