Niels Bohr

Cuộc đời

Niels Bohr sinh ngày 7 tháng 10 năm 1885 tại Copenhagen, là con thứ hai trong số ba người con của Christian Bohr, một giáo sư sinh lý học tại Đại học Copenhagen và Ellen Adler Bohr, một phụ nữ đến từ một gia đình Đan Mạch gốc Do Thái có tiếng trong giới ngân hàng và chính trị. Ông có một người chị gái, Jenny, và một người em trai Harald. Jenny sau này trở thành giáo viên, trong khi Harald là một nhà toán học và cầu thủ bóng đá. Ông từng thi đấu trong màu áo đội tuyển Đan Mạch tại Thế vận hội mùa hè 1908 ở Luân Đôn. Niels cũng ham mê bóng đá, và hai anh em ông từng chơi vài trận đấu cho đội bóng Akademisk Boldklub với Niels ở vị trí thủ môn.

Năm lên bảy, Bohr theo học tại Gammelholm Latin School. Năm 1903, ông nhập học Đại học Copenhagen. Ông học chuyên ngành Vật lý với sự hướng dẫn của Giáo sư Christian Christiansen, giáo sư duy vật lý duy nhất của trường tại thời điểm đó. Ông cũng học thiên văn và toán với sự hướng dẫn của Giáo sư Thorvald Thiele và được Giáo sư Harald Høffding, một người bạn của cha ông, dạy triết học.

Năm 1905, một cuộc thi đợi tài trợ bởi Hội Khoa học Hoàng gia Đan Mạch nhằm tìm ra một phương pháp đo sức căng bề mặt của chất lỏng, một lý thuyết được đề xuất bởi Lord Rayleigh năm 1879. Điều này bao gồm việc đo đạc tần số dao động của bán kính của một tia nước. Bohr tiến hành một loạt các thí nghiệm sử dụng phòng thí nghiệm của cha mình tại trường đại học, ngay cả trường đại học cũng không có một phòng thí nghiệm chung. Để hoàn thành các thí nghiệm của mình, ông đã phải tự làm các dụng cụ thí nghiệm bằng thủy tinh, mà một số ống nghiệm đòi hỏi phải có tiết diện hình elip. Xa hơn cả nhiệm vụ ban đầu, ông đã kết hợp những sự cải tiến vào lý thuyết của Rayleigh và phương pháp của mình, bằng cách kết hợp độ nhớt của nước và làm việc với biên độ hữu hạn thay vì những biên độ cực nhỏ. Bài luận văn của ông, được nộp vào phút cuối, đã giành giải. Sau đó ông đã gửi bản được chỉnh sửa đến Hội Hoàng gia để được xuất bản trong Philosophical Transactions of the Royal Society.

Harald là người đầu tiên trong hai anh em nhà Bohr lấy được bằng thạc sĩ vào tháng 4 năm 1909. Niels mất thêm 9 tháng để làm điều tương tự với bằng thạc sỹ về lý thuyết electron trong kim loại, một chủ đề do giáo sư hướng dẫn Christiansen của ông lựa chọn. Bohr sau đấy tiếp tục mở rộng luận án thạc sỹ của ông lên mức cao hơn trong luận án tiến sỹ của ông. Ông đọc các cuốn sách viết về chủ đề, nghiên cứu dựa trên mô hình do Paul Drude giả thuyết và được Hendrik Lorentz chi tiết hóa, trong đó các electron trong kim loại được coi hành xử như một chất khí. Bohr đã mở rộng mô hình của Lorentz, nhưng vẫn chưa thể miêu tả được các hiện tượng như hiệu ứng Hall, và kết luận rằng lý thuyết electron không thể giải thích đầy đủ từ tính của kim loại. Luận án được chấp nhận vào tháng 4 năm 1911, và Bohr thực hiện buổi bảo vệ luận án vào ngày 13 tháng 6. Harald đã nhận được bằng tiến sỹ vào năm trước. Luận án của Bohr là một bước đột phá, nhưng không được sự chú ý từ bên ngoài vùng Scandinavia bởi nó được viết bằng tiếng Đan Mạch, một đòi hỏi từ đại học Copenhagen lúc bấy giờ. Năm 1921, nhà vật lý người Hà Lan Hendrika Johanna van Leeuwen đã độc lập dẫn ra một định lý tương tự như trong luận án của Bohr mà ngày nay được biết đến là định lý Bohr–Van Leeuwen.

Năm 1910, Bohr gặp Margrethe Nørlund, em gái của nhà toán học Niels Erik Nørlund. Bohr rút khỏi thành viên Giáo hội Đan Mạch ngày 16 tháng 4 năm 1912, và ông và Margrethe tổ chức đám cưới tại tòa thị chính ở Slagelse vào ngày 1 tháng 8. Năm sau, em trai Harald cũng rời giáo hội trước khi tổ chức đám cưới. Bohr và Margrethe có sáu người con trai. Lớn tuổi nhất là Christian, đã mất trong một tai nạn chìm thuyền năm 1934, và người con khác Harald, chết trẻ vì viêm màng não. Aage Bohr trở thành một nhà vật lý thành công, và năm 1975 ông được trao giải Nobel Vật lý như bố ông. Hans Bohr trở thành một thầy thuốc; Erik Bohr là kỹ sư hóa chất; và Ernest Bohr là một luật sư. Giống như người chú Harald, Ernest Bohr cũng trở thành một vận động viên olympic, chơi khúc côn cầu trên cỏ cho đội tuyển Đan Mạch tại thế vận hội Mùa hè 1948 ở London.

