Niels Bohr

Niels Hendrik David Bohr wurde am 7. Oktober 1885 in Kopenhagen geboren und starb auch dort am 18. November 1962. Niels Bohr stammte aus einer Familie von Wissenschaftlern: Sein Vater Christian Bohr war Physiologe, sein Bruder Harald Bohr Mathematiker. Bereits für seine erste Forschungsarbeit (einer Präzisionsmessung der Oberflächenspannung des Wassers) wurde ihm im Jahre 1906 eine Goldmedaille der Königlich Dänischen Akademie der Wissenschaften verliehen. Er studierte an der Universität Kopenhagen, als er 1911 mit einer Arbeit über die Theorie der Metallelektronen promoviert wurde . Er zeigte darin, daß die magnetischen Eigenschaften der Metalle mit den Vorstellungen der klassischen Physik nicht verstanden werden können. Er ging im Oktober desselben Jahres nach England, zuerst zu Joseph John Thomson, der an der Universität Cambridge Dozent war, bald aber (im März 1912) nach Manchester zu Ernest Rutherford, mit dem ihn bald eine tiefgehende Freundschaft verband.

Im Zusammenwirken mit der Arbeitsgruppe in Manchester griff Bohr rasch die Vorstellungen vom Atom, die dieser Ende 1910 aufgrund der Winkelstreuung von Alpha-Teilchen in dünnen Materialschichten entwickelt hatte, auf, da ihn die Möglichkeit faszinierte, die Eigenschaften der Elemente aus einer einzigen Zahl, der Kernladung oder Ordnungszahl abzuleiten. Er unterschied auch bereits früh zwischen den chemischen Eigenschaften und den Phänomenen der Radioaktivität, die im Kern ihren Ursprung haben. Bohrs Theorie zur atomaren Struktur erschien zwischen 1913 und 1915 in verschiedenen Fachzeitschriften. Seine Arbeit war vom rutherfordschen Atommodell abgeleitet, nach dem das Atom aus einem dichten Kern besteht, der von einem Schwarm viel leichterer Elektronen umgeben ist. Bohrs Atommodell stützte sich auf die Quantentheorie und das plancksche Wirkungsquantum (das Verhältnis zwischen der Energie des Quants und der Strahlungsfrequenz). Nach dem Modell emittiert ein Atom nur dann elektromagnetische Strahlung, wenn ein Elektron im Atom von einem höheren Quantenniveau zu einem niederen übergeht. Seine Schlüsse auf die Existenz der Isotopie und das Bestehen der etwa gleichzeitig von Kasimir Fajans und Frederick Soddy entdeckten radioaktiven Verschiebungsgesetze konnte er im Sommer 1912 nicht veröffentlichen, da Rutherford der Meinung war, daß diese Folgerungen aus seinem Atommodell zu gewagt seien. Da in jener Zeit noch keine Klarheit herrschte über die Zahl der in den einzelnen Atomen enthaltenen Elektronen, entwickelte Bohr zunächst eine Theorie der Bremsung von Alpha-Teilchen, deren Anwendung auf Wasserstoff und Helium zeigte, daß in diesen beiden Elementen ein bzw. zwei Elektronen vorhanden sind. Darüber hinaus war Bohr unter dem Eindruck des 1.Solvay-Kongresses in Brüssel überzeugt, daß der Schlüssel zum Verständnis des Atombaus im Planckschen Wirkungsquantum zu suchen sei. So konnte er unter Verwendung einer dem Planckschen Vorgehen beim Harmonischen Oszillator analogen Formel zeigen, daß wohl ein Wasserstoff-, nicht aber ein Heliummolekül existieren kann. Nachdem Bohr im Herbst 1912 an der Universität von Kopenhagen Assistent geworden war, bemühte er sich um eine zusammenfassende Darstellung der in Manchester über den Atombau gesammelten Ideen. Noch im Januar des Jahres 1913 hatte er die Spektralgesetze, weil sie ihm zu kompliziert schienen, nicht berücksichtigt, aber im darauffolgenden Monat bezog er sie, angeregt durch die Lektüre eines Buches von Johannes Stark (Prinzipien der Atomdynamik II) und eine Bemerkung des Spektroskopikers Hans Marius Hansen, der ihn auf die Einfachheit der Formel für die Spektrallinien des Wasserstoffs von Johann Balmer aufmerksam machte, in seine Theorie ein. Im März 1913 übersandte er Rutherford den ersten Teil seiner im Philosophical Magazine Vol.26 erschienenen berühmten Artikel 'On the Constitution of Atoms and Molecules', in der erstmals die Balmerserie aus der Vorstellung diskreter Atomzustände abgeleitet wurde. In derselben Abhandlung zeigte Bohr, daß gewisse von Edward Pickering in den Spektren ferner Sterne beobachtete und bisher dem Wasserstoff zugeschriebene Spektrallinien dem ionisierten Helium zuzuordnen sind. Die experimentelle Entscheidung dieser Frage durch Evan Jenkin Evans zugunsten der Bohrschen Ansicht trug wesentlich dazu bei, daß die neue Theorie sich rasch durchsetzte. Während die experimentelle Forschung mit den Versuchen von James Franck und Gustav Hertz (die Bohr erstmals richtig deutete) sowie von Henry G.J. Moseley weitere gewichtige Argumente für seine Theorie beisteuerte, bemühte sich Bohr beständig um eine Klärung der zugrundeliegenden Prinzipien.

