Життя і досягнення Нільса Бора

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

РОСІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. А. І. ГЕРЦЕНА
Факультет фізики

Курсова робота
з дисципліни "Теоретична фізика"
на тему: «Життя і досягнення Нільса Бора»


Виконав: студент 5 курсу, 3 групи
Полікарпова Т.Л.
_________________________
(Підпис)
Прийняв: ____________________________________
(Посада, науковий ступінь)
___________________________
(Підпис)
___________________________
(Прізвище І.Б.)
___________________________
(Дата)
Санкт-Петербург
2005
Головне, щоб працювало,
а віриш ти в це чи ні - не важливо
Датський фізик Нільс Хенрік Давид Бор народився 7 жовтня 1885 р. в Копенгагені і був другим з трьох дітей Крістіана Бора та Еллен (у дівоцтві Адлер) Бор. Його батько був відомим професором фізіології в Копенгагенському університеті, його мати походила з єврейської сім'ї, добре відомої в банківських, політичних та інтелектуальних колах. Їхній будинок був центром досить жвавих дискусій з животрепетних науковим і філософським питанням, і протягом всього свого життя Бор розмірковував над філософськими висновками з своєї роботи.
Батьки рано помітили видатні здібності сина і сприяли їх розвитку. Разом зі своїм молодшим братом Гаральдом, згодом великим математиком, Нільс зростав у надзвичайно сприятливому для розвитку її здібностей соціальному та науковому оточенні: «Я ріс у родині з глибокими духовними інтересами, де звичайними були наукові дискусії; та й для мого батька навряд чи існувало суворе відмінність між її власною науковою роботою та його живим інтересом до всіх проблем людського життя ». Так говорив Бор пізніше про своєму батьківському домі.
Він навчався в Гаммельхольмской граматичній школі в Копенгагені і закінчив її в 1903 р. Бор і його брат Гаральд, який став відомим математиком, у шкільні роки були завзятими футболістами; пізніше Нільс захоплювався катанням на лижах і вітрильним спортом.
Ще будучи учнем, Нільс Бор під керівництвом свого батька проводив невеликі фізичні досліди. У шкільні роки для нього не існувало труднощів, про які згадували згодом інші відомі фізики. І в університеті успіхи молодого Бора були настільки великі, що вже на другому році навчання професор міг використовувати його в якості помічника. Згадаймо про молодого Ейнштейна, якому після отримання диплома так довго довелося чекати місця асистента у вищій школі!
За експериментальне дослідження поверхневого натягу води, яку він провів в 1907 році в лабораторії свого батька на основі робіт Релея, відомого англійського фізика й лауреата Нобелівської премії, студент Бор був нагороджений золотою медаллю Копенгагенської Академії наук. Це дослідження залишилося, власне, його єдиною великою експериментальною роботою. Володіючи яскраво вираженими схильностями і до експериментальної фізики, Бор належав до тих фізикам-теоретикам, які експериментували тільки в роки своєї юності.
Як і багато експериментаторів того часу, Бор проводив свої досліди, використовуючи саморобні прилади. При цьому він працював з такою надзвичайною грунтовністю, що закінчення робіт завжди надто затягувалося. Як він пізніше розповідав, батькові доводилося надсилати його до діда з бабусею, щоб там в сільському самоті, далеко від лабораторії, він нарешті міг приступити до викладу на папері досягнутих результатів та їх оцінку.
Початківець фізик цікавився також і гуманітарними науками. Лекції філософа Хеффдінга формальної логіки, і з теорії пізнання він слухав регулярно і так уважно, що навіть міг вказати вченому на деякі помилки, допущені ним в одній з робіт.
Лекції з філософії мали для Бора тільки інформативне значення. Хеффдінг не намагався виробити в своїх слухачів певну філософську систему, він викладав студентам проблеми філософії, дотримуючись процесу їх розвитку в історії духовного життя людства, як би змушуючи слухачів брати участь у спробах окремих філософів і філософських шкіл дати відповідь на основні проблеми мислення.
Мабуть, молодий Бор не захопився жодної з філософських систем. Однак відомо, що йому дуже подобалися деякі думки Спінози. Охоче ​​читав він також твори свого співвітчизника К'єркегора, одного з попередників екзистенціалізму, захоплюючись більше їх блискучим стилем, ніж змістом. Але більш за все своєю увагою до філософії Бор був зобов'язаний невибагливою книжці одного данського автора, в гумористичній формі толковавших діалектику Гегеля.
Дипломний проект Бора, в якому він визначав поверхневий натяг води по вібрації водяного струменя, приніс йому золоту медаль Датської королівської академії наук. Ступінь магістра він отримав у Копенгагенському університеті в 1909 р. Його докторська дисертація з теорії електронів у металах вважалася майстерням теоретичним дослідженням. Серед іншого в ній розкривалася нездатність класичної електродинаміки пояснити магнітні явища у металах. Це дослідження допомогло Бору зрозуміти на ранній стадії своєї наукової діяльності, що класична теорія не може повністю описати поведінку електронів.
Восени 1910 Ернста Резерфорда охоплювали болісні роздуми. Він намагався зрозуміти, як влаштований атом. Експерименти з розсіювання альфа-частинок різними речовинами переконливо свідчили: усередині атома знаходиться якесь масивне тіло (в 1912 р. Резерфорд назве його ядром). Проблема полягала в тому, який заряд воно несе - позитивний чи негативний?
Якщо негативний, то зберігалися "прогалини" Томсонівське моделі атома. Бо залишалося неясним, чим обумовлений позитивний заряд сфери. І яка ж кількість електронів, щоб ним забезпечити атому відповідну "вагомість"?
А якщо позитивний? Тоді модель просто втрачала риси реальності. Електрони, які рухалися по орбітах згідно з класичною електродинамікою, повинні були безперервно випромінювати енергію. І, в кінцевому рахунку, поглинатися позитивно зарядженої серцевиною.
І тим не менше в травні 1911 р. Резерфорд опублікував статтю "Розсіювання альфа-і бета-частинок в речовині та Структура атома". Розуміючи всю вразливість своєї позиції, він, проте, приписав ядру заряд "+".