Vật lý

Mô hình Bohr

Tháng 9 năm 1911, Bohr, được hỗ trợ bởi học bổng từ Quỹ Carlsberg, đã đến nước Anh. Đây là nơi cho việc thực hiện nghiên cứu lý thuyết cấu trúc nguyên tử và phân tử tốt nhất vào thời điểm đó. Ông đã gặp J. J. Thomson của phòng thí nghiệm Cavendish và trường đại học Trinity, Cambridge. Ông tham dự các bài giảng về điện từ học của James Jeans và Joseph Larmor, và thực hiện một số nghiên cứu về tia âm cực nhưng không gây ấn tượng với Thomson. Ông có một số thành công hơn với các nhà vật lý trẻ như William Lawrence Bragg người Úc, và Ernest Rutherford người New Zealand, khi ông đưa ra mô hình Rutherford về hạt nhân trung tâm của nguyên tử năm 1911 đã thách thức đến mô hình bánh pudding của Thomson năm 1904. Bohr đã nhận được lời mời từ Rutherford để nghiên cứu hậu tiến sỹ tại đại học Victoria ở Manchester, tại đây Bohr gặp George de Hevesy và Charles Galton Darwin (mà Bohr coi là "người cháu đích thực của Charles Darwin").

Bohr trở lại Đan Mạch tháng 7 năm 1912 để chuẩn bị cho đám cưới của ông, và hai người đã du lịch quanh nước Anh và Scotland trong tuần trăng mật. Khi trở về, ông trở thành privatdocent (tạm dịch: giảng viên) tại đại học Copenhagen, chuyên ngành nhiệt động lực học. Martin Knudsen đặt Bohr ở vị trí docent (tạm dịch: trợ giảng), và được phê chuẩn vào năm 1913, và ông bắt đầu giảng dạy các sinh viên y khoa. Ba bài báo của ông, mà về sau trở thành "bộ ba" nổi tiếng, được đăng trong tạp chí Philosophical Magazine vào tháng 7, tháng 9 và tháng 11 của năm đó. Ông đã áp dụng lý thuyết lượng tử của Max Planck vào mô hình cấu trúc hạt nhân của Rutherford để đưa ra mô hình Bohr của nguyên tử.

Mô hình hành tinh nguyên tử không phải là mới, nhưng cách tiếp cận của Bohr lại là phương pháp mới mẻ. Dựa trên bài báo năm 1912 của Charles Galton Darwin về vai trò của các electron trong tương tác của hạt alpha với hạt nhân nguyên tử, ông đã xây dựng lý thuyết electron chuyển động trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử, với các tính chất hóa học của mỗi nguyên tố được xác định chủ yếu bởi số lượng các electron trên các quỹ đạo ngoài cùng quanh hạt nhân nguyên tử. Ông đưa ra ý tưởng rằng một electron có thể nhảy từ quỹ đạo có năng lượng cao về quỹ đạo có năng lượng thấp hơn, quá trình này phát ra một lượng tử năng lượng rời rạc. Mô hình này trở thành cơ sở cho lý thuyết ngày nay gọi là lý thuyết lượng tử cũ.

Năm 1885, Johann Balmer đi đến công thức xác định các vạch Balmer khi ông miêu tả các vạch quang phổ của một nguyên tử hydro:

với λ là bước sóng hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng và RH là hằng số Rydberg. Công thức Balmer được xác nhận thực nghiệm khi các vạch quang phổ khác được khám phá thêm, nhưng trong vòng 30 năm, không ai có thể giải thích được công thức này. Trong bài báo đầu tiên của bộ ba, Bohr đã suy ra được công thức này từ mô hình của ông:

với me là khối lượng của electron, e là điện tích, h là hằng số Planck và Z là số nguyên tử (bằng 1 cho hydro).

Thử thách đầu tiên của mô hình đó là giải thích các vạch phổ Pickering, những vạch không khớp với công thức của Balmer. Khi Alfred Fowler nêu ra cản trở này, Bohr đã trả lời rằng các vạch phổ này phát ra từ nguyên tử heli bị ion hóa, với nguyên tử heli chỉ còn một electron. Mô hình Bohr giải thích tốt cho những ion như vậy. Nhiều nhà vật lý lớn tuổi, như Thomson, Rayleigh và Hendrik Lorentz, không thích bộ ba bài báo của Bohr, nhưng thế hệ các nhà vật lý trẻ tuổi hơn, bao gồm Rutherford, David Hilbert, Albert Einstein, Enrico Fermi, Max Born và Arnold Sommerfeld coi chúng là một bước đột phá. Lý thuyết của ông được chấp nhận hoàn toàn do nó có khả năng giải thích các hiện tượng mà những mô hình khác không thể, cũng như dự đoán các kết quả sau đó được xác nhận bằng các thí nghiệm. Ngày nay, mô hình Bohr về nguyên tử đã bị thay thế, nhưng nó vẫn là một mô hình nguyên tử nổi tiếng, và thường được giới thiệu trong các sách vật lý và hóa học phổ thông.

