Niels Bohr

Niels Bohr

Elektronen bestonden alleen in ‘vaste’ banen, waar ze geen energie uitstraalden

Niels Bohr 1885-1962

Er zijn niet veel 20ste-eeuwse natuurkundigen die in één adem worden genoemd met Albert Einstein (1879-1955), maar de Deen Niels Bohr is een van hen. Hij leverde een belangrijke bijdrage aan de quantumtheorie van Max Planck (1858-1947), loste problemen op met betrekking tot het gedrag van elektronen in het atoommodel van Ernest Rutherford en was betrokken bij de ontwikkeling van de eerste atoombom.

Het instortende atoom

Na zijn studie aan de Universiteit van Kopenhagen vertrok Bohr korte tijd naar het Cavendish Laboratory in Cambridge voordat hij zich in Manchester vestigde om te gaan werken met Ernest Rutherford. De Nieuw-Zeelandse fysicus had zojuist het ‘planetaire’ model van het atoom verder ontwikkeld: een kleine positief geladen kern met daaromheen cirkelende elektronen. Er was echter een probleem met dit model, gezien vanuit de klassieke natuurkunde. Als de elektronen in banen rond de atoomkern bewogen, was de energie die zij uitzonden eindig en zouden de elektronen ten slotte naar de kern toe vallen. Bohr loste deze kwestie in 1913 op en bracht bovendien Rutherfords model op een hoger plan door de quantumtheorie van Max Planck erop toe te passen. Vanuit het perspectief van de quantum-theorie, betoogde hij, bestonden elektronen alleen in ‘vaste’ banen, waar ze geen energie uitzonden. Van energiequanta was alleen sprake als een atoom veranderde en energie uitzond of absorbeerde; alleen dan ‘bewogen’ de elektronen: naar een hogere energiebaan als het atoom energie absorbeerde, naar een lagere baan als het atoom energie uitzond (en licht produceerde). Bohr berekende de hoeveelheid straling die tijdens deze overgang vrijkwam met behulp van de constante van Planck, en kwam uit op de waarneming. Ook als hij zijn berekeningen toepaste op waterstofatomen en de golflengte van het licht die ze onder dit principe moesten geven, kwamen ze overeen met waarnemingen. Het was een bizar concept, net als Plancks oorspronkelijke introductie van de quantumtheorie, maar ondersteund door de praktijk.

Correspondentie en complementariteit

Bohr leverde nog een belangrijke bijdrage aan de quantumtheorie en de school van de quantummechanica die erop volgde. In 1916 kwam hij met zijn ‘correspondentieprincipe’: ondanks de enorme ogenschijnlijke verschillen tussen de twee, dienden de wetten die ten grondslag lagen aan de quantumtheorie op het microscopische niveau overeen te komen met de wetten van de klassieke mechanica, zoals we die op het niveau van de ‘echte wereld’ kennen. In 1927 voegde Bohr hier het `complementariteits-principe’ aan toe, dat betrekking had op de quantummechanica. De discussie of licht en andere atomaire objecten zich gedroegen als golven of deeltjes was zinloos, aangezien de instrumenten die werden gebruikt bij het testen van de theorieën grotendeels de uitkomst van de experimenten bepaalden. Alle resultaten gaven slechts een glimp van het antwoord en moesten daarom naast alle andere resultaten worden geïnterpreteerd om een breder beeld van het geheel te geven. Dit idee stemde overeen met theorieën van Louis de Broglie (1892-1987), Werner Heisenberg (1901-1976) en Max Bom (1882-1970).

Het erfgoed van Bohr

Bohrs theoretische en praktische bemoeienissen met de fysica leidden uiteindelijk tot de vervaardiging van de eerste atoombom. In 1939 ontwikkelde hij samen met John Archibald Wheeler (geb. 1911) een theorie over kernsplitsing (het splijten van zware atoomkernen om zodoende enorme hoeveelheden energie vrij te maken voor een atoombom) met als uitgangspunt zijn eigen ‘druppelmodel’ van het atoom (1936), dat verklaarde hoe protonen en neutronen de atoomkern bijeenhouden. Hij zag in dat de uranium-235-isotoop beter geschikt was voor atoomsplitsing dan het vaker gebruikte uranium-238. Zijn bevinden werden uiteindelijk gebruikt in het Amerikaanse atoombomproject, vooral nadat Bohr uit het bezette Denemarken was ontsnapt en in de VS deel ging uitmaken van het project. Bohr was niet gelukkig met de gevolgen van de nieuwe technologie en wijdde de rest van zijn leven aan het stimuleren van de controle en de beperking van atoomwapens. Hij stichtte daartoe samen met andere natuurkundigen de Atoms for Peace Movement.

1911 Bohr studeert af aan de Universiteit van Kopenhagen. 1913 Publiceert Over de samenstelling van atomen en moleculen. 1914 Begin van tweejarige samenwerking met Ernest Rutherford in Manchester. 1916 Keert terug naar Denemarken als directeur van het nieuw opgerichte Instituut van Theoretische Fysica. 1922 Nobelprijs voor natuurkunde. 1943 Bohr, die een joodse moeder heeft, verlaat het bezette Denemarken en vertrekt naar Los Alamos, VS, waar hij gaat werken aan het atoomproject. 1955 Bohr organiseert de eerste Atoms for Peace-conferentie in Genève.

1922 Nobelprijs voor natuurkunde “Voor zijn verdiensten bij het onderzoek naar de structuur van atomen en de straling die hierdoor wordt uitgezonden.”

Author: Y Comak