Niels Bohr

Niels Bohr 1885 - 1962 Atommodellen

Niels Bohr: Atommodellen

Niels Bohr var optaget af at forstå de mindste bestanddele i vores verden: atomerne. Han udviklede en atommodel, der revolutionerede vores forståelse af, hvordan atomet og alle grundstoffer er opbygget.

Se filmen om Niels Bohr

Personen Niels Bohr

En gigant i teoretisk fysik

Niels BohrNiels Henrik David Bohr var en utroligt entusiastisk og energisk person, som havde stor indflydelse på teoretisk fysik fra hans største opdagelse i 1913 og resten af livet ud.

Niels Bohrs far, Christian Bohr var verdenskendt professor i fysiologi ved Københavns Universitet. Som ung var Niels Bohr opsat på at gøre sin far stolt, og skabe store resultater inden for fysik. Men faren, der døde i 1911, nåede aldrig at opleve sin søns succes.

Helt tæt på atomet

Straks efter at have afsluttet sin uddannelse i 1911 opsøgte Niels Bohr nogle af tidens største fysikere. Han drog til England og arbejdede hos to nobelpristagere. Den ene var J.J. Thomson ved universitetet i Cambridge. Thomson var selveste opdageren af elektronen. Den anden, fysikeren Ernest Rutherford ved Universitetet i Manchester, opdagede atomkernen – begge opdagede altså hver især to af atomets vigtigste bestanddele.

Under sit ophold i England var Niels Bohr derfor helt tæt på den nyeste viden om atomer. Og som den første i verden lykkedes det i 1913 den unge danske fysiker at forklare, hvordan et atom fungerer. Altså hvordan et atom er bygget op og hvilke grundlæggende matematiske regler, som gælder for det. Det er den opdagelse, vi i dag kalder Niels Bohrs atommodel.

Niels Bohrs atommodel gjorde ham verdenskendt. Berømmelsen banede vej for, at han fik sit eget Institut for Teoretisk fysik på Blegdamsvej i København i 1921. Kort efter – i 1922 – fik Niels Bohr oven i købet verdens fornemste forskningspris, Nobelprisen.

Skaber internationalt samarbejde

Atommodellen blev ikke Niels Bohrs eneste triumf i teoretisk fysik. I begyndelsen af 1920’erne herskede der et bittert had og en stor mistro mellem Europas nationer. 1. verdenskrig var netop slut i 1918. Det politiske klima var ikke befordrende for internationalt samarbejde.

Men Niels Bohr ønskede at skabe et internationalt samarbejde indenfor teoretisk fysik. Og hans Institut for teoretisk Fysik i København blev et samlingspunkt for fysikken helt frem til slutningen af 30’erne. Det blev afgørende for fysikkens fremtid og for Niels Bohrs rolle i international fysik.

Bohr fik en ung tysk fysiker, Werner Heisenberg, ind på instituttet. At lade en ung tysker begynde på instituttet så kort efter krigen ville have været utænkeligt i Frankrig. Men Werner Heisenberg var et lysende matematisk geni og blev en af fornyerne af den teoretiske fysik.

Institut for Teoretisk Fysik i København blev fra da af knyttet tæt til mange førende fysikere i Tyskland, ikke mindst Max Born i Göttingen og Wolfgang Pauli i Hamburg. Da Bohr samtidig havde gode forbindelser til engelske fysikere som for eksempel J.J. Thomson og Ernest Rutherford, blev Bohr et slags internationalt bindeled i sin tids fysik.

I 1920’erne var Institut for Teoretisk Fysik i København stedet, hvor de største mødtes og diskuterede, og blev derved centrum for international teoretisk fysik på en tid i fysikkens historie, hvor kvantemekanikken blev videreudviklet. Kvantemekanikken beskriver, hvordan atomer, elektroner og lys reagerer med hinanden.

I den sidste del af sit liv arbejder Bohr også med politik. Han er aktiv for at undgå en fremtidig atomkrig og for at indføre atomkraft i Danmark.

Opdagelsen

Atommodellen – et brud med alle regler

Niels Bohr løste en af sin tids helt store gåder indenfor fysik: Hvordan et atom er bygget op. Niels Bohrs atommodel bryder med mange af datidens naturlove. Einstein, som var meget imponeret over Bohrs opdagelse, betegnede atommodellen som ”…en af de største opdagelser”.