Правда, статтю він попередив примітною застереженням: "Питання про стійкість пропонованого атома на цій стадії не слід піддавати розгляду, бо стійкість виявиться, очевидно, залежить від тонких деталей структури атома і руху складових його заряджених частин".
Так з'явилася на світ ядерно-електронна модель атома. Вона була подібна до Сонячній системі: навколо ядра-Сонця оберталися електрони-планети. Цієї моделі судилося відіграти величезну роль у створенні новітньої атомістики. Але ніхто з корифеїв фізики спочатку не звернув на неї уваги. У цій науці існували інші проблеми, що вважалися найбільш значущими і нагальними.
Резерфорд внутрішньо був переконаний у реальності свого "химерного" атома. На багато питань його модель давала задовільні відповіді. Нейтральність атома обумовлювалась позитивним ядром і негативним електронним "оточенням". Масивне ядро ​​визначало величину атомної ваги. Виліт альфа-частинок також отримував прийнятне пояснення. А легко відриваються "орбітальні" електрони брали участь в утворенні хімічних зв'язків між атомами. Ці гідності переважував один-єдиний, але фатальний недолік.
Щоб позбутися від нього, було потрібне щось, що не вкладається у звичні рамки наукових уявлень.
Тієї ж навесні 1911 р. в Копенгагенському університеті захистив дисертацію Нільс Бор. Вона стосувалася теорії руху електронів в металах. Йому нещодавно виповнилося двадцять п'ять років, і він прагнув досягти вагомих успіхів у науці. Бор у той час "був глибоко захоплений Томсонівське оригінальними думками про електронну структуру атомів", і тому робота в Кавендішевской лабораторії здавалася йому особливо привабливою.
Там Бор і познайомився з Резерфордом. А вже в березні 1912 р. перебрався до нього в Манчестер.
І повірив у його атомну модель.
Бор відчував особливий інтерес до цього очевидного парадоксу класичної фізики, який виявив Резерфорд, оскільки все дуже нагадувало ті труднощі, з якими він зіткнувся при роботі над дисертацією. Можливе рішення цього парадоксу, як вважав він, могло лежати в квантовій теорії.
У 1900 р. Макс Планк висунув припущення, що електромагнітне випромінювання, що випускається гарячим речовиною, йде не суцільним потоком, а цілком певними дискретними порціями енергії. Назвавши в 1905 р. ці одиниці квантами, Альберт Ейнштейн поширив цю теорію на електронну емісію, що виникає при поглинанні світла деякими металами (фотоелектричний ефект).
Бор згадував згодом: "... навесні 1912 р. я прийшов до переконання, що електронна будова атома Резерфорда управляється за допомогою кванта дії". Ось хід його міркувань. Діаметр атома становить близько однієї стомільйонний частки сантиметра. У ньому є електричні заряди визначеної величини; їх носіями служать тіла певної маси. Як, маючи це на увазі, пояснити розмір атома? Заряди і маси не дозволяють вивести величину, яка має розмірність довжини. Отже, або існують якісь інші сили, діючі на відстані атомного радіуса (але вони невідомі), або повинні грати роль характерні константи, що дозволяють разом із зарядом і масою отримати величину розмірності довжини.
Такий константою могла бути тільки постійна Планка. Так Бор ввів кванти в теорію атома.
Влітку 1912 р. Б. повернувся в Копенгаген і став асистент - професором Копенгагенського університету. У цьому ж році він одружився на Маргрет Норлунд. У них було шестеро синів, один з яких, Oгe Бор, також став відомим фізиком
Свою теорію Бор виклав у статті "Про будову атомів і молекул" 5 квітня 1913 р. У ній містилися у двох основних постулатах. Відповідно до першого в атомі існують "дозволені" стаціонарні орбіти. Рухаючись по них, електрон не випромінює енергії. Відповідно до іншого він може "перескочити" на ближчу до ядра стаціонарну орбіту. При цьому випускається квант енергії.
Говорячи науковою мовою, він припустив, що кутовий момент електрона квантуется. Далі він показав, що в цьому випадку електрон не може перебувати на довільному видаленні від атомного ядра, а може бути лише на ряді фіксованих орбіт, що одержали назву «дозволені орбіти». Електрони, що знаходяться на таких орбітах, не можуть випромінювати електромагнітні хвилі довільній інтенсивності і частоти, інакше їм, швидше за все, довелося б перейти на більш низьку, недозволену орбіту. Тому вони і утримуються на своїй вищій орбіті, подібно літаку в аеропорту відправлення, коли аеропорт призначення закритий унаслідок нельотну погоду.
Однак електрони можуть переходити на іншу дозволену орбіту. Як і більшість явищ у світі квантової механіки, цей процес не так просто уявити наочно. Електрон просто зникає з однієї орбіти і матеріалізується на інший, не перетинаючи простору між ними. Цей ефект назвали «квантовим стрибком», або «квантовим стрибком». Пізніше цей термін здобув широку популярність і ввійшов у наш лексикон зі значенням «раптове, стрімке поліпшення» («Справжній квантовий стрибок у технології виробництва наручних годинників!"). Якщо електрон перескакує на більш низьку орбіту, він втрачає енергію і, відповідно, випускає квант світла - фотон фіксованою енергії з фіксованою довжиною хвилі. На око ми розрізняємо фотони різних енергій за кольором - розпечена на вогні мідний дріт світиться синім, а натрієва лампа вуличного освітлення - жовтим. Для переходу на більш високу орбіту електрон повинен, відповідно, поглинути фотон.
У картині атома по Бору, таким чином, електрони переходять вниз і вгору по орбітах дискретними стрибками - з одного дозволеної орбіти на іншу, подібно до того, як ми піднімаємося і спускаємося по сходинках сходів. Кожен стрибок обов'язково супроводжується випусканням або поглинанням кванта енергії електромагнітного випромінювання, який ми називаємо фотоном.