Einen wesentlichen Fortschritt in dieser Richtung brachten Arnold Sommerfelds Arbeiten über die doppelte Quantelung im Jahre 1915, die Bohr mit Hilfe der Hamiltonschen Mechanik zu einer Theorie der mehrfach-periodischen Bewegungen erweiterte. Trotz gewisser Teilerfolge blieb die feinere Struktur der Spektren zwar weiterhin unaufgeklärt, es gelang Bohr aber, mit Hilfe des 1913 schon (in Gestalt einer Analogie der Quantenmechanik zur klassischen Physik) eingeführten Korrespondenzprinzips auch das Problem der Auswahlregeln und der Linienintensitäten in Angriff zu nehmen.

Der äußere Lebensweg Bohrs verlief in dieser Zeit über die folgenden Stationen: 1913 wurde er Dozent an der Universität Kopenhagen, von 1914 bis 1916 war er auf Einladung Rutherfords wieder in Manchester, danach ging er als Professor nach Kopenhagen zurück, wo ihm 1920 das Institut für theoretische Physik eingerichtet wurde, dem er zeitlebens als Direktor vorgestanden hat. 1922 erhielt Bohr den Nobelpreis. Im Jahre 1931 überließ die dänische Regierung Niels Bohr in Anerkennung seiner großen Leistungen den Carlsberg-Ehrenwohnsitz, der nach Willen der Stiftung dem jeweils bedeutendsten dänischen Wissenschaftler zugehören soll.

Einen gewissen Wendepunkt auf dem Wege zur Klärung der quantentheoretischen Grundlagen stellte die von Bohr gemeinsam mit Hendrik Antony Kramers und John Clark 1924 verfaßte Arbeit 'The Quantum Theory of Radiation' dar, in der angenommen wurde, daß die Sätze von der Impuls- und Energieerhaltung nur statistische Gültigkeit besäßen. Daß diese Annahme nicht zu halten war, zeigten sehr bald die Experimente von Hans Geiger und Walter Bothe sowie von Arthur Holly Compton und Alfred W. Simon, die nachwiesen, daß die Erhaltungssätze auch den einzelnen Elementarprozeß beherrschen.

