Những bước đi đầu tiên của Niels Bohr trong khoa học

2

Những bước đầu tiên
Niels Bohr trong khoa học

Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Sư phạm Liên Xô
V. A. VẢI

Tôi coi công trình của Bohr là thành tựu vĩ đại nhất của tư tưởng con người.
Rutherford, 1936

Năm nay, vào ngày 7 tháng 10, nhân loại đã kỷ niệm 100 năm ngày sinh của một trong những người sáng lập ngành vật lý hiện đại, Niels Bohr. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là những lời của Rutherford, được trích dẫn như một đoạn văn, được ông nói ra sau khi lý thuyết nguyên tử của Bohr được thay thế bằng cơ học lượng tử phức tạp. Không hề làm giảm đi công lao của Heisenberg, Schrödinger và Dirac trong việc tạo ra cơ học lượng tử, Rutherford đã nhấn mạnh một cách đúng đắn vai trò của Bohr.

Dirac, người đã hoàn thành phần lớn việc xây dựng cơ học lượng tử và đặt nền móng cho điện động lực học lượng tử, đã đánh giá vai trò của Bohr trong một bài giảng mà ông đọc năm 1975: “Tôi tin rằng sự xuất hiện ý tưởng của Bohr là bước đi hoành tráng nhất trong lịch sử phát triển của cơ học lượng tử”.

Phải nói rằng vai trò của Bohr rất độc đáo. Cái gọi là mô hình nguyên tử của Bohr ít được phổ biến, mặc dù bản thân Bohr khá hoài nghi về mô hình này và nhận ra sự mâu thuẫn của nó. Quan trọng hơn nhiều là những ý tưởng cơ bản mà Dirac đã nghĩ đến.

Bohr cũng có công lớn khi là thầy của một nhóm lớn các nhà khoa học lỗi lạc, trong đó có nhà vật lý kiệt xuất Liên Xô Landdu. Điều này không chỉ nhờ vào thiên tài khoa học vĩ đại mà còn nhờ những phẩm chất tuyệt vời của ông. Anh ấy là một người đàn ông có lòng tốt, sự thuần khiết và nghĩa vụ đặc biệt. Cả các nhà khoa học trẻ và đã thành danh đều đến Bohr. Ông đã tiến hành những cuộc thảo luận thực sự sâu sắc với họ, dẫn đến những kết quả mới quan trọng. Những lời cha nói về Bor khi anh còn nhỏ đã trở thành sự thật: “Mọi người sẽ đến Nils và lắng nghe anh ấy”.

Sinh viên, Thạc sĩ, Tiến sĩ

Năm 1903, Niels Bohr vào Đại học Copenhagen, nơi cha ông Christinan Bohr là giáo sư sinh lý học. Khóa học vật lý tại trường đại học này do Giáo sư Kristinen giảng dạy. Mối quan tâm sâu rộng và cách tiếp cận chủ đề kịp thời của ông chắc chắn đã đóng một vai trò rất lớn trong việc hình thành Niels Bohr với tư cách là một nhà vật lý.

Điều thú vị là các sinh viên đã sớm cảm nhận được Niels Bohr. Tuy nhiên, một sinh viên đã viết trong một bức thư gửi cho người anh họ của cô ấy gửi vào năm 1904: “Nói về thiên tài, tôi gặp một người trong số họ mỗi năm.

3

ngày. Đây là Niels Bohr, người mà tôi đã kể cho bạn nghe: khả năng phi thường của anh ấy ngày càng trở nên rõ ràng.”
Năm 1905, Hiệp hội Khoa học Hoàng gia Đan Mạch công bố một cuộc thi dành cho công trình vật lý hay nhất. Ý tưởng là nghiên cứu sự rung động của chất lỏng để tạo ra phương pháp xác định hệ số sức căng bề mặt (chúng ta đang nói về sự phát triển công trình của nhà vật lý nổi tiếng người Anh Rayleigh). Mái chèo đã giải quyết thành công các vấn đề lý thuyết, nhưng thí nghiệm đã được thực hiện thành công chỉ với một chất lỏng - nước. Tầm quan trọng của các kết quả lý thuyết của Bohr đã được ghi nhận bằng huy chương vàng, mặc dù đối thủ cạnh tranh của ông, cũng được trao huy chương vàng, đã phát triển một phương pháp thí nghiệm đơn giản hơn và xác định được hệ số căng bề mặt của một loạt chất lỏng.