Хоча модель Бора здавалася дивною і трохи містичної, вона дозволяла вирішити проблеми, давно бентежить фізиків. Зокрема, вона давала ключ до поділу спектрів елементів. Коли світло від світиться елемента (наприклад, розпечена на вогні мідний дріт) проходить через призму, він дає не безперервний включає всі кольори спектр, а послідовність дискретних яскравих ліній, розділених більш широкими темними областями. Відповідно до теорії Бора, кожна яскрава кольорова лінія (тобто кожна окрема довжина хвилі) відповідає світла, що випромінюється електронами, коли вони переходять з одного дозволеної орбіти на іншу орбіту з більш низькою енергією. Бор вивів формулу для частот ліній у спектрі водню, в якій містилася постійна Планка. Частота, помножена на постійну Планка, дорівнює різниці енергій між початковою і кінцевою орбітами, між якими відбувається перехід електрона. Теорія Бора, опублікована в 1913 р., принесла йому популярність, його модель атома стала відома як атом Бора.
Десять років по тому Планк говорив, що сміливість теорії атомного механізму Бора і повнота його розриву з вкоріненими і нібито надійними поглядами не має собі рівних в історії фізичної науки. Теорія Бора блискуче узгоджувалася з фактами, що як раз і є найважливішим завданням теорії. Поряд з безсумнівним даруванням в «мистецтві синтезу» він виявив також чітке розуміння дійсності.
У результаті того, що Бор ввів у внутріатомної динаміку два здаються довільними постулату про кванти, точне математичне виклад яких було дано Зоммерфельдом, Бор зміг побудувати задовільну модель атома водню як найпростішого атома. «Тоді як перший постулат підкреслює загальну стійкість атома, другий перш за все має на увазі існування спектрів, що складаються з різких ліній». Так пояснював Бор обидва квантові умови у своєму нобелівському доповіді.
Дійсно, таким чином могли бути пояснені багато основоположних результати спектроскопічних досліджень. Бор зміг розшифрувати оптичне явище, яке до того не було розгадано: розміщення спектральних ліній атома водню, закономірність якого встановив в 1885 році швейцарський фізик Йоганн Якоб Бальмер.
Бальмер, мав значні заслуги у розробці заснованого Бунзеном і Кірхгофа спектрального аналізу, був першим, хто в емпірично знайденої формулою математично описав розташування спектральних ліній, які випускаються атомом водню при електричному розряді або при тепловому русі. Під безпосереднім впливом досліджень Штарка по динаміці атома Бору вдалося переконливо, з точки зору фізики пояснити «серію Бальмера» і за допомогою своєї атомної моделі вивести запропоновану Бальмером формулу.
За допомогою застосування поняття кванта в атомному вченні стало можливим вирішити загадку спектральних ліній і принаймні в загальних рисах пояснити разючу стійкість атомів, будова їх електронних оболонок і періодичну систему елементів. Теорія спектральних ліній Бора відкрила нову область досліджень.
«Велика кількість експериментального матеріалу, отримане спектроскопією протягом декількох десятиліть, - писав Гейзенберг, - тепер, при вивченні квантових законів руху електронів, стало джерелом інформації. Для тієї ж самої мети могли бути використані багато експерименти хіміків. Маючи справу з цим експериментальним матеріалом, фізики поступово навчилися ставити правильні питання. Адже часто правильно поставлене запитання означає більше ніж наполовину вирішення проблеми ».
Наукове досягнення 27-річного данця було перетворює, революційним. Він зміг зробити його тільки тому, що йому не заважала йти вперед консервативна спрямованість розуму, зайве благоговіння перед класичними переказами. Тому Бор, а не Планк став творцем атомної механіки і істинним вождем «квантових теоретиків».
При цьому не можна, звичайно, забувати, що основоположна ідея квантування енергії належить не Бору, а Планку. Бор сприйняв її у Планка: у формі ейнштейнівського квантового вчення, яке вже в основному виходило за рамки гіпотези Планка. Отже, шлях ідеї проходив від Планка через Ейнштейна до Бору.
«Через півстоліття введення дискретних квантових станів електронної системи атома може здатися чимось само собою зрозумілим, - говорив Джеймс Франк. - Здавалося, якби Бор не ввів цю ідею, то незабаром хто-небудь інший прийшов би до того ж висновку. Таку думку в корені помилкове. Скільки мужності, незалежності і зосередженості на істотному було необхідно, показує та повільність, з якою ця ідея знаходила визнання у величезної маси фізиків ».
Так як Планка квантова гіпотеза в той час ще вважалася спірною, не дивно, що спроба Бора заснувати модель атома на понятті квантів не мала спочатку у фізиків великого успіху. Деяким теорія Бора здавалася «вражаючим гібридом, отриманим за допомогою щеплення деяких рис квантової теорії, що виходить з уявлень про переривчастості матерії, до теорії планетних орбіт - типової класичної теорії, що розглядає світ як щось безперервне», як писав в автобіографії Норберт Вінер, засновник кібернетики.
Резерфорд, незважаючи на деякі сумніви, сприйняв модель атома Бора з схваленням; але інші відомі фізики-атомники рішуче відхилили її. До їх числа належав і англійська лауреат Нобелівської премії Дж.Дж. Томсон, який здобув світову славу завдяки відкриттю електрона, а також завдяки іншим основоположним досягненням у галузі дослідження атома і який висував свою модель атома.
Арнольд Зоммерфельд, присвятив згодом всі свої сили розробці теорії атома Бора, спочатку також не хотів нічого знати про застосування пояснення «серії Бальмера» до моделі атома. Надалі фундаментальні дослідження Зоммерфельдом тонкої структури ліній водню і його розрахунок можливих орбіт електронів з урахуванням моментів теорії відносності сприяли тому грандіозному підйому атомізму, який значною мірою привело до стирання межі між фізикою і хімією. Його праця «Будова атому та спектральні лінії» вважається класичною монографією раннього періоду сучасної теорії атома.
«Робота Бора в перші роки після її появи була мало відома в Німеччині, - писав Джеймс Франк у статті про Нільсі Борі в« Натурвіссеншафтен »у 1963 році. - Літературу лише побіжно переглядали, і так як в той час серед фізиків панувало відверте недовіру до успішності спроб сконструювати модель атома при тодішньому рівні знань, то мало хто давав собі працю уважно прочитати роботу. Особливо слід відзначити, що Густав Герц і автор цих рядків спочатку були нездатні зрозуміти величезне значення роботи Бора ». Роботи Франка і Герца щодо порушення спектральних ліній шляхом опромінення атомів електронами рішучим чином підтримували злодійське розуміння будови атома і підтверджували це розуміння в його основі. Обидва фізика працювали у Фізичному інституті Берлінського університету.