På Niels Bohrs tid ved man, at atomer består af to ting: En kerne, som er elektrisk positiv og elektroner, som er elektrisk negative. Men hvordan undgår atomet at kollapse om sig selv?

Elektroner findes i faste baner

Niels Bohr foreslår, at elektroner tilhører nogle baner eller elektronskaller, rundt om atomets kerne. En elektron kan aldrig være mellem to baner. Enten er elektronen i én skal eller også er den i en anden skal. Og da der ikke er nogen bane helt inde ved kernen, forklarer det hvorfor elektronen ikke falder ind i atomkernen.

Kvantespring kræver eller udløser energi

En elektron kan til gengæld hoppe fra en elektronskal til en anden – men det sker altid på grund af en ændring i atomets energi. Enten optager atomet en mængde energi i form af fx lys eller varme, hvorefter elektronen hopper udad.

Eller også udsender elektronen en mængde energi i form af lys og hopper indad til en bane tættere på atomkernen. Sådan et hop kalder vi et kvantespring, hvad enten det er et hop udad eller indad.

Kvantespringet sker altså altid samtidig med, at elektronen enten optager energi eller udsender energi i form af lys. Se her hvordan:

Video: Energimuseet

Bohrs atommodel passer perfekt med en række observationer af brintatomets opførsel. Og da han bruger matematiske ligninger til at beskrive de nye fysiske love for atomet, kan disse ligninger bruges til at beregne, hvor meget energi elektronen bruger eller udsender for at foretage et kvantespring mellem to baner.

Atommodellen forklarer på den måde med matematik, hvorfor stof lyser med særlige farver, når det varmes op. For hvis man giver atomer ekstra energi for eksempel i form af varme, så vil elektronerne i atomerne foretage kvantespring: De vil flytte sig ud i ledige baner længere væk fra atomkernen. Energien fra varmen får elektronerne til at hoppe udad.

Men kort tid efter laver elektronerne kvantespring igen: Så falder de af sig selv tilbage ind mod midten. Og nu afgiver de nøjagtig den samme mængde energi i form af lys med en helt præcis bølgelængde, altså en helt præcis farve.

Brintatomets elektron udsender følgende lys, når elektronen bevæger sig imellem de forskellige skaller:

Brintatomet udsender lys med forskellige bølgelængder når elektronen hopper indad imellem de forskellige skaller. Illustration: Larsen et Rasmussen

Brintatomet udsender lys med forskellige bølgelængder, når elektronen hopper indad imellem de forskellige skaller. Nederst ses bølgelængderne på det synlige lys, som brint udsender.

Illustration: Larsen et Rasmussen

Og fordi elektronerne kun kan være i banerne og ikke imellem, så kommer lys fra atomer altid i bestemte portioner, svarende til kvantespringene. Lys fra et atom kommer altså altid i kvanter med bestemte bølgelængder. Aldrig i andre bølgelængder.

Komplementaritet

Niels Bohr er også berømt for sit såkaldte komplementaritets-synspunkt, som han foreslår, fordi der opstår et problem i fysikken med at forstå, hvordan kvantemekanikken kan være rigtig.

Kvantemekanikkens matematik viser sig nemlig meget nøjagtigt at forklare og forudsige, hvordan lys og atomer og elektroner spiller sammen. Men samtidig er kvantemekanikken meget underlig. Den er fuld af tilsyneladende selvmodsigelser og besynderlige fænomener, som ikke virker rigtig kloge, for at sige det lige ud.

For eksempel kan en partikel samtidig være en bølgebevægelse. Men hvordan kan det være rigtigt? Man kender da ikke en bølge på stranden, som rammer kysten ét eneste sted, som var den en bold, man kastede? Og vi ser da heller aldrig en fodbold, som går udenom målet som en lydbølge og dukker op på den anden side af målet, tilsyneladende uden at være gået igennem målet?… Den slags underligheder sker for atomer, elektroner og lys.

For at skabe fred omkring disse modsætninger i kvantemekanikken, foreslår Bohr komplementaritets-princippet: Nemlig, at vi skal acceptere, at en forklaring kan indeholde elementer, som er i modstrid med resten af forklaringen. Og derved påstår Bohr, at vi ikke behøver at forsøge at finde en intuitivt forståelig forklaring på, at energi både kan optræde som bølge såvel som partikel.

