Niels Bohr Physiker 1885 7. Oktober: Niels Bohr wird als Sohn des Physiologieprofessors Christian Bohr und dessen jüdischer Ehefrau Ellen (geb. Adler) in Kopenhagen geboren. Sein jüngerer Bruder entwickelt sich zu einem brillanten Mathematiker. 1911 Promotion über die Elektronentheorie der Metalle. 1911-1916 Bohr ist wissenschaftlich tätig an der Universität von Cambridge und unter Ernest Rutherford (1871-1937) in Manchester. Rutherford führt den Begriff "Atomkern" ein und geht von der Vorstellung eines winzigen massiven Kerns innerhalb eines planetarischen Modells aus. 1912 Heirat mit Margarethe Norlund. Aus der Ehe gehen mehrere Kinder hervor. Ihr Sohn Aare folgt später der beruflichen Karriere seines Vaters als theoretischer Physiker, leitet ein Institut und erhält ebenfalls den Nobelpreis für Physik. 1913 Bohr bezieht die experimentellen Ergebnisse Rutherfords und die theoretischen Überlegungen Max Plancks und Albert Einsteins in seine Forschungen mit ein. Er entwickelt das nach ihm benannte Atommodell. Demnach ist lediglich der Übergang von einem Zustand zu einem anderen bei einem Atom mit Aufnahme oder Abgabe von Energie verbunden, wobei die Aussendung bzw. Absorption von Strahlung nur in Quantensprüngen geschieht. Mit diesem dynamischen Modell ist die theoretische Grundlage für die Atomphysik gelegt. ab 1916 Professor für Physik an der Kopenhagener Universität. 1918 Bohr stellt über das "Korrespondenzprinzip" den Zusammenhang zur klassischen Physik her: Bei großen Quantenzahlen gehen die Aussagen der Quantentheorie in die der klassischen Physik über. ab 1920 Ihm wird die Leitung des für ihn erbauten Kopenhagener Instituts für theoretische Physik übertragen. Das Institut wird ein Zentrum der internationalen Forschung zur Atomphysik. 1918-1922 Veröffentlichung seiner Schrift "Über die Quantentheorie der Linienspektren". 1921 Bohr entwickelt das "Aufbauprinzip" und liefert damit eine theoretische Erklärung der chemischen Elemente. Die äußeren Schalen der ring- bzw. schalenförmig angeordneten Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften des Atoms. 1922 10. Dezember: Für seine Forschungen über die Atomstruktur wird ihm der Nobelpreis für Physik zuerkannt. 1926/27 In Zusammenarbeit mit Werner Heisenberg bringt Bohr die Quantentheorie zu einem vorläufigen Abschluß. ab 1935 Bohr befaßt sich vor allem mit Fragen der Kernphysik. Er führt zur Erklärung der Kernreaktionen bei Teilchenbeschuß den Begriff des "Compoundkerns" ein. Sein Konzept eines "Tröpfchenmodells" des Atomkerns ist ein Schlüssel zum Verständnis vieler nuklearer Prozesse. 1939 Bohr entwickelt eine Theorie der von Otto Hahn und Fritz Straßmann (1902-1980) entdeckten Kernspaltung, die entscheidende Bedeutung für deren spätere technische Nutzung hat. 1940 Während der deutschen Besetzung Dänemarks im Zweiten Weltkrieg engagiert sich Bohr aktiv im Widerstand. 1943 Er entkommt mit seiner Familie in einem Fischerboot nach Schweden und emigriert über England in die USA. 1943-1945 Seine Forschungen zur Kernspaltung des Urans sind eine wesentliche Voraussetzung für den Bau der Atombombe, an deren Entwicklung Bohr und sein Sohn Aare in den USA mitarbeiten. 1944 Bohr versucht, den Präsidenten der USA Franklin D. Roosevelt und den britischen Premierminister Winston Churchill von der Notwendigkeit einer internationalen Kooperation in der Frage der Nuklearwaffen zu überzeugen. 1946 Rückkehr nach Dänemark. 1950 In einem offenen Brief an die Vereinten Nationen fordert Bohr eine rationale und friedenssichernde Politik der Großmächte. Er ist der Überzeugung, daß Nuklearwaffen nur durch freien Austausch von Expertenwissen unter Kontrolle gehalten werden können. 1955 In Genua findet die von Bohr organisierte "Erste Internationale Konferenz zur friedlichen Nutzung der Atomkraft" statt. 1957 Bohr erhält die erste "U.S. Atoms for Peace"-Ehrung. 