Оцінивши важливість роботи Бора, Резерфорд запропонував йому ставку лектора в Манчестерському університеті - піст, який Бор займав з 1914 по 1916 р. У 1916 р. він зайняв пост професора, створений для нього в Копенгагенському університеті, де він продовжував працювати над будовою атома. У 1920 р. він заснував Інститут теоретичної фізики в Копенгагені; за винятком періоду другої світової війни, коли Бора не було в Данії, він керував цим інститутом до кінця свого життя. Під його керівництвом інститут відіграв провідну роль у розвитку квантової механіки (математичний опис хвильових і корпускулярних аспектів матерії та енергії). Протягом 20-х рр.. Борівська модель атома була замінена більш складної квантово-механічної моделлю, заснованої головним чином на дослідженнях його студентів і колег. Тим не менш атом Бора зіграв істотну роль моста між світом атомної структури і світом квантової теорії.
Бор був нагороджений у 1922 р. Нобелівською премією з фізики «за заслуги в дослідженні будови атомів і що випускається ними випромінювання». При презентації лауреата Сванте Арреніус, член Шведської королівської академії наук, зазначив, що відкриття Бора «підвели його до теоретичних ідей, які істотно відрізняються від тих, які лежали в основі класичних постулатів Джеймса Клерка Максвелла». Арреніус додав, що закладені Бором принципи «обіцяють рясні плоди в майбутніх дослідженнях».
Наступні кілька років Бор присвятив детальній розробці квантової теорії атома.
Однак теорія не була позбавлена ​​суперечностей. Справді: уявлення про стаціонарних орбітах електронів спиралося на планківську теорію, а розрахунок цих орбіт грунтувався на методах класичної механіки та електродинаміки. Не без гумору зауважив свого часу Генрі Брегг: в теорії Бора ми "як би повинні по понеділках, середах і п'ятницях користуватися класичними законами, а по вівторках, четвергах і суботах - квантовими".
У другій половині 20-х рр.. на зміну квантової теорії прийшла квантова механіка. Бор чимало зробив для її становлення та інтерпретації.
На засіданні Фізичного товариства в Копенгагені 18 жовтня 1921 Бор прочитав доповідь: "Будова атома і фізичні і хімічні властивості елементів", в якому виклав основні положення теорії періодичної системи. Він пояснював те, перед чим вставав у глухий кут Дмитро Іванович Менделєєв: глибинні причини періодичної зміни властивостей. "Послідовність елементів розпадається на різні періоди, усередині яких їх хімічні властивості змінюються відомим характерним чином, - говорив Бор. - Для тлумачення цієї закономірності природно припустити виразне розподіл електронів в атомі таким чином, що розташування груп елементів у системі слід приписати поступового утворення електронних груп у атомі в міру збільшення атомного номера ".
Ці "електронні групи" Бор назвав "квантовими орбітами"; дещо пізніше їх стануть називати "оболонками" і "подоболочкамі". Бор далі запропонував чітку схему послідовного формування електронних конфігурацій атомів, з тих пір, по суті, не зазнала помітних змін. І ілюстрував свої уявлення сходової формою періодичної системи.
Безумовно, схема ця не мала суворого теоретичного висновку. Вона спиралася на емпіричні факти зміни властивостей елементів у таблиці Менделєєва і на їх характеристичні рентгенівські спектри. Правильніше сказати, Бор не "вивів" періодичної системи, а лише пояснив її, користуючись квантової моделлю будови атома. Для "виведення" ж потрібні принципово нові ідеї та методи. Їх надала квантова механіка.
Бор написав багато робіт, присвячених проблемам епістемології (пізнання), які виникають у сучасній фізиці. У 20-і рр.. він зробив вирішальний внесок у те, що пізніше було названо копенгагенської інтерпретацією квантової механіки. Грунтуючись на принципі невизначеності Вернера Гейзенберга, Копенгагенська інтерпретація виходить з того, що жорсткі закони причини і наслідки, звичні нам у повсякденному, макроскопічному світі, незастосовні до внутрішньоатомних явищам, які можна витлумачити лише в імовірнісних термінах.
Основні ідеї квантової механіки, незважаючи на її формальні успіхи, в перші роки залишалися багато в чому неясними. Для повного розуміння фізичних основ квантової механіки, її зв'язки з класичною фізикою був потрібен подальший глибокий аналіз співвідношення класичного (макроскопічного) і квантового (мікроскопічного - на атомному та субатомному рівнях) матеріальних об'єктів, процесу вимірювання характеристик мікрооб'єктів і взагалі фізичного змісту використовуваних в теорії понять. Цей аналіз зажадав напруженої роботи, в якій провідну роль зіграв Бор. Його інститут став центром такого роду досліджень. Головна ідея Бора полягала в тому, що запозичені з класичної фізики динамічні характеристики мікрочастинки (наприклад, електрона) - її координата, імпульс (кількість руху), енергія та ін - зовсім не властиві частці самої по собі. Сенс і певне значення тієї чи іншої характеристики електрона, наприклад його імпульсу, розкриваються у взаємозв'язку з класичними об'єктами, для яких ці величини мають певний сенс і всі одночасно можуть мати певне значення (такий класичний об'єкт умовно називається вимірювальним приладом). Ця ідея має не тільки принципове фізичне, а й філософське значення. У результаті була створена послідовна, надзвичайно загальна теорія, внутрішньо несуперечливо пояснює всі відомі процеси в мікросвіті для нерелятивистской області (тобто поки швидкості частинок малі в порівнянні зі швидкістю світла) і в граничному випадку автоматично веде до класичними законами та понять, коли об'єкт стає макроскопічними. Були також закладені основи релятивістської теорії.