Bohr không có hứng thú khi giảng cho các sinh viên y khoa. Ông quyết định quay trở lại Manchester, nơi Rutherford đề xuất một công việc ở vị trí của Darwin, người mới hết hạn hợp đồng. Bohr đã chấp nhận. Ông xin nghỉ phép ở đại học Copenhagen, và bắt đầu bằng một kỳ nghỉ ở Tyrol với gia đình người em Harald và Hanna Adler. Sau đó, ông đến thăm đại học Göttingen và đại học Ludwig Maximilian München, nơi ông đã gặp Sommerfeld và thực hiện các bài giảng giải thích cho ba bài báo của ông. Thế chiến thứ nhất nổ ra khi ông đang ở Tyrol, gây khó khăn cho ông khi muốn quay trở lại Đan Mạch và chuyến hành trình Bohr cùng Margrethe chuyển hướng đến Anh, nơi ông đến nơi vào tháng 10 năm 1914. Họ ở tại đây đến tận tháng 7 năm 1916, khi ông được bổ nhiệm làm chủ nhiệm nhóm vật lý lý thuyết the của đại học Copenhagen, một vị trí được lập ra để giành cho Bohr. Ông vẫn phải có nhiệm vụ giảng dạy các sinh viên y khoa. Các giáo sư mới được bổ nhiệm thường diện kiến trước vua Christian X, người bày tỏ sự vui mừng như khi được gặp các cầu thủ bóng đá nổi tiếng.

Viện Vật lý

Tháng 4 năm 1917 Bohr bắt đầu một chiến dịch nhằm thành lập Viện Vật lý lý thuyết. Ông nhận được sự ủng hộ từ chính phủ Đan Mạch và Quỹ Carlsberg, cũng như các đóng góp đáng kể từ các nhà tài trợ cá nhân và công ty, nhiều người trong số họ gốc Do Thái. Cơ sở pháp lý thành lập viện được thông qua vào tháng 11 năm 1918. Ngày nay được biết đến là Viện Niels Bohr, nó khánh thành vào ngày 3 tháng 3 năm 1921, và Bohr là giám đốc đầu tiên của viện. Gia đình ông chuyển đến một căn hộ ở tầng 1 của viện. Viện nghiên cứu của Bohr trở thành nơi thu hút các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học lượng tử và những ngành liên quan trong thập niên 1920 và 1930, khi hầu hết các nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng trên thế giới đều giành một số thời gian làm việc tại viện. Những người đến đầu tiên đó là Hans Kramers từ Hà Lan, Oskar Klein từ Thụy Điển, George de Hevesy từ Hungary, Wojciech Rubinowicz từ Ba Lan và Svein Rosseland từ Na Uy. Bohr được nhiều người đánh giá cao với tư cách là người lãnh đạo tương đắc và đồng nghiệp lỗi lạc của họ. Klein và Rosseland có những bài báo công bố đầu tiên của viện trước khi nó được khánh thành.

Mô hình Bohr miêu tả khá tốt cho hydro, nhưng không thể giải thích hoàn toàn cho các nguyên tố phức tạp hơn. Năm 1919, Bohr từ bỏ ý tưởng các electron quay quanh hạt nhân và phát triển phương pháp suy nghiệm để miêu tả chúng. Các nguyên tố đất hiếm đặt ra một vấn đề phân loại cụ thể cho các nhà hóa học, bởi vì chúng có các tính chất hóa học khá giống nhau. Một bước phát triển quan trọng đến vào năm 1924 với việc Wolfgang Pauli khám phá ra nguyên lý loại trừ Pauli, đưa các mô hình của Bohr lên một nền tảng lý thuyết vững chắc. Bohr sau đó có thể tuyên bố rằng nguyên tố 72 khi ấy vẫn chưa được phát hiện không phải là một nguyên tố đất hiếm, mà là một nguyên tố có các tính chất hóa học tương tự như của zirconi. Ông ngay lập tức bị thách thức bởi nhà hóa học người Pháp Georges Urbain, người tuyên bố đã phát hiện ra một nguyên tố đất hiếm số 72, mà ông gọi là "celtium". Tại viện ở Copenhagen, Dirk Coster và George de Hevesy đã thực hiện cuộc tìm kiếm nhằm chứng minh Bohr đúng và Urbain sai. Bắt đầu với kiến thức đã biết rõ về các tính chất hóa học của nguyên tố chưa biết đã đơn giản hóa quá trình tìm kiếm một cách đáng kể. Họ đã xem xét các mẫu từ Bảo tàng Khoáng học Copenhagen để tìm kiếm một nguyên tố giống zirconi và nhanh chóng tìm thấy nó. Nguyên tố này, mà họ đặt tên là hafni (Hafnia là tên trong tiếng Latin của Copenhagen) lại trở lên phổ biến hơn cả vàng.