Sau khi tốt nghiệp đại học năm 1907, Bohr tiếp cận Kristinsen để tìm chủ đề cho luận văn thạc sĩ của mình. Ông ấy khuyên tôi nên theo đuổi lý thuyết điện tử của kim loại. Bohr lắng nghe và nhanh chóng viết thư cho em trai Harald rằng công trình về lý thuyết điện tử của Lorentz đã mê hoặc ông. Nhưng niềm đam mê không ngăn được Bohr khám phá ra những thiếu sót cơ bản của lý thuyết điện tử cổ điển. Năm 1909, Bohr nhận bằng thạc sĩ và ngay lập tức bắt tay vào làm luận án tiến sĩ, đây là sự tiếp nối công trình nghiên cứu lý thuyết của ông.

Luận án tiến sĩ, được trình bày vào ngày 12 tháng 4 năm 1911, một phần, chứa bằng chứng về sự bất khả thi cơ bản trong việc tạo ra một lý thuyết về các tính chất từ ​​của vật chất dựa trên các khái niệm thuần túy cổ điển. Vì luận án chỉ được xuất bản bằng ngôn ngữ dành cho trẻ em nên kết quả của nó không được phổ biến rộng rãi, và 8 năm sau, van Leuven người Hà Lan đã tiến hành lại chứng minh tương tự (định lý Bohr-van Leuven). Điều quan trọng cần khẳng định là ở đây Bohr lần đầu tiên đã đích thân đạt đến giới hạn ứng dụng của vật lý cổ điển.

Việc bảo vệ luận án diễn ra vào ngày 13 tháng 5 cùng năm. Tuần báo “Chính trị” đã đăng một bài mô tả ngắn gọn bài phát biểu của Giáo sư Kristinsen tại buổi bào chữa này: “Ông ấy nói với phong thái nói chung là dễ chịu, kể một số câu chuyện hài hước và bày tỏ sự tiếc nuối rằng luận án của Bohr không được xuất bản bằng tiếng nước ngoài. Ở Đan Mạch chúng tôi hiếm có người có năng lực như vậy về lý thuyết điện tử, có thể đánh giá một luận văn về chủ đề này.” Người ta còn viết thêm: “Tiến sĩ Bohr, một chàng trai trẻ lanh lợi và nhút nhát, đã không tham gia tích cực vào cuộc thảo luận, điều này đã phá vỡ mọi kỷ lục do thời lượng ngắn của nó.”

Kristinsen đã đúng, và vì vậy Bohr, ngay sau khi được bảo vệ, đã vui vẻ đến Cambridge để thực tập kéo dài một năm.

Bohr tới Rutherford

Bản thân “cha đẻ của điện tử”, J. J. Thomson, đã làm việc tại Cambridge. Không có người có năng lực hơn trong lĩnh vực này khiến Bohr quan tâm. Tuy nhiên, vì một số lý do, Bohr không thể thiết lập quan hệ kinh doanh với Thomson.

Nhưng tại Cambridge, vào tháng 10 năm 1911, Bohr gặp Rutherford lần đầu tiên, người đến từ Manchest để dự bữa trưa hàng ngày ở Cavednitsa. Bohr nhớ lại: “Mặc dù tôi không thể gặp Rutherford trong dịp này, nhưng tôi vô cùng ấn tượng trước sự quyến rũ và nghị lực của anh ấy - những phẩm chất mà nhờ đó anh ấy có thể đạt được những thành tựu gần như đáng kinh ngạc ở bất cứ nơi nào anh ấy làm việc.”

N. Bohr và L. D. Landu tại “Lễ hội Archimedes” tại Đại học quốc gia Moscow.

4

Vào tháng 11, Bohr tới Manchester để thăm một trong những đồng nghiệp của cha anh. Người đồng nghiệp hóa ra là bạn thân của Rutherfort và đã giới thiệu Bohr với anh. Bohr sau này viết: “Trong một cuộc trò chuyện, trong đó Rutherford nói với sự nhiệt tình thực sự về nhiều triển vọng mới cho sự phát triển của vật lý học, ông ấy đã vui lòng đồng ý với yêu cầu của tôi rằng tôi nên tham gia vào nhóm làm việc trong phòng thí nghiệm của ông ấy sau khi tôi được cho là sẽ hoàn thành việc học ở Cambridge vào đầu mùa xuân năm 1912”. Rutherford chỉ yêu cầu thương lượng việc di chuyển với G.G. (biệt danh của Thomson) để thủ tục này không giống như kết quả của việc một nhân viên chuyển từ người quản lý này sang người quản lý khác. Theo Thomson, nó có được nó mà không gặp nhiều khó khăn.