Бор також сформулював два з фундаментальних принципів, що визначили розвиток квантової механіки: принцип відповідності і принцип додатковості
Принцип відповідності, який Бор висунув ще в 1916 році, означав, що квантова теорія може бути певним чином узгоджена з класичною теорією, тобто «відповідати» їй. Класична механіка блискуче підтвердилася не лише в усіх макрофізіческіх процесах, але також і у всіх мікрофізичних процесах, аж до руху атомів як цілого, що показала кінетична теорія матерії. Отже, нова атомна механіка повинна була привести в кінці кінців до тих самих результатів, що і класична. Вона повинна була асимптотично перейти в класичну механіку для крайніх випадків великих мас чи великих розмірів орбіт. Якщо значення елементарного кванта дії h розглядати як нескінченно малу величину або знехтувати їм, то практично будуть діяти закони класичної фізики.
Якщо, наприклад, електрон в атомі водню переходить на орбіти, все далі віддалені від ядра, і нарешті повністю відривається від нього, то закони випромінювання квантової механіки з великим наближенням приймають форму законів класичної електродинаміки. Принцип відповідності передає, таким чином, зв'язок між двома суперечать один одному теоретичними побудовами: мікрофізику і макрофізики, межі між якими визначаються константою Планка.
Принцип відповідності, в якому старе було сміливо з'єднане з новим, виявився дуже корисним для приблизних розрахунків інтенсивності спектральних ліній. Він зіграв велику роль у подальшому розвитку квантової фізики. «Теоретична фізика жила цією ідеєю наступні десять років, - говорив Макс Борн. - ... Мистецтво вгадування правильних формул, які відхиляються від класичних, але переходять в них, в сенсі принципу відповідності було значно вдосконалено ».
Приблизно десять років потому, на з'їзді фізиків, який був влаштований влітку 1927 року в Комо з нагоди сторіччя з дня смерті великого італійського фізика Алессандро Вольта, Бор виклав свій другий принцип, принцип додатковості, що зробив можливим несуперечливе тлумачення явищ квантової механіки. Основні висновки з'явилися під назвою «Квантовий постулат і новий розвиток атомістики» у журналі «Натурвіссеншафтен», а в первинному варіанті англійською мовою в журналі «Нейчо».
Ця стаття Бора, в якій вперше містилося так зване копенгагенське тлумачення квантової механіки, належить до тих класичним документами фізичної науки, які безпосередньо послужили теоретичної підготовки атомного століття. Минуло більше двох десятиліть, перш ніж висунута Планком ідея про кванти була настільки розвинена, що зробила можливим дійсне розуміння внутрішньоатомних закономірностей.
З поняттям корпускули було пов'язано уявлення про якийсь предмет, що має строго певну величину руху і в даний момент знаходиться в строго визначеному місці, як це спостерігається в макросвіті, наприклад у кинутого м'яча, положення якого і швидкість руху в будь-який момент можуть бути точно виміряні і визначені.
Однак з'ясувалося, що неможливо не тільки практично, але і в принципі з однаковою точністю одночасно встановити місце і величину руху атомної частки. Тільки одне з цих двох властивостей може бути визначено точно. Чим точніше і виразніше вимірюють одну з двох величин, тим менш точною і певної виявляється інша. Існування елементарного кванта дії є перешкодою для встановлення одночасно і з однаковою точністю величин, які «канонічно пов'язані», тобто положення і величини руху мікрочастинки.
Це природний стан «обопільної невизначеності», як говорив Бор, яке супроводжує кожного квантовомеханічної виміру, було математично відображує Гейзенбергом як «співвідношення неточностей» або «співвідношення невизначеностей». Це відкриття належать до найбільших досягнень теоретичної фізики.
У своїй книжці «Фізика атомного ядра» Гейзенберг так охарактеризував відкритий ним закон природи: «Ніколи не можна одночасно точно знати обидва параметри, вирішальним чином визначають рух такої дрібної частинки: її місце і її швидкість. Ніколи не можна одночасно знати, де вона знаходиться, як швидко і в якому напрямку рухається. Якщо ставлять експеримент, який точно показує, де вона знаходиться в даний момент, то рух порушується в такому ступені, що частку після цього навіть не можна знову знайти. І навпаки, при точному вимірюванні швидкості картина місця повністю змазується ».
Гейзенбергівських співвідношення невизначеностей є вираз неможливості спостерігати світ атома, не руйнуючи його. Будь-яка спроба дати чітку картину мікрофізичних станів повинна тому спиратися або на корпускулярне, або на хвильовому тлумачення. При корпускулярном описі вимірювання проводиться для того, щоб отримати точне значення енергії та величини руху атомної частки, як це буває, наприклад, при розсіюванні електронів. При експериментах, спрямованих на точне визначення місця і часу, навпаки, використовується хвильове пояснення, як це буває, наприклад, при проходженні електронів через тонкі пластинки або при спостереженні відхилених променів.
Бор у своєму принципі додатковості надав гейзенбергівських співвідношенню невизначеностей закінчену теоретико-пізнавальну форму. Основний зміст цього принципу він сформулював так: «Поняття частинки і хвилі доповнюють один одного і в той же час суперечать один одному, вони є доповнюючими картинами того, що відбувається».
Атомні системи, для яких суттєвим є квант дії Планка, не можуть розглядатися так само, як частки макросвіту, для яких Планка константа h зважаючи на її малої величини не має значення. У світі атома корпускулярна і хвильова картини самі по собі не є достатніми, як у світі великих тел. Обидві «картини» законні, і протиріччя між ними не можна зняти. Тому корпускулярна і хвильова картини повинні доповнювати одна одну, тобто бути «комплементарними». Тільки при обліку обох аспектів отримують загальну картину мікрофізики, перш за все, електронної механіки, про яку, в першу чергу, йде мова в теоріях Бора та Гейзенберга.
Результати квантової механіки, узагальнено викладені в 1927 році в гейзенбергівських співвідношенні невизначеностей і в принципі додатковості Бора, примусили гносеології критично переглянути існувало раніше класичне уявлення про дійсність. Стало ясно, що «опис фізичної реальності, зовсім не залежною від засобів, за допомогою яких ми її спостерігаємо, строго кажучи, неможливо», як писав відомий французький фізик і лауреат Нобелівської премії Луї де Бройль. Природу можна описувати тільки як щось підкоряється природничих методів дослідження.