1962 18. November: Niels Bohr stirbt in Kopenhagen. Atommodell Das bohrsche Atommodell ist wohl das bekannteste Atommodell überhaupt. Immer wieder sieht man Darstellungen, in denen kleine Elektronen auf kreisförmigen Bahnen um einen größeren Kern flitzen. Darum habe ich auch ein Bild dieses Modells als Titelbild meiner Atomphysik-Seite gewählt. Trotz seiner weiten Bekanntheit muss man das Bohrsche Atommodell als veraltet betrachten. Niels Bohr selbst war an der Entwicklung der Quantenmechanik, die dieses Modell überflüssig machte, maßgeblich beteiligt. In einer historischen Betrachtung wie dieser darf das Bohrsche Modell jedoch auf keinen Fall fehlen und ich möchte hier kurz auf seine Eigenschaften und die Sommerfeldsche Erweiterung eingehen. Für die moderne Atomauffassung möchte ich auf die Seite zum Atomaufbau verweisen. Planetenbahnen für Elektronen Von Rutherfords Versuchen war Bohr bekannt, dass Atome aus positiv elektrisch geladenen Kernen und negativ geladenen, sehr viel leichteren Elektronen bestehen. Die Anziehung zwischen den unterschiedlichen Ladungen folgt dabei gleichartigen Gesetzen, wie die Anziehung, die die Planeten unseres Sonnensystems durch die Sonne erfahren. Es war also eine naheliegende Annahme, dass die Elektronen auf ähnlichen Kreis- oder Ellipsenbahnen um den Atomkern fliegen sollten, wie die Planeten um die Sonne. Aus der Elektrotechnik ist allerdings bekannt, dass eine im Kreis bewegte Ladung, ähnlich wie eine Antenne, elektromagnetische Wellen abstrahlt. Durch diese Strahlungsleistung würden die bewegten Elektronen sehr schnell alle ihre Energie in Form von Licht abstrahlen. Das Planetenatom könnte also nicht stabil sein und die Elektronen würden in den Atomkern stürzen. Bohr löste dieses Problem, indem er postulierte, dass die Elektronen nur auf bestimmten Bahnen laufen können und dass Übergänge zwischen diesen Bahnen nur in Sprüngen möglich sind. Diese Postulate kann man mit klassischer Physik nicht erklären, sie haben ihre Berechtigung nur durch die Übereinstimmungen mit Beobachtungen. Wie kam Niels Bohr auf seine Postulate? Das bohrsche Atommodell war ein Versuch, das Vorhandensein von einzelnen Linien in den optischen Spektren von Atomen zu verstehen. Schon 1885 hatte Johann Jakob Balmer (1825-1898) gezeigt, dass die Linien der optischen Wasserstoffspektren einer einfachen Formel folgen. Diese Formel konnte das bohrsche Modell reproduzieren. Um die erlaubten Bahnen zu bestimmten, quantisierte Bohr zum ersten mal den Drehimpuls der Elektronen um den Kern. Für diese Quantisierung benutzte er die selbe Konstante, mit der Max Planck zuvor die Wärmestrahlung erfolgreich erklärt hatte. Bohrs große Leistung bestand also darin, dass er die bekannte Balmer-Formel mit einem einfachen Bild erklären konnte und dabei zeigte, dass die Planck-Konstante eine universelle Bedeutung hat. Er ebnete damit den Weg für die moderne Quantenmechanik. Die Drehimpuls-Quantisierung erwies sich später als fehlerhaft. So ist die einfachste Bewegung eines Elektrons keine Kreisbahn um den Kern, sondern ein Zustand, in dem das Elektron mit großer Wahrscheinlichkeit am Ort des Kerns sitzt. Dieses 1s-Orbital ist die quantenmechanische Annäherung an einem Elektron, das an der Postition des Kerns ruht. Erweiterung durch Sommerfeld Sieht man etwas genauer hin, so erkennt man, dass viele der Spektrallinien zusätzlich aufgespalten sind. Die erlaubten Elektronenbahnen müssen sich also zusätzlich durch irgend etwas unterscheiden, das nur einen geringen Energieunterschied ausmacht. Sommerfeld schlug darum vor, außer Kreisbahnen auch elliptische Bahnen zuzulassen. Diese sind etwa vergleichbar mit den Bahnen, die Meteoriten um die Sonne einnehmen. Stark elliptische Elekronenbahnen führen das Elektron mal dichter an den Kern und mal weiter weg. Sie haben ähnliche Energien, wie die Kreisbahnen. Die Kreis- und Ellipsenbahnen von Bohr und Sommerfeld kommen in der Realität nur bei Atomen vor, die hoch angeregt sind. Diese Rydbergatome zeigen den Übergang von quantenmechanischen Zuständen zu klassischen Teilchenbahnen. Niels Henrik David Bohr (* 7. Oktober 1885 in Kopenhagen; † 18. November 1962 in Kopenhagen) war ein dänischer Physiker. Er erhielt den Nobelpreis für Physik