Atomets opbygning var det helt store diskussionspunkt blandt fysikere for 100 år siden.
I en artikel i Philosophical Magazine i juli 1913 fremsatte Niels Bohr en ny atommodel, som hurtigt udkonkurrerede alternative modeller.
Artiklen står som en af de vigtigste artikler i fysikken fra det 20. århundrede.
Bohrs genialitet bestod i, at han indførte Plancks konstant i sin atommodel, men teorien var med sin udbredte brug af klassisk fysik på sin vis mere forkert end rigtig.
Trilogien Niels Bohr udgav i 1913 tre artikler i Philosophical Magazine med titlen ‘On the Constitition of Atoms and Molecules’: Del 1 med hovedprincipperne for den nye atommodel udkom i juli. Del 2 med undertitlen ‘Systems containing only a Single Nucleus’ udkom i september. Del 3 med undertitlen ‘Systems containing Several Nuclei’ udkom i november. I disse artikler, som tilsammen var på 71 sider, fremkom Niels Bohr med to nye postulater. Det første siger, at atomet kun kan eksistere i visse stationære tilstande svarende til bestemte energier og afstande mellem kernen og elektroner. Ifølge det andet kan atomet ændre tilstand ved, at en elektron springer fra en stationær bane til en anden. Når dette ‘kvantespring’ sker til en lavere bane, vil energiforskellen blive udsendt som en lysbølge med en frekvens, som er energiforskellen divideret med Plancks konstant.
I midten af 1920’erne fremkom Erwin Schrödinger og Werner Heisenberg med mere korrekte kvantemekaniske modeller for atomet. Det var dog næppe sket uden Bohrs forarbejde.
Bohrs model lever fortsat i den almene opfattelse af, at i atomer cirkler elektroner rundt om en kerne på samme måde, som planeterne er i baner om Solen.
Proceduren for optagelse af videnskabelige artikler var anderledes for 100 år siden, end den er i dag. Niels Bohr sendte sin artikel til fysikeren Ernest Rutherford, som han tidligere havde arbejdet under på University of Manchester, og han sørgede for, at den blev offentliggjort i tidsskriftet.
Ingeniøren har dog ønsket at udsætte Bohrs artikel for et peer-review set med datidens øjne. Dertil har vi fået hjælp fra anerkendte fysikere, der både forstår sig på atomfysik og er vant til at bedømme andre fysikeres arbejde på denne måde.
Ingeniøren bad bl.a. Niels Bohrs sønnesøn Tomas Bohr, der er professor ved DTU, og Benny Lautrup, der er professor emeritus ved Niels Bohr Institutet, om at bedømme Niels Bohrs artikel. De vendte tilbage og oplyste, at de havde fundet en anonym ‘referee report’ dateret 5. april 1913, som Ingeniøren nu som det første medie i verden kan berette om.
Læs også: Sønnesøn Bohr siger god for kritisk bedømmelse af Niels Bohrs artikel om atommodellen
Rapporten indeholder en lang række kritiske kommentarer, men den anbefaler dog, at artiklen bliver offentliggjort, da den indeholder konkrete numeriske resultater og en omhyggelig teoretisk analyse.
Bedømmeren noterer desuden, at Bohrs antagelse om, at frekvenserne for spektrale linjer er bestemt af energiforskelle mellem stationære tilstande, er i stærk kontrast til ordinær elektrodynamik, men at forfatteren viser, at denne antagelse kan redegøre for de diskrete, spektrale linjer, og at den ikke er i modstrid med ordinær elektrodynamik i de tilfælde, hvor denne vides at være korrekt.
Før vi vender tilbage til denne meget interessante bedømmelsesrapport, så lad os tage et overblik over situationen i slutningen af 1800-tallet og begyndelsen af 1900-tallet.
Rosinboller og Saturn-modellen
Den britiske fysiker J.J. Thomson havde i 1897 opdaget elektronen under forsøg med katodestråling, og han kunne tilmed vise, at elektronens masse kun var en ganske lille brøkdel af et atoms samlede masse.
Det fik ham i 1903 til at foreslå den såkaldte ‘rosinbollemodel’ for atomet, hvor en stor positiv ladning var fordelt over et større sfærisk område og inden i den – som rosiner i en bolle – fandtes små negative ladninger, så atomet samlet set var elektrisk neutralt.
Året efter var den japanske fysiker Hantaro Nagaoka den første til at foreslå en atommodel, der minder om et solsystem. Nagaokas model var mere specifikt inspireret af James Clerk Maxwells analyse fra 1856 af stabiliteten af Saturns ringe, hvor det er tyngdekraften, der holder de lette ringe på plads rundt om den tunge masse.
Om det var rosinbollen eller Saturnmodellen, der stod distancen, blev først afklaret, da Hans Geiger og Ernest Marsden i 1909 under ledelse af Ernest Rutherford begyndte at lave en række spredningsforsøg med alfa-partikler.
