Niels Henrik David Bohr

7. 10. 1885–18. 11. 1962

Dánský fyzik, který kvantovou teorií vysvětlil stavbu atomu a stal se zakladatelem kodaňské školy kvantové fyziky.

Dánský fyzik Niels Henrik David Bohr patří k zakladatelům kvantové fyziky. Jeho model atomu z roku 1913 významně ovlivnil výklad atomových spekter, struktury atomu a uspořádání elektronů v atomovém obalu.

Narodil se 7. října 1885 v Kodani. Jeho otec Christian Bohr byl profesorem fyziologie na Kodaňské univerzitě. Vyrůstal v prostředí, které výrazně přispělo k rozvoji jeho vědeckého talentu. Od roku 1903 studoval fyziku na Kodaňské univerzitě a doktorát získal v roce 1911.

Na podzim roku 1911 působil Bohr v Cavendishově laboratoři v Cambridgi pod vedením J. J. Thomsona. Na jaře roku 1912 přešel do laboratoře E. Rutherforda v Manchesteru. Právě Rutherfordův objev atomového jádra a kvantové představy Maxe Plancka a Alberta Einsteina se staly východiskem pro Bohrovu teorii atomové struktury.

V roce 1912 se Bohr oženil s Margrethe Nørlundovou. Měli spolu šest synů, z nichž dva zemřeli předčasně. Čtvrtý syn Aage Bohr se stal fyzikem a v roce 1975 získal třetinu Nobelovy ceny za fyziku (spolu s Benem Mottelsonem a Jamesem Rainwaterem) za výzkum struktury atomového jádra.

Model atomu vodíku

V roce 1913 Bohr publikoval práce, ve kterých spojil Rutherfordův jaderný model atomu s kvantovou teorií. Sestavil teoretický kvantový model atomu vodíku, v němž se elektron může nacházet jen v určitých povolených stacionárních stavech. Při přechodu elektronu mezi těmito stavy atom vyzáří nebo pohltí kvantum energie.

Bohrův model dokázal vysvětlit spektrální čáry vodíku a stal se významným krokem k pozdější kvantové mechanice. Pro složitější atomy je však použitelný jen omezeně.

Bohrovy postuláty

Bohrův model stojí na dvou postulátech, jimiž se záměrně odchyluje od klasické fyziky:

1. Postulát stacionárních stavů: elektron v atomu se pohybuje jen v určitých povolených kruhových drahách (stacionárních stavech), aniž by vyzařoval elektromagnetické záření. Každému stavu přísluší určitá diskrétní energie.
2. Frekvenční postulát: záření je emitováno nebo absorbováno pouze při přechodu elektronu mezi dvěma stacionárními stavy. Frekvence záření f splňuje podmínku hf = E₂ − E₁, kde h je Planckova konstanta a E₁, E₂ jsou energie výchozího a cílového stavu.

Model úspěšně předpověděl polohu spektrálních čar vodíku (Balmerova, Lymanovu a Paschenovu sérii). Jeho hlavní omezení – nemožnost popsat víceelektronové atomy a intenzity spektrálních čar – překonala až vlnová mechanika Schrödingera a Heisenberga.

Elektronové slupky a periodická soustava prvků

V roce 1916 byl Bohr jmenován profesorem teoretické fyziky na Kodaňské univerzitě.

V roce 1920 se stal ředitelem Ústavu teoretické fyziky v Kodani.

Na začátku dvacátých let se zabýval stavbou atomového obalu a obsazováním energetických hladin elektrony. Jeho výklad elektronových slupek přispěl k pochopení periodické soustavy prvků; Pauliho vylučovací princip z roku 1925 pak poskytl hlubší kvantové vysvětlení obsazování stavů elektrony.

Praktickým potvrzením Bohrovy teorie bylo předpovězení vlastností tehdy neobjeveného prvku s protonovým číslem 72. Georg Hevesy a Dirk Coster jej v roce 1923 skutečně nalezli a pojmenovali hafnium (latinsky Hafnia = Kodaň).

Kodaňská interpretace kvantové mechaniky

Bohr byl spolutvůrcem takzvané kodaňské interpretace kvantové mechaniky, kterou rozvinul zejména ve spolupráci s Wernerem Heisenbergem v letech 1925–1927. Jejím jádrem je princip komplementarity: kvantový objekt se projevuje buď jako vlna, nebo jako částice – obojí najednou pozorovat nelze, obě popisy jsou však nutné pro úplné pochopení jevu. S tím úzce souvisí Heisenbergův princip neurčitosti.

Bohr vedl slavnou sérii diskusí s Albertem Einsteinem, který s kodaňskou interpretací nesouhlasil a hledal skryté proměnné. Tyto spory, zejména na solvayských konferencích v letech 1927 a 1930, patří k nejznámějším debatám v historii fyziky.