Принципово новою рисою в теоретико-пізнавальному аналізі квантових явищ, згідно Бору, є введення основоположного відмінності між вимірювальним приладом і досліджуваним об'єктом. Взаємодія між вимірювальними приладами та атомними об'єктами утворює невід'ємну складову частину явищ атомного світу. Квантовомеханічної опис атомних об'єктів повинно бути пов'язано з класичним описом застосовуваних вимірювальних інструментів.
Все вищесказане, знову підтверджуючи думку В.І. Леніна про «невичерпності матерії вглиб», жодним чином не ставить під сумнів об'єктивність природи, об'єктивну реальність зовнішнього світу, що існує незалежно від людської свідомості. Об'єкти атомного світу не меншою мірою відносяться, як підкреслював радянський фізик В.А. Фок, до реального зовнішнього світу, і їх властивості не менш реальними, ніж речі і властивості, досліджувані в класичній фізиці. Але наївне уявлення про реальність, яке дозволяло розглядати частки в атомній фізиці як дуже маленькі піщинки, після 1927 року не могло вже залишатися в силі.
Доведений квантовою механікою факт, що між діяльністю суб'єкта і протидією об'єкта немає ніякої чіткої межі, не заважає нам, як підкреслював Макс Борн, «розумний спосіб використовувати ці поняття». Він пояснював сказане наочним прикладом: «Кордон між рідиною та її парою також нечітко, тому що атоми постійно випаровуються і конденсуються, і, незважаючи на це, ми можемо говорити про рідини і парі».
Діалектичне ускладнення розуміння реальності в квантовій механіці справила вплив на вирішення питання про причинну обумовленість і про строгу передбачуваності всіх природних процесів.
Разом з іншими провідними представниками квантової теорії Нільс Бор дотримувався думки, що дослідження субатомних явищ в найдрібніших подробицях неможливо, тому що будь-яка спроба вивчення цих процесів супроводжується небажаним втручанням вимірювальних інструментів у хід подій. Тому при прогнозуванні квантовомеханічний процесів можна говорити лише про ймовірність їх настання, але не про природно необхідної достовірності. Всі положення теорії атома мають імовірнісний характер. Всі закони атомної фізики є імовірнісними законами.
Поряд з поняттям ймовірності, владно виступив на передній план у Борівському теоретико-пізнавальному викладі питань квантової механіки, фундаментальне значення набуло також різниця між можливістю і реальністю, яка не мала гносеологічної цінності для класичної механіки та які нехтували. Поняття можливості, що означає лише «потенційно існуюче", у подальшому розвитку ходу думки Бора та Гейзенберга стало справжнім ядром філософської інтерпретації явищ атомної фізики.
У своїх теоретико-пізнавальних роботах Бор не тільки виступав завжди як матеріаліст, але був самобутнім і глибоким діалектиком. Його принцип додатковості, що відображає непримиренні протиріччя мікросвіту, є діалектичним принципом у повному сенсі слова. Відкриття цього принципу - головна заслуга датського фізика перед теорією пізнання. Одне тільки це відкриття дозволяє розглядати Бора як одного з найбільших теоретиків серед вчених-дослідників природи нового часу.
Правда, теоретико-пізнавальні устремління Бора та його учнів довгий час не зустрічали розуміння і перекручено тлумачилися. Про це вчений говорив в 1961 році в розмові з радянськими фізиками під час свого останнього приїзду до Москви.
Багато філософів-матеріалісти до недавнього часу звинувачували Бора в прихильності до суб'єктивного ідеалізму, тлумачачи грубо спрощено його погляд на проблему реальності як «заперечення» реальності зовнішнього світу. Тимчасові сумніви Бора в суворій універсальності закону збереження енергії і кількості руху в сфері атома були використані у філософській літературі в якості прикладів «антинаукових висновків» і «скочування до ідеалізму і агностицизму».
Велика заслуга в усуненні цих та подібних непорозумінь належить, поряд з іншими, радянським фізикам Іоффе і Фоку.
Іоффе у своїй книзі спогадів «Зустрічі з фізиками» переконливо показав, що Бор ні в якій мірі не заперечував реальності зовнішнього світу, він тільки прагнув до того, щоб встановити своєрідність його пізнаванності. Нільс Бор, як писав Іоффе, був великим мислителем, безперервно розвиває і поглиблює свої уявлення про природу не тільки фізичних, але і біологічних явищ.
За словами Фока, Бор останнім часом уникав виразу «неконтрольоване взаємодія» між об'єктом і вимірювальним приладом, вважаючи його недостатньо точним, хоча раніше він нерідко користувався цим виразом. Фок повідомляє, що в розмовах з ним Бор давав високу оцінку діалектиці та відхиляв позитивізм.
Бор віддав належне та ядерної фізики. У 1936 р. він пояснив механізм протікання ядерних реакцій. Бомбардують частка утворювала з ядром мішені складене ядро. Її енергія швидко розподілялася між усіма нуклонами. Через малий проміжок часу один з них або їх певна комбінація набували достатню енергію для того, щоб залишити ядро.
Запропонувавши так звану краплинну модель ядра (1939), Бор розкрив суть процесу розподілу урану під дією нейтронів і разом з Джоном Вілером розробив кількісну теорію цього процесу. Далі, він передбачив імовірність спонтанного ділення ядер - нового виду природної радіоактивності. Ця модель, де поведінка нестабільного важкого атомного ядра порівнюється з делящейся краплею рідини, дало в кінці 1938 р. можливість Отто Р. Фріш і Лізі Майтнер розробити теоретичну основу для розуміння поділу ядра. Відкриття поділу напередодні другої світової війни негайно дало поживу для домислів про те, як з його допомогою можна вивільняти колосальну енергію. Під час візиту в Прінстон на початку 1939 р. Бор визначив, що один зі звичайних ізотопів урану, уран-235, є, що розщеплюються, що мало істотний вплив на розробку атомної бомби.
У перші роки війни Бор продовжував працювати в Копенгагені, в умовах німецької окупації Данії, над теоретичними деталями поділу ядер. Над Бором нависла грізна небезпека. Керівництво Третього рейху мав намір залучити його до реалізації німецького атомного проекту. Восени 1943 р. Бору вдалося перебратися до нейтральної Швеції. Звідти він разом із сином Оге перелетів до Англії в порожньому бомбовому відсіку британського військового літака. Під час перельоту він ледь не загинув: в літаку для нього знайшлося місце тільки в бомбовому відсіку. Але кисневий шолом йому виявився занадто малий, і під час перельоту вчений мало не задихнувся.
Хоча Бор вважав створення атомної бомби технічно нездійсненним, робота зі створення такої бомби вже починалася в Сполучених Штатах, і союзникам потрібна його допомога. Наприкінці 1943 р. Нільс і Оге відправилися в Лос-Аламос для участі в роботі над Манхеттенським проектом. Старший Бор зробив ряд технічних розробок при створенні бомби і вважався старійшиною серед багатьох працювали там вчених, а проте його в кінці війни дуже хвилювали наслідки застосування атомної бомби в майбутньому. Він зустрічався з президентом США Франкліном Д. Рузвельтом і прем'єр-міністром Великобританії Уінстоном Черчіллем, намагаючись переконати їх бути відкритими і відвертими з Радянським Союзом щодо нової зброї, а також наполягав на встановленні системи контролю над озброєннями в післявоєнний період. Однак його зусилля не увінчалися успіхом.
Після війни Бор повернувся до Інституту теоретичної фізики, який розширився під його керівництвом. Він допомагав заснувати ЦЕРН (Європейський центр ядерних досліджень) і грав активну роль в його науковій програмі в 50-і рр.. Він також взяв участь у заснуванні Нордичного інституту теоретичної атомної фізики (Нордіта) в Копенгагені - об'єднаного наукового центру Скандинавських держав. У ці роки Бор продовжував виступати в пресі за мирне використання ядерної енергії і попереджав про небезпеку ядерної зброї. У 1950 р. він послав відкритий лист в ООН, повторивши свій заклик військових років до «відкритого світу» і міжнародного контролю над озброєннями. За свої зусилля в цьому напрямі він отримав першу премію «За мирний атом», засновану Фондом Форда в 1957 р.
З початку 20-х років творець квантової моделі атома став одним з найбільш відомих фізиків світу. На своїх колег він справляв дуже глибоке і незабутнє враження Ейнштейн, з яким Бор познайомився в 1920 році в Берліні, писав про нього фізику Еренфеста: «Це надзвичайно чуйна дитина, яка ходить по цьому світу як під гіпнозом»
У Копенгагені у Бору спочатку було небагато працівників. Одним з перших серед них був Х.А. Крамерс, який став читати лекції замість Бора, коли той після присудження йому Нобелівської премії (1922) був звільнений від обов'язків читання лекцій з тим, щоб він зміг повністю присвятити себе науковій дослідженню.
Звільнення від обов'язку читати лекції, звичайно, було вченому до душі ще й з інших причин. Як говорив Франк, у Бору «не було ніякого природного обдарування» до читання курсу лекцій відповідно до прийнятих в університеті вимогами Він говорив затинаючись, тихо і невиразно і, як свідчать, в найвідповідальніші моменти закривав до того ж долонею рот. Труднощі доставляло йому і розподіл навчального матеріалу по годинах.
Але як і Лауе, який теж не належав до числа добрих лекторів, Бор світився на колоквіумах, де часто виступи учасників приймали форму наукового діалогу. Тут він, за словами Франка, почував себе «легко і абсолютно як вдома» Завжди було задоволенням, говорив Франк, спостерігати його під час дискусій за його робіт або слухати його зауваження щодо виступів інших фізиків Швидкість і глибина мислення Бора та його здатність негайно ж схоплювати сутність кожного разу заново вражали тих, хто з ним стикався. Деякі однолітки Бора на зорі теорії атома випробували це на доповідях Бора в Берліні та Геттінгені, які він читав у стилі колоквіумів.
Значним явищем в історії науки був геттингенский «Фестиваль Бора», що відбувся влітку 1922 року. Фізик Фрідріх Гунт писав: «Бор протягом трьох тижнів по понеділках, вівторках і середах під час семінарів (а частіше значно довше) робив доповіді з квантової теорії атома і періодичної системи елементів. Говорив Бор невиразно, а ми як молодші не могли сидіти на передніх лавах серед іменитих гостей, так що ми напружено вслухалися, розкривши роти і забуваючи про вечерю і про вимоги наших голодних шлунків. Ми, звичайно, дещо читали в Зоммерфельда про будову атома і спектральних лініях, в 1920 році і Дебай прочитав нам (в досить прохолодною неопалюваній аудиторії) лекцію про квантової теорії, але те, про що говорив Бор, звучало зовсім по-іншому, і ми відчували, що це було щось дуже істотне. Сьогодні вже не передаси, яким ореолом було оточене цей захід; для нас воно було таким же визначною подією, як і Геттінгенському фестивалі Генделя, що проводилися в ті роки ».
Нільс Бор володів надзвичайною здатністю генерувати наукові ідеї і виявився настільки вмілим керівником колективу дослідників, що завдяки йому Копенгаген став «столицею атомної фізики» і Меккою для дослідників атома з усіх країн. Багато молоді фізики за власною ініціативою або за спеціальним запрошенням Бора приїжджали працювати в Копенгаген під його безпосереднім керівництвом. Деякі з них знаходилися там кілька тижнів або місяців, як молодий радянський фізик Л.Д. Ландау, що став згодом лауреатом Нобелівської премії, але багато залишалися на довгі роки.
Як і у Марії Кюрі, у розпорядженні Нільса Бора були грошові кошти одного американського фонду, які він використовував для заохочення наукової «порослі». «Його учнями ставали обдаровані молоді теоретики, - писав Франк, - отримали підготовку з теоретичної фізики і особливо по застосуванню математики при розробці теоретичних проблем в інших великих центрах цієї галузі науки. Те, чого вчив їх Бор на власному прикладі і шляхом дискусій, було мистецтвом, в якому він для всіх залишався зразком: продумування проблеми до кінця, невідступна подолання самообману, мужність перед, здавалося б, нездоланними перешкодами ».
У колі його учнів педагогічні здібності Бора проявилися блискучим чином, наскільки при цьому, як говорив Франк, взагалі можна говорити про «навчанні», оскільки «властивостями характеру не можна навчити, але можна розкрити їх значення і тим самим пробудити їх до життя в тих, у кого вони, так би мовити, перебувають у прихованому вигляді ». Під його керівництвом відбувалися невимушені, вільні від будь-якого тиску з його боку теоретичні суперечки. Питання, які цікавили учнів Бора і всіх учасників дискусії, обговорювалися відверто і безбоязно.
Багато відомих фізики-теоретики нашого часу з гордістю і вдячністю називають себе учнями Бора. Одним з найбільш значних серед них є Гейзенберг, який вперше почув Бора в 1922 році і через два роки по тому приїхав на його запрошення до Копенгагена.
Нільс Бор був фізиком до мозку кісток. Він володів, про що говорив в одному з листів і Ейнштейн, геніальною інтуїцією в галузі фізики, надзвичайної сили внутрішнім баченням. Його майже сомнамбулічною впевненість при виявленні ключових питань не мала собі рівних. Разом з тим у володінні математичним апаратом Бор багато в чому поступався своїм колегам. У розмові з Паулі він зробив одного разу характерне визнання, що його інтерес до фізики це інтерес не математика, а, швидше, ремісника і філософа.
Дійсно, математичне вбрання квантової механіки, основи якої, по суті, спираються на роботи Бора, створено не для себе самих, а іншими: Борном, Гейзенбергом, Йордану, Паулі, Діраком, Шредінгер. Тут позначилася відома обмеженість його величезного обдарування. «Видатні математичні здібності чи навіть віртуозність в тій мірі, в якій ними володіють багато хто з його учнів, йому не дано. Він мислить наочно і з допомогою понять, але не власне математично ». Так відгукнувся Карл Фрідріх фон Вайцзеккер про творця сучасної теорії атома. Він повідомляв також, що серед учнів і співробітників Бора ходив жарт про те, що вчитель знає нібито лише два математичних знака: «менше, ніж ...» і «приблизно дорівнює».
Теоретико-пізнавальний внесок Бора в розвиток атомної фізики полягає у встановленні двох принципів: відповідності та додатковості. Їх викликала до життя потребу вченого зобразити ясно, наскільки це можливо, основи всіх теоретико-пізнавальних висновків з атомної механіки.
«Спочатку він міг бути задоволений, - писав Франк, - коли прийшов до однозначного і несуперечливе пояснення переходу від континууму до дискретного квантованию і, більше того, принципово пов'язав індетермінізм елементарних процесів з методами, які передбачають можливість спостереження. Іншими словами, він повинен був дослідити з теоретико-пізнавальних позицій сутність будь-якого спостереження. Багато років присвятив Бор розробці цих проблем, поки, нарешті, не прийшов до задовільних результатів. Вони були викладені в написаній разом з Розенфельдом роботі, яка, наскільки я можу її оцінити, являє собою одну з найпрекрасніших і найглибших робіт з теорії пізнання ».
Досягнувши 70-річного віку обов'язкової відставки в 1955 р., Бор пішов з посади професора Копенгагенського університету, але залишався главою Інституту теоретичної фізики. В останні роки свого життя він продовжував робити свій внесок у розвиток квантової фізики і виявляв великий інтерес до нової галузі молекулярної біології.
Людина високого зросту, з великим почуттям гумору, Бор був відомий своєю дружелюбністю та гостинністю. «Доброзичливий інтерес до людей, що проявляється Бором, зробив особисті стосунки в інституті багато в чому нагадують подібні відносини в сім'ї», - згадував Джон Кокрофт в біографічних мемуарах про Борю Ейнштейн сказав одного разу: «Що дивно приваблює в Борі як ученого-мислителя, так це рідкісний сплав сміливості і обережності; мало хто володів такою здатністю інтуїтивно схоплювати суть прихованих речей, поєднуючи це з загостреним критицизмом. Він, без сумніву, є одним з найбільших наукових умов нашого століття ». Бор помер 18 листопада 1962 в своєму будинку в Копенгагені в результаті серцевого нападу.
Нільс Бор - один з піонерів фізики ХХ століття, засновник копенгагенської школи квантової механіки. Крім видатних наукових досягнень він став буквально батьком і наставником для цілого покоління європейських і американських фізиків-теоретиків і користувався глибокою повагою навіть з боку науковців, принципово розходилися з ним у поглядах.
Розповідають, що Бор часто запрошував своїх учнів і колег у гості до себе на дачу, розташовану на одному з численних прибережних датських острівців. Одного разу молодий фізик, переживав етап войовничого раціоналізму у своєму світогляді, що в юності властиво багатьом, помітив над вхідними дверима дачного будиночка прибиту цвяхом кінську підкову.
- Але ви ж, професор Бор, - обурився він, - не вірите у всю цю нісенітницю, нібито підкова приносить удачу?!
- Звичайно, не вірю, - усміхнувся у відповідь Бор. - Головне, що працює, а віриш ти в це чи ні - не важливо.
Бор був членом більше двох десятків провідних наукових товариств і був президентом Датської королівської академії наук з 1939 р. до кінця життя. Крім Нобелівської премії, він одержав вищі нагороди багатьох провідних світових наукових товариств, включаючи медаль Макса Планка Німецького фізичного товариства (1930) і медаль Коплі Лондонського королівського товариства (1938). Він володів почесними вченими ступенями провідних університетів, включаючи Кембридж, Манчестер, Оксфорд, Едінбург, Сорбонну, Прінстон, Макгі, Гарвард і Рокфеллеровській центр.
Література:
1. Нільс Бор і розвиток фізики, пров. з англ., М., 1960;
2. Нільс Бор. Життя і творчість, пров. з дат., М., 1967;
3. Мур P., Нільс Бор - людина і вчений, пров. з англ., М., 1969.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Курсова
97.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Світ очима Нільса Бора хвилі і їх сприйняття
Атом Бора
Модель атома Резерфорда і Бора
Двоїста природа мікрочастинок моделі атома Бора
Результативність та способи її досягнення
Досягнення Римської Імперії
Досягнення в хірургії серця
Дослідження мотивації на досягнення
Синтетична хімія її досягнення
© Усі права захищені
написати до нас