På baggrund af disse forsøg kunne Rutherford i 1911 fastslå, at det meste af atomets masse var samlet i en kerne. Dermed røg Thomsons rosinbolle ud. Saturn- eller planetmodellen havde dog stadig et afgørende problem.
Ifølge den klassiske fysiks regler vil en negativ ladning (elektronen), der kredser rundt om en positiv ladning (kernen) udsættes for en acceleration. Joseph Larmor havde i 1897 vist, at en elektrisk ladning, som accelereres, vil udsende stråling. Som en konsekvens vil elektronen miste energi og søge længere og længere ind mod kernen.
Den britiske fysiker John William Nicholson udviklede en variant af planetmodellen i 1911, der var baseret på, at der fandtes fire såkaldte protyler, som han mente, der var eksperimentelt bevis for i Solens korona.
De fire protyler havde henholdsvis to, tre, fire og fem elektroner, der kredsede i samme afstand fra kernen – og med lige stor indbyrdes afstand mellem elektronerne. På den måde ville vektorsummen af accelerationer ind mod kernen være nul, og elektronerne ville kunne blive i deres bane.
Der fandtes intet protyl med én elektron, idet et sådant ville være ustabilt.
Alle kendte atomer var ifølge Nicholson kombinationer af de fire protyler – svarende til, at molekyler er opbygget af forskellige atomer.
Nicholson kunne med sin model forklare atomvægten af alle kendte atomer. Det talte for dens rigtighed.
Bohrs model ser dagens lys
Niels Bohr havde opholdt sig hos Ernest Rutherford i Manchester i 1912. Da han vendte hjem til København, arbejdede han videre med sine egne tanker om atomets opbygning.
Han sendte et udkast til en artikel herom til Ernest Rutherford. Her holdt han fast i planetmodellen, men tilføjede to afgørende postulater.
For det første kan atomet findes i visse stationære tilstande, der svarer til bestemte energier og afstande mellem kernen og elektronen.
For det andet vil der udsendes en lysbølge, når en elektron springer til en bane med en lavere energi.
Bohr bemærkede, at Nicholsons teori kunne forklare mange ting, men at den også havde afgørende problemer – ikke mindst når det gjaldt Balmer og Rydbergs love for grundstoffernes linjespektre. Niels Bohr viste, at hans model baseret på de to postulater ikke havde disse problemer.
Niels Bohr sendte et udkast af artiklen til Ernest Rutherford, som i et brev dateret 20. marts svarede, at der i hans øjne var mindst ét alvorligt problem:
‘Hvordan ved en elektron, hvilken frekvens den skal vibrere med, når den går fra en stationær tilstand til en anden? Det virker, som om elektronen på forhånd ved, hvor den skal stoppe,’ skrev Ernest Rutherford.
Dristig antagelse
Ingeniøren har bedt professor Ole Keller, Aalborg Universitet, der er førende teoretiker når det gælder fotoner, om at vurdere Bohrs artikel med datidens øjne. Han forklarer:
»Det vanskelige har dengang nok været at gribe denne blanding af klassisk fysik (i stationære baner) og kvantefysik (ved overgang mellem stationære tilstande). Fra en klassisk teoretisk synsvinkel var Rutherford-modellen paradoksal. Atomet er elektrodynamisk ustabilt, hvad enten elektronerne er i hvile eller roterer om kernen. Alligevel vælger Bohr at fastholde modellen.«
»Planck og Einstein havde brugt kvantemetoder i statistisk mekanik (bl.a. hulrumsstråling og fotoelektrisk effekt). Bohr var den første til at benytte kvantemetoder inden for dynamikken. Bohrs postulat om stationære tilstande er revolutionerende i forhold til samtidens opfattelse og måske det dristigste, man nogensinde har set i fysikken.«
Professor emeritus Peter Sigmund fra Syddansk Universitet har vi ligeledes bedt om at forestille sig, at året nu er 1913, og han skal vurdere, om artiklen kan findes værdig til optagelse i et videnskabeligt tidsskrift.
Peter Sigmund har skrevet en referee-rapport på engelsk, som vi her bringer et par uddrag af i dansk oversættelse. Han har naturligvis også en kommentar til postulaterne:
‘Skønt disse postulater er svære at sluge for de fleste af os, matcher forekomsten af Plancks konstant i en beskrivelse af atomet det kendte faktum, at størrelsen h2/me2, hvor m og e betegner elektronmasse og -ladning, har dimension af længde og en størrelse på omkring en atomradius.’
Peter Sigmund noterer, at modellen stemmer med observationer:
‘Forfatterens beregninger viser en sammenhæng mellem bindingsenergien af hydrogenatomer og Rydberg-konstanten i Balmer-serien, og den beregnede værdi har god overensstemmelse med den målte.’
Læs hele Peter Sigmunds referee-rapport her:
Peter Sigