Ha ritkított hidrogéngázon elektromos kisülést vezetünk át, a gáz világítani kezd. Ha ezt a fényt színeire bontjuk, nem folytonos színképet, hanem különálló, fényes vonalakat látunk. Niels Bohr ezt a jelenséget az atom szerkezetével kapcsolta össze: felismerte, hogy az atom energiája csak meghatározott értékeket vehet fel.

## Ki volt Niels Bohr?

Niels Henrik David Bohr dán elméleti fizikus, a kvantumfizika egyik megalapozója volt. Az atomok szerkezetét, az anyag és a fény kölcsönhatását, valamint az atommagban zajló folyamatokat kutatta. Koppenhágában olyan intézetet hozott létre, ahol különböző országok fizikusai vitathatták meg az új elméletet. Munkatársai és vendégei között a kvantummechanika későbbi megalkotói is ott voltak.

## Család, tanulmányok és pályakezdés

Bohr Christian Bohr fiziológiaprofesszor és Ellen Adler családjában nőtt fel. A Koppenhágai Egyetemen tanult, majd 1911-ben a fémek elektronelméletéről írt doktori értekezésével szerzett fokozatot.

Ezután Nagy-Britanniába ment. Előbb Joseph John Thomson mellett dolgozott Cambridge-ben, később Ernest Rutherford manchesteri kutatócsoportjához csatlakozott. Rutherford addigra kidolgozta azt az atommodellt, amelyben az atom középpontjában kis méretű, pozitív töltésű mag található. Bohr ebből indult ki, és arra keresett magyarázatot, mitől stabilak az atomok, illetve hogyan bocsátanak ki sugárzást.

Dániába visszatérve feleségül vette Margrethe Nørlundot. Felesége a tudományos kéziratok elkészítésében is segítette: lejegyezte Bohr diktálását, és javította a cikkek angol nyelvezetét. Ezt a közös munkát már nászútjukon megkezdték. Hat fiuk született.

Bohr 1916-ban a Koppenhágai Egyetem professzora lett. Kezdeményezésére a városban létrehozták az Elméleti Fizikai Intézetet, amely 1921-ben nyílt meg, és ma az ő nevét viseli.

1943-ban a megszállt Dániából Svédországba menekült, majd Nagy-Britanniába, végül az Egyesült Államokba utazott. A második világháború alatt tudományos tanácsadóként részt vett a Manhattan-tervben. 1945-ben visszatért Dániába, a háború után pedig az atomkutatás nyílt nemzetközi együttműködését szorgalmazta. Koppenhágában halt meg 1962. november 18-án, 77 évesen.

## Hogyan magyarázta meg az atomot?

Bohr a rutherfordi atommagmodellt Max Planck elképzelésével kapcsolta össze, amely szerint az energia elkülönülő adagokban, kvantumokban jelenik meg. A klasszikus fizika alapján az elektron sugárzás közben elveszítené energiáját, végül pedig az atommagba zuhanna. Bohrnak azt kellett megmagyaráznia, hogy ez miért nem történik meg.

1913-ban két új szabályt fogalmazott meg. Az első szerint az atom meghatározott, stabil állapotokban lehet, amelyekben az elektron nem veszít energiát sugárzás révén. A második szerint az atom akkor nyel el vagy bocsát ki fényt, amikor egyik ilyen állapotból a másikba kerül. A fény frekvenciáját a két állapot energiájának különbsége határozza meg.

A megengedett energiaszinteket egy lépcső fokaihoz lehet hasonlítani. Ha az elektron alacsonyabb szintre kerül, az atom fény formájában energiát ad le. Magasabb szint eléréséhez viszont éppen a szükséges energiamennyiséget kell felvennie.

A modell segítségével kiszámíthatóvá vált a hidrogén színképvonalainak helye. Minden vonal egy meghatározott átmenetnek felelt meg, így a mérhető színekből következtetni lehetett az atomon belüli energiákra. Bohr modellje jól működött a hidrogén és más, egyetlen elektront tartalmazó rendszerek esetében.

A korszerű kvantummechanika már összetettebb atomokat is le tud írni. Nem jelöl ki meghatározott elektronpályát az atommag körül, hanem a mérési eredmények valószínűségeivel dolgozik.

## A megfelelési elv

Bohr szerint egy új elméletnek azokat az eredményeket is meg kell magyaráznia, amelyekkel a korábbi elmélet sikeresen megbirkózott. Ezért kereste a kapcsolatot a kvantumos és a klasszikus leírás között. Erősen gerjesztett atomoknál például a sugárzási frekvenciákra vonatkozó kvantumos előrejelzések közelítettek a klasszikus fizika eredményeihez. Ez segített ellenőrizni az új szabályokat és meghatározni alkalmazhatóságuk határait.

## A komplementaritás elve

A fény és a részecskék olyan tulajdonságokat mutatnak, amelyeket nehéz egyetlen, hétköznapi képben összeegyeztetni. Egyes kísérletekben a hullámtulajdonságok kerülnek előtérbe, másokban a részecskejelleg. Az egyik oldal vizsgálatához szükséges körülmények kizárhatják a másik egyidejű tanulmányozását.

Bohr ezt nevezte a komplementaritás elvének: a kvantumjelenségek megértéséhez mindkét leírásra szükség van. Az eredmény értelmezésekor azt is figyelembe kell venni, hogyan épül fel a kísérlet, és pontosan mit mérnek.

## Az összetett atommag modellje

A neutron felfedezése új eszközt adott a fizikusok kezébe: elektromos töltés híján ez a részecske úgy juthat be az atommagba, hogy nem téríti el elektromos taszítás. Bohr az így létrejövő magreakciók magyarázatával kezdett foglalkozni.

1936-ban azt javasolta, hogy bizonyos magreakciókat két szakaszra bontva írjanak le. Először az atommag befogja a beérkező részecskét. Annak energiája eloszlik a mag részecskéi között, és átmeneti, gerjesztett állapot, úgynevezett összetett atommag jön létre. Ezután a mag részecskét vagy sugárzást bocsáthat ki. A modell segített kiszámítani, mely reakciók mehetnek végbe, és mekkora a valószínűségük.

## Az atommaghasadás elmélete

Bohr és John Wheeler 1939-ben dolgozta ki az atommaghasadás elméletét. Az atommagot elektromosan töltött folyadékcsepphez hasonlították. A magerők egyben tartják ezt a „cseppet”, miközben a protonok közötti elektromos taszítás a szétszakadást segíti. Kellően nagy gerjesztés hatására a mag deformálódik, majd részekre hasadhat.

Az elmélet megmagyarázta a hasadás feltételeit. Ahhoz, hogy a folyamatot reaktorban energiatermelésre használják, el kellett érni, hogy egy hasadás során felszabaduló neutronok újabb hasadásokat váltsanak ki.

## Bohr szerepe a kvantumfizikában

Bohr atommodellje fontos lépés volt az új fizika kialakulása felé. Az 1920-as években Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger és más kutatók létrehozták az általánosabb kvantummechanikát. A Schrödinger-egyenlet lehetővé tette a kvantumállapotok és változásaik kiszámítását. Bohr eközben főként arra összpontosított, milyen fizikai jelentésük van a számításoknak, és mit tudhatunk meg egy objektumról mérések segítségével.

Intézetében a nyílt vita kultúrája alakult ki: a fiatal kutatók is ellentmondhattak idősebb kollégáiknak, az elképzeléseket pedig beszélgetések során tették próbára. Ehhez a kutatói körhöz kötődik a koppenhágai értelmezés, amely a mérés körülményeinek alapvető szerepet tulajdonít a kvantumelmélet értelmezésében.

Híressé vált Bohr vitája Albert Einsteinnel is. Einstein úgy vélte, hogy a természet kvantummechanikai leírása nem teljes. Bohr védelmébe vette az elméletet, és elemezte az Einstein által felvetett gondolatkísérleteket. Eszmecseréik hozzájárultak ahhoz, hogy pontosabban fogalmazzák meg a valószínűséggel, a méréssel és a részecskék tulajdonságaival kapcsolatos kérdéseket.

Az anyag kvantummechanikai leírása ma a lézerek és a félvezető elektronika alapja. E technológiák létrejöttéhez sok kutató munkája vezetett; Bohr modellje ennek az útnak az egyik fontos állomása volt.

## Nobel-díj az atom szerkezetének kutatásáért

Bohr 1922-ben egyedül kapta meg a fizikai Nobel-díjat „az atomok szerkezetének és az általuk kibocsátott sugárzásnak a kutatásában szerzett érdemeiért”. Az elismerés azt a kapcsolatot díjazta, amelyet az atom felépítése és színképe között tárt fel. A komplementaritás elvét és a magreakciókkal kapcsolatos eredményeit csak később dolgozta ki.

## Érdekességek Niels Bohrról

Bohr fia szintén Nobel-díjas fizikus lett. Aage Bohr 1975-ben Ben Mottelsonnal és James Rainwaterrel együtt kapta meg az elismerést az atommag szerkezetének kutatásáért.

A bohrium nevű kémiai elemet is Niels Bohrról nevezték el. A Bh vegyjelű, 107-es rendszámú elem mesterségesen előállított és radioaktív.

Bohr futballozott is: az Akademisk Boldklub kapusa volt. Matematikus testvére, Harald a dán válogatottban játszott, amely ezüstérmet szerzett az 1908-as olimpián.

Amikor Bohr megkapta a dán Elefánt-rendet, címerében a jin-jang jelképet választotta. Jelmondata – „Az ellentétek kiegészítik egymást” – a komplementaritás elvére utalt.