Nutiden

Atommodellen: Rigtig, men forkert

I dag ved fysikere, at Niels Bohrs atommodel er forkert. Alligevel arbejder de alle videre på grundlag af den. Det lyder jo absurd. Hvordan kan den både være forkert og stadig gælde?

Jo. Ganske vist er atommodellen forkert, men den førte til at vi kunne begynde at forstå atomet.

Men atomer er ikke helt, som Niels Bohr foreslog det. For eksempel har det vist sig, at elektroner ikke cirkler om atomets kerne som små planeter om en sol i faste baner. Elektroner er mere som skyer af energi, der har en vis sandsynlighed for at befinde sig i en bestemt position og afstand fra en atomkerne.

Det har også vist sig, at elektronernes baner rundt om en atomkerne kan være alt andet end cirkulære. Så Bohrs ligninger passer kun på få atomer. I dag laves den form for beregninger ikke ud fra Bohrs atommodel, men ved hjælp af kvantemekanik.

Grundlæggende havde Bohr dog ret i, at elektroner kun kan være i bestemte områder rundt om en atomkerne. Og ideen om, at lys fra atomer er resultatet af kvantespring, gælder stadig.

Atommodellen gjorde det muligt at udvikle kvantemekanikken – det sæt regler, som beskriver, hvordan atomer og elektroner opfører sig. Kvantemekanikken er vores grundlag for al elektronik og for fysikernes forståelse af hele universets opbygning.

Det er med udgangspunkt i kvantemekanikken og relativitetsteorien, at man i dag kan beskrive, hvordan Universet udviklede sig fra Big bang og frem til i dag; hvordan alle atomer er opstået, og hvorfor de reagerer på hinanden og på energi, som de gør.

Ny forskning: Lars udforsker fysikkens love

Lars Egholm Pedersen er partikelfysiker og forsker i verdens måske mest berømte partikel, Higgs.

Af Kristoffer Lottrup, Experimentarium

Lars Egholm foran ATLAS-detektoren

Lars Egholm foran ATLAS-detektoren, en bærende del af partikelacceleratoren på CERN. ATLAS ligger under jorden, er hele 45 meter lang, 25 meter høj og vejer godt 7000 tons. Billede: Sune Jakobsen

Hvordan hænger det hele egentlig sammen? Hvad består alting af, og hvordan påvirker stofs elementære bestanddele hinanden? Disse spørgsmål beskæftiger 27-årige Lars Egholm Pedersen sig med i sit daglige arbejde som ph.d.-studerende på Niels Bohr Instituttet i København.

Han forsker i Higgs-partiklen, der har rumsteret i hovedet på alverdens partikelfysikere, siden den blev forudsagt i 60’erne. Partiklen er en bærende del af standardmodellen, der udgør selve fundamentet for menneskehedens opfattelse af naturlovene og universets basale byggesten. Modellen består af i alt 13 såkaldte elementarpartikler, hvoraf Higgs er den ene. Ifølge standardmodellen giver Higgs-partiklen alle andre partikler masse. Med andre ord: Uden Higgs-partiklen holder standardmodellen ikke.

Det hele fører tilbage til universets skabelse. I den første milliardtedel af et sekund efter Big Bang væltede alle partiklerne i universet rundt imellem hinanden med lysets hastighed. Partiklerne var masseløse og kunne ikke binde sig til hinanden. Men så kom Higgs-partiklen og skabte det såkaldte Higgs-felt. Det gav alle de andre partikler masse, og universet, som vi kender det, blev skabt.

Så langt, så godt. Der var bare et enkelt problem: Indtil for få år siden var man ikke i stand til at bevise Higgs-partiklens eksistens. Det kræver nemlig enorme mængder energi. Faktisk er man nødt til at lave sit eget mini-Big Bang.

Og det var lige præcis, hvad man gjorde i løbet af 2011-12 på forskningscentret CERN i Schweiz. Her findes verdens største partikelaccelerator. I den kan man skyde et stort antal partikler mod hinanden med så stor kraft, at man kan genskabe dele af de forhold, der gjorde sig gældende ved Big Bang.