Nếu ở Cambridge Bohr rất quan tâm đến mô hình nguyên tử của Thomson, theo đó các electron mang điện tích âm được đưa vào một đám mây mang điện tích dương “giống như nho khô trong một chiếc bánh cupcake”, thì ở Manchest, ông đã nhanh chóng giải phóng mình bằng mô hình nguyên tử hạt nhân của Rutherfor, được tạo ra chỉ một năm trước, trong đó các điện tích dương và âm dường như được đặt ở những vị trí khác nhau. Trong mô hình này, một hạt nhân nhỏ mang điện dương được bao quanh bởi một đám mây electron chuyển động theo quỹ đạo kín xung quanh hạt nhân (giống như các hành tinh quay quanh Mặt trời). Mô hình của Rutherfor có một lỗi máy chủ - nó không thể giải thích được tính ổn định của cấu trúc nguyên tử, điều này thể hiện rõ ràng ở mỗi bước.

Bohr nhiệt tình hòa mình vào bầu không khí của phòng thí nghiệm Manchester và bắt đầu cố gắng giải quyết mâu thuẫn này. Rutherford nhanh chóng đánh giá cao chiều sâu trong cách tiếp cận của Bohr và ủng hộ ông hết mình. Bohr đã có ý tưởng áp dụng cho lời giải bài toán đã chỉ ra các khái niệm lượng tử do Planck và Einstein phát triển. Tuy nhiên, người ta vẫn chưa biết Bohr lần đầu tiên làm quen với ý tưởng này ở đâu và khi nào (một chi tiết đặc trưng là trong khóa học vật lý lý thuyết của Christansen, xuất bản bằng tiếng Đức năm 1910, không có một từ nào về lượng tử!).

Tác phẩm chính của Bohr

Vào tháng 9 năm 1912, Bohr trở lại Copenhagen và tiếp tục nỗ lực áp dụng các khái niệm lượng tử vào mô hình nguyên tử hành tinh, nhưng rất khó đạt được tiến bộ. Đầu tháng 2 năm 1913, người bạn đại học của ông, nhà quang phổ Hansen, vô tình ghé thăm ông. Trước cuộc gặp này, Bohr tỏ ra không quan tâm đến cấu trúc quang phổ vạch để nghiên cứu và hấp thụ các nguyên tố khác nhau. Sau này ông nói: “Chúng được nhìn nhận giống như những hoa văn đẹp đẽ trên cánh bướm - người ta có thể ngưỡng mộ vẻ đẹp của chúng, nhưng không ai nghĩ rằng sự đều đặn trong màu sắc của chúng có thể dẫn đến

N. Bohr và W. Pauli, quan sát con quay.

5

theo dấu vết của các định luật sinh học cơ bản." Hansen đặt câu hỏi: “Lý thuyết của bạn giải thích các công thức quang phổ như thế nào?” Bohr, vào thời điểm đó, như chúng ta đã thấy, đã được đào tạo bài bản về lĩnh vực vật lý lý thuyết, đã không hiểu chuyện gì đang xảy ra. Anh ta không biết gì về bất kỳ công thức quang phổ nào. Hansen nói, “Bạn cần xem những công thức này. Họ mô tả quang phổ nguyên tử một cách đơn giản đến đáng kinh ngạc.” Bohr thực hiện lời khuyên này một cách ngạo mạn mà không coi trọng nó. Tuy nhiên, theo ông, ngay khi nhìn thấy công thức của Balmer (nhà vật lý và toán học người Thụy Sĩ) thuần túy thực nghiệm vào cuối thế kỷ 19, ông đã biểu thị một dãy tần số cho một số vạch trong vùng khả kiến của quang phổ của nguyên tử hydro. Sau đó một thời gian, các mẫu tương tự đã được phát hiện ở những phần vô hình của quang phổ hydro.

Sau khi làm quen với công thức của Balmer, mọi việc nhanh chóng diễn ra suôn sẻ và vào tháng 3 năm 1913, Bohr đã hoàn thành công trình mà ông gọi là “Về cấu trúc của nguyên tử và phân tử”. Cùng năm đó, theo gợi ý của Rutherford, nó đã được xuất bản trên tạp chí “Phylosophical Magazine” của Anh dưới dạng ba bài báo. Chúng ta sẽ hạn chế chỉ xem xét bài đầu tiên, quan trọng nhất trong “bộ ba” bài viết của Bohr - “Sự liên kết của các electron dương bằng một hạt nhân”.

Thường có khoảng cách giữa tiến độ thực tế của nghiên cứu và cách trình bày của tác giả trong bài viết cuối cùng. Nhà sinh học nổi tiếng người Mỹ, người đoạt giải Nabel Cent-Györdy đã mô tả một phần tình huống đang nổi lên bằng đồ họa (xem hình), trong đó thời gian được vẽ trên một trục và “sự thật” trên trục kia. Dòng 2 thể hiện quá trình nghiên cứu thực tế, khi các giai đoạn phát triển của “sự thật” được thay thế bằng các giai đoạn suy tàn của nó (tức là ảo tưởng) và dòng 1 lý tưởng mô tả cách trình bày quá trình tương tự trong tác phẩm cuối cùng.

Bohr, vốn là một người thẳng thắn, không thể làm được điều này, mặc dù ông đã sửa lại bài viết của mình nhiều lần. Bohr còn được đặc trưng bởi

“Lịch trình”
Szent-Gyorgy.

mà ông đề cập đến những người đi trước không thành công, những người đã cố gắng áp dụng nó để giải thích các tính chất của nguyên tử.

Phần mở đầu của bài viết hàm chứa một ý nghĩa rất quan trọng liên quan đến vai trò của hằng số lượng tử Planck trong lý thuyết nguyên tử. Ý nghĩa này mang tính chất hiện đại và gắn liền với cái gọi là chiều hướng lý thuyết. Tuy nhiên, một trong những người tiên phong trong việc áp dụng các phương pháp lý thuyết chiều trong vật lý là Rayleigh (với sự phát triển các công trình của ông, khi còn là sinh viên, Bohr đã bắt đầu hoạt động khoa học của mình).

Nếu một hệ đại lượng cơ bản nhất định được chọn, ví dụ như trong cơ học - độ dài, thời gian và khối lượng, thì thứ nguyên của các đại lượng cơ bản được viết thông qua thứ nguyên của các đại lượng cơ bản. Vì vậy, thứ nguyên của chiều dài được ký hiệu là [l]=L, sau đó thứ nguyên của diện tích [S]=L² và thể tích [V]=L³. Thứ nguyên của thời gian [t]=T, tương ứng với thứ nguyên của tốc độ [v]=LT⁻¹ và gia tốc [a]=LT⁻². Vì thứ nguyên của khối lượng [m]=M nên thứ nguyên của lực [F]=MLT⁻². Và vân vân.

Bohr thu hút sự chú ý đến thực tế là trong mô hình nguyên tử Rutherford chỉ có hai tham số - câu đố e và khối lượng electron m, từ đó không thể hình thành các đại lượng xác định cấu trúc của nguyên tử và có thứ nguyên chiều dài. Nếu chúng ta cộng hằng số Planck h thì khả năng như vậy sẽ xuất hiện.

Chúng ta hãy tái hiện lại một số tính toán còn thiếu trong bài báo của Bohr, điều này sẽ giúp hiểu được ý tưởng của ông. Trong trường hợp này, chúng ta, giống như Bohr đã làm trong các phần tiếp theo của bài viết, sẽ sử dụng cái gọi là hệ đơn vị nhà máy điện tuyệt đối (AGSE). Nó sử dụng centimet, gram và giây làm đơn vị cơ học cơ bản (do đó có các chữ cái SGS). Thứ nguyên của bí ẩn electron trong hệ này được xác định dễ dàng nhất từ ​​định luật Coulomb (định luật cơ bản của nhà máy điện), viết nó ở dạng đơn giản nhất F=e²/r²=[F]=MLT⁻²,