im Jahr 1922 „für seine Verdienste um die Erforschung der Struktur der Atome und der von ihnen ausgehenden Strahlung“. Frühe Jahre und Ausbildung Der Vater von Niels Bohr, Christian Bohr, war Professor für Physiologie, seine Mutter Ellen (geb. Adler) entstammte einer jüdischen Familie. Gemeinsam mit seinem Vater und seinem Bruder Harald Bohr führte er regelmäßig Gespräche und Diskussionen zu wissenschaftlichen Themen, die bei beiden Brüdern das Interesse für die Naturwissenschaften stärkten und das spätere Leben prägten. Harald Bohr wurde später Professor für Mathematik, während sich Niels Bohr der Physik zuwendete. Sein Bruder war außerdem ein populärer dänischer Fußballspieler und spielte in der dänischen Nationalmannschaft. Auch Niels Bohr spielte Fußball, als Torwart in der 1. Liga Dänemarks. Nach Abitur an der Schule in Gammelholm 1903 studierte Niels Bohr Physik, Mathematik, Chemie, Astronomie und Philosophie an der Universität Kopenhagen. 1906 erhielt er die Goldmedaille der Königlich-Dänischen Akademie der Wissenschaften und der Literatur für seine Arbeit über die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten. Sein Magisterabschluss erfolgte 1909 und im Jahr 1911 schloss er sein Studium mit seiner Doktorarbeit über die magnetischen Eigenschaften von Metallen ab. Im selben Jahr wechselte er nach Cambridge an das Cavendish Laboratory unter der Leitung des Physik-Nobelpreisträgers von 1906 Sir Joseph John Thomson, und ein Jahr später nach Manchester in das Labor von Ernest Rutherford, der 1908 den Nobelpreis für Chemie erhalten hatte. Hier lernte Niels Bohr auch Margarethe Nørlund kennen, die er später heiratete. Gemeinsam mit ihr hatte er sechs Söhne, davon starben allerdings zwei kurz nach der Geburt. [Bearbeiten] Entwicklung des Bohrschen Atommodells Während des Ersten Weltkrieges nahm Niels Bohr 1914 eine Dozentenstelle in Manchester und kurz danach in Kopenhagen an. Zwei Jahre später wurde er Professor für Physik an der Universität in Kopenhagen. Bei einem Aufenthalt und Vortrag in Berlin 1920 machte er die Bekanntschaft mit Max Planck und Albert Einstein. Mit Hilfe der von ihnen aufgestellten Theorien zur Quantenphysik, die er mit den Gesetzen der klassischen Physik verband, gelang es Bohr bereits 1913, das Bohrsche Atommodell zu erstellen. Mit dem Modell konnten die Linienspektren des Wasserstoff erklärt werden. Dennoch gilt es aus heutiger Sicht als überholt und durch die Quantenmechanik ersetzt, da lediglich für Wasserstoff befriedigende Aussagen macht. Dennoch wird es als ein Meilenstein der theoretischen Physik angesehen, da hier zum ersten Mal erfolgreich auf Atom-Niveau die Quantisierung in ein Atommodell integriert wurde. Von 1916 bis 1919 wurde Niels Bohr Vorsitzender der Dänischen Physikalischen Gesellschaft und ab 1917 war er auch Mitglied der dänischen Akademie der Wissenschaften. 1918 formulierte er das Bohrsche Korrespondenzprinzip, welches den Zusammenhang zwischen der Quantentheorie und der klassischen Physik erklärte und darstellte, dass sich mit steigender Quantenzahl die Gesetze des Plankschen Wirkungsquantums vernachlässigen lassen. Während dieser Zeit arbeitete er daran, ein eigenes Institut an der Universität in Kopenhagen aufzubauen, das am 3. März 1921 als Institut für theoretische Physik eröffnet wurde. Seine Göttinger Vorträge, die er im Sommer 1921 hielt, wurden international bekannt und gingen als „Bohr-Festspiele“ in die Wissenschaftsgeschichte ein. 1922 gelang ihm auf der Basis des von Arnold Sommerfeld erweiterten Atommodells eine Erklärung für den Aufbau des Periodensystems der Elemente, bei der er ein Schalenmodell annahm. Am 10. Dezember 1922 erhielt er für seine Forschungen über die Atomstruktur sowie der von den Atomen ausgehenden Strahlung den Nobelpreis für Physik. Im gleichen Jahr kam auch sein Sohn Aage Niels Bohr zur Welt, der 1975 ebenfalls den Nobelpreis für Physik erhielt In den folgenden Jahren wurden das Atommodell Bohrs und die Modifikationen der Atomtheorie Arnold Sommerfelds weiter ausgebaut, bis in der Zeit von 1925 bis 1927 die Betrachtung der Atomphysik durch die Formulierung der nichtrelativistischen Quantenmechanik revolutioniert wurde. 1926/27 dozierte Werner Heisenberg am Institut von Niels Bohr und durch die Diskussionen der beiden Forscher entwickelten sich Heisenbergs Unschärferelation sowie das Komplementaritätsprinzip Bohrs als „Kopenhagener Deutungen“ der Quantentheorie, die beide 1927 publiziert wurden. Das Komplementaritätsprinzip sollte die Widerspruchsfreiheit zwischen formulierten Theorien und der Abwägung tatsächlicher Beobachtungen gewährleisten und er wendete es später auch auf Prinzipien außerhalb der Physik an. In den Folgejahren konzentrierte sich Bohr weiterhin auf die Fragen der Quantenmechanik, während sein Atommodell den Pionieren der Kernforschung beim Verständnis elementarer Eigenschaften der chemischen Elemente half. Das Modell bot Erklärungen für die Valenzen, den Metall- und Nichtmetallcharakter der Stoffe sowie für die Ioneneigenschaften. Er selbst versuchte die durch den Beschuss mit Partikeln ausgelösten Reaktionen der Atomkerne zu erklären und führte zu diesem Zweck den Begriff des „Compound-Kernes“ ein. 1936 entwickelte er zwei neue Atommodelle, die er als Sandsack- und Tröpfchenmodell bezeichnete. Gemeinsam mit John Wheeler erarbeitete er die Möglichkeit der Energiegewinnung, nachdem Otto Hahn und Friedrich Wilhelm Straßmann die erste Kernspaltung durchführten. Während der deutschen Besatzung Dänemarks engagierte sich Niels Bohr im Widerstand. Als das für ihn zu gefährlich wurde, gelang ihm 1943 die Flucht nach Schweden. Dort bat er beim schwedischen König und beim Außenminister erfolgreich um Asyl für seine jüdischen Landsleute. Nach dem Krieg kehrte er nach Dänemark zurück und setzte seine Forschung zur Atomenergie auf seiner alten Position fort. Gleichzeitig warnte er jedoch vor deren missbräuchlicher Nutzung, vor allem durch einen offenen Brief an die Vereinten Nationen 1950, und wurde deshalb 1957 Preisträger des „Atoms for Peace Award“. 1962 starb er in Kopenhagen und wurde auf dem Assistens-Friedhof beigesetzt. [Bearbeiten] Lebenswerk Niels Bohr 1925 mit Albert Einstein (fotografiert von Paul Ehrenfest) Seine wichtigsten Beiträge zur Physik waren das Bohrsche Atommodell (1913), das zusammen mit dem etwas allgemeineren Bohr-Sommerfeldsches Atommodell einen wichtigen Schritt in der Entwicklung der Quantenmechanik darstellte. Weitere auf ihn zurück gehende Konzepte sind das Korrespondenzprinzip, das Forderungen für den Übergang der Quantenmechanik zur klassischen Mechanik beschreibt, und das Prinzip der Komplementarität, das besagt, dass die Kenntnis bestimmter Messgrößen notwendigerweise eine totale Unkenntnis bestimmter anderer Größen bedingt. In seinen wissenschaftskritischen Arbeiten vertrat Bohr die Auffassung, dass es von den jeweiligen Beobachtungspraktiken abhängig ist, was eine Apparatur überhaupt ausmacht. [Bearbeiten] Ehrungen und Mitgliedschaften Neben dem Nobelpreis für Physik 1922 erhielt Niels Bohr eine Reihe weiterer Preise und Auszeichnungen. Er war Präsident der Dänischen Königlichen Akademie der Wissenschaften und Vorsitzender der Dänischen Atomenergiekommission. Außerdem war er ausländisches Mitglied der Royal Society in London und weiterer internationaler wissenschaftlicher Vereinigungen. Daneben erhielt er die Ehrendoktorwürde an zahlreichen Universitäten der Welt. Nach Niels Bohr wurde das Bohrium benannt, das Transuran mit der Ordnungszahl 107. Außerdem tragen zahlreiche physikalische Phänomene und Konzepte seinen Namen, darunter der Bohr-Radius, die Bohrschen Bahnen und das Bohrsche Magneton. [Bearbeiten] Anekdoten Harry Mulisch erzählt die folgende Anekdote: „Irgendein anderer großer Physiker, Wolfgang Pauli oder so, besuchte Bohr einmal in dessen Landhaus und sah, dass er ein Hufeisen über der Tür hängen hatte. 'Professor!' sagte er,' Sie? Ein Hufeisen? Glauben Sie denn daran?' Worauf Bohr antwortete: 'Natürlich nicht. Aber wissen Sie, Herr Pauli, es soll einem auch helfen, wenn man nicht daran glaubt.' “