Im Anschluß an diese Arbeit gelang Werner Heisenberg 1925 die Formulierung der Quantenmechanik. Damit trat die Quantentheorie in ihr Schlußstadium. Es folgten nun rasch aufeinander: 1926 Erwin Schrödingers Wellenmechanik und Max Borns Interpretation der Wellenfunktion, 1927 Heisenbergs Unschärferelation und Bohrs Vorstellung der Komplementarität. Die Unschärferelation und die Idee der Komplementarität stellen den Inhalt der sog. 'Kopenhagener Deutung der Quantentheorie' dar. Sie gingen hervor aus Bohrs und Heisenbergs - Heisenberg war damals Lektor am Kopenhagener Institut Bohrs - gemeinsamem Bemühen um eine widerspruchsfreie Formulierung der Theorie. Während Heisenberg dabei zu dem Ergebnis geführt wurde, daß der Genauigkeit, mit welcher kanonisch konjugierte Größen (wie Ortskoordinaten und Impuls) gleichzeitig gemessen werden können, durch die Natur im Planckschen Wirkungsquantum eine Grenze gesetzt ist, kam Bohr zu der Ansicht, daß die Natur zu ihrer vollständigen Beschreibung den Gebrauch sich zwar gegenseitig ausschließender, sich aber andererseits gegenseitig ergänzender (zueinander komplementärer) Vorstellungen zuläßt (wie z.B. im Teilchen/Welle-Dualismus des Lichtes und der Materie). Bohr hat diesen Gedanken später auch in gewisse Bereiche der Biologie und Philosophie übertragen, indem er darauf hinwies, wie auch dort zur Erfassung von bestimmten Sachverhalten komplementäre Betrachtungsweisen angewandt werden. Im Jahr 1939 überzeugte Bohr, nachdem er die Kernspaltungsexperimente der deutschen Wissenschaftler Otto Hahn und Fritz Strassmann in ihrer Tragweite erfaßt hatte, die Physiker auf einer wissenschaftlichen Konferenz in den USA von der Bedeutung dieser Experimente. Er wies später nach, daß Uran 235 dasjenige Uranisotop ist, das gespalten wird. Bohr kehrte nach Dänemark zurück und wurde nach der deutschen Okkupation im Jahr 1940 zum Bleiben gezwungen.Im Jahre 1943 nahm Bohrs Leben eine dramatische Wendung. Von Freunden gewarnt, verließ er seine seit 1940 besetzte Heimat und floh im Segelboot über den Öresund nach Schweden. Von dort holte ihn der britische Geheimdienst nach England und in die USA weiter, wo sich Bohr in Los Alamos (New Mexico) an der Entwicklung der Atombombe beteiligte.1945 kehrte er nach Kopenhagen zurück. Nach der Explosion der Bombe 1945 widersetzte er sich jedoch der Geheimhaltung-spflicht über das Projekt, weil er die Folgen dieser verhängnisvollen neuen Entwicklung fürchtete. Bohr setzte sich für eine internationale Kontrolle ein.

1945 ging Bohr wieder an die Universität Kopenhagen, wo er unverzüglich an der friedlichen Nutzung der Kernenergie zu arbeiten begann. Er organisierte die erste Atoms for Peace Conference (Konferenz zur friedlichen Nutzung der Atomenergie), die 1955 in Genf stattfand. Als Bohr 1962 starb, mußte er die Theorie der Supraleitung, seinen letzten Forschungsgegenstand, ungelöst zurücklassen. Sein Nachfolger in der Leitung des berühmten Kopenhagener Instituts für theoretische Physik wurde sein Sohn Aage Bohr.

Wichtige Daten aus Niels Bohrs Leben:

1911: Niels Bohrs Promotion Thema seiner Arbeit: Metallelektronen

1913: Bohr entwickelt das Bohrsche Atommodell

1916: Niels Bohr wird Professor für Theoretische Physik in Kopenhagen

1922: Bohr wird Nobelpreisträger für Physik

1926/27: "Kopenhagener Deutung" der Quantentheorie zusammen mit W. Heisenberg

1943: Emigration und Beteiligung an der Entwicklung der Atombombe in Los Alamos

1957: Atomfriedenspreis

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