Til forskernes store begejstring påviste eksperimentet Higgs-partiklens eksistens.

Den rigtige opgave på det rigtige tidspunkt

Kort tid før Higgs-partiklen blev konstateret i Schweiz, sad Lars Egholm Pedersen og skrev sin speciale på kandidatuddannelsen i partikelfysik på Københavns Universitet. Emnet var opdagelsen af Higgs-partiklen.

”Jeg skrev om, hvordan søgningen kunne optimeres, så det passede jo rigtigt godt,” smågriner han. ”Det var ret heldigt, at partiklen blev opdaget et halvt år før, jeg afleverede. På den måde kunne jeg også nå at få eksperimentet med i min opgave. Det var vildt spændende!”

Siden dengang har Lars Egholm Pedersen arbejdet målrettet på at vride så meget viden ud af opdagelsen fra CERN som muligt. Da han havde afleveret sit speciale, gik han straks i gang med sin ph.d.

”Jeg undersøger det felt, som Higgs-partiklen danner; hvordan det fungerer, og hvordan det påvirker andre partikler,” fortæller den unge forsker. ”I løbet af de sidste to år er der flere og flere brikker, der er faldet på plads. Undersøgelserne viser, at de mange data fra CERN er i god overensstemmelse med det, standardmodellen foreskriver.”

Fulgte sin interesse

Lars Egholm Pedersen var langt fra sikker på, hvad han ville, da han var færdig med gymnasiet. Han var glad for naturvidenskab og matematik og endte derfor med at søge ind på de fysiske fag på Københavns Universitet. Et introkursus til partikelfysik på tredje år fangede hans interesse.

“Det var nok lidt tilfældigt i virkeligheden, men partikelfysik lød bare spændende,” fortæller han.

Siden skrev han bacheloropgave om de allertidligste data fra partikelacceleratoren på CERN. Det enorme forskningscenter virkede dragende på Lars, og da muligheden for et sommerkursus opstod, slog han til. På CERN fik han mulighed for at arbejde sammen med andre unge fysikere fra hele verden.

”Det var en virkelig fed oplevelse, som gjorde mig sikker på, at jeg gerne ville arbejde med partikelfysik,” fortæller Lars Egholm Pedersen.

Han har siden arbejdet på CERN i flere omgange og er meget imponeret af stedet. ”Det ligger i baghovedet, at man er en del af det største videnskabelige projekt i verden. Der er en helt særlig stemning og gejst, og folk er meget ambitiøse.”

Jagten på ny fysik

Selvom der nu er fundet bevis for den famøse Higgs-partikel, er der fortsat uendeligt mange spørgsmål om universitets egenskaber, vi mangler at få svar på. Til marts sætter CERN gang i nye eksperimenter, hvor man skruer op på dobbelt energi. Lars Egholm Pedersen glæder sig.

”Noget af det spændende ved fysik er, at man aldrig kan bevise noget endegyldigt. Du kan kun demonstrere, at en teori fungerer i forbindelse med de eksperimenter, du er i stand til at opstille,” siger han. ”De nye eksperimenter på CERN har potentiale til at føre til opdagelsen af ny fysik, som vi ikke har kendskab til i dag.”

Det er netop denne udfordring af alt det, vi tror, vi ved, der driver Lars Egholm Pedersen.

”For mig er det stort at være en del af det her enorme eksperiment, der giver mulighed for at svare på fysikkens store spørgsmål. Det er vildt fedt at have chancen for at være de første, der får lov til at se, hvordan bestemte egenskaber i universet hænger sammen og fungerer.”

Udvidet forklaring af atommodellen

Se en animeret præsentation af atommodellen, der trin for trin forklarer:
> hvordan bestemte mængder energi eller lys får elektroner til at springe fra en skal til en anden
> hvordan elektronen udsender samme mængde energi igen som lys, når den falder tilbage til udgangspunktet.

Video: Simon Colmorten

Byg dit eget atom

For at få en dybere forståelse af de kræfter, der er i spil i et atom, kan du her opbygge dit eget atom.

Husk at skabe balance imellem kernen og elektronerne for at undgå, at atomet bliver radioaktivt eller ustabilt.

Byg et atom

Klik for start