Druhá světová válka a Manhattan Project

Po okupaci Dánska nacistickým Německem se Bohr dostal do stále nebezpečnější situace kvůli svému židovskému původu po matce. V září 1943 byl varován před hrozícím zatčením a uprchl lodí do Švédska. Odtud byl britským vojenským letounem přepraven do Velké Británie, kde se zapojil do britského jaderného programu Tube Alloys. Následně přijel do Spojených států a v laboratořích v Los Alamos pracoval na Manhattanském projektu pod krycím jménem Nicholas Baker jako konzultant.

Po válce vystupoval Bohr proti vojenskému zneužití jaderné energie a podporoval mezinárodní spolupráci ve vědě. V roce 1950 zaslal otevřený dopis OSN s výzvou k „otevřenému světu" sdílení vědeckých informací. V roce 1955 organizoval první konferenci Atoms for Peace v Ženevě.

Ocenění a uznání

Bohrův přínos zásadně změnil představy o stavbě atomu a záření. V roce 1922 obdržel Nobelovu cenu za fyziku za výzkum struktury atomu a jeho záření. Mezi jeho další ocenění patří Hughesova medaile (1921), Matteucci Medal (1923), Franklin Medal (1926), Copley Medal (1938) a Atoms for Peace Award (1957).

Niels Bohr zemřel 18. listopadu 1962 v Kodani.

Bohr v praxi

Bohrovy myšlenky mají přímé praktické důsledky v moderní technice i vědě:

• Atomová spektroskopie: Bohrův model vysvětlil emisní a absorpční spektra prvků, což je základem analytické spektroskopie používané dnes v chemii, astronomii (složení hvězd) i průmyslu.
• Lasery: princip přechodu elektronu mezi energetickými hladinami s emisí fotonu přesně definované vlnové délky je fyzikálním základem funkce laseru.
• Jaderná fyzika: Bohr společně s Rutherfordem rozvinul kapkový model jádra, který v roce 1939 použil k výkladu štěpení uranu – základ jaderné energetiky i jaderných zbraní.
• Hafnium: na základě Bohrovy teorie elektronových slupek byl v roce 1923 objevem hafnia potvrzen prediktivní výkon kvantové teorie stavby atomu.

Časté otázky

Proč Bohrův model nestačí pro složitější atomy?

Bohrův model předpokládá kruhové dráhy a kvantuje pouze hybnostní moment elektronu. Pro atomy s více elektrony nestačí, protože nepostihuje vzájemné odpuzování elektronů ani jejich vlnový charakter. To napravila vlnová mechanika (Schrödinger 1926).

Co je Bohrův poloměr?

Bohrův poloměr a₀ ≈ 52,9 pm je poloměr nejnižší dráhy elektronu v Bohrově modelu atomu vodíku. Používá se jako přirozená délková jednotka v atomové fyzice a kvantové chemii.

Co je Bohrův magneton?

Bohrův magneton μ_B = 9,274 × 10⁻²⁴ J·T⁻¹ je přirozená jednotka magnetického dipolového momentu elektronu. Používá se v atomové fyzice a při popisu magnetických vlastností látek.

Jak Bohr uprchl z Dánska?

V září 1943 byl varován, že ho Gestapo plánuje zatknout. Lodí přeplul do Švédska, odkud byl britskou vojenskou verzí bombardéru De Havilland Mosquito přepraven do Londýna – ukrytý v pumovnici. Na palubě ztratil vědomí, když si nenasadil kyslíkovou masku; pilot ho zachránil snížením výšky letu.

Další informace

• Niels Bohr – Wikipedie
• Niels Bohr – Biographical – NobelPrize.org
• Niels Bohr biography – J. J. O'Connor, E. F. Robertson, MacTutor
• Niels Bohr – Britannica

Časté překlepy: Nils Bohr, Nils Bor, Bohr Niels, Bor Nils.

Použity materiály publikované na serveru NobelPrize.org.

Související

Pojmenováno po Bohrovi

• Bohrův magneton – jednotka magnetického dipolového momentu (μ_B)
• Bohrův poloměr (a₀) – délková konstanta atomové fyziky
• Bohrium (Bh, prvek č. 107) – transaktinoidní prvek pojmenovaný na jeho počest
• Niels Bohr Institute v Kodani – ústav, který sám founded a vedl

Fyzici a témata

• Ernest Rutherford – Rutherfordův model jádra, východisko Bohrovy teorie
• Max Planck – kvantová hypotéza, základ Bohrových postulátu
• Albert Einstein – spory o kodaňskou interpretaci
• Werner K. Heisenberg – princip neurčitosti, kodaňská škola
• Wolfgang Pauli – vylučovací princip a stavba elektronového obalu
• Erwin Schrödinger – vlnová mechanika překonávající Bohrův model
• Max Born – pravděpodobnostní interpretace vlnové funkce
• Nobelova cena za fyziku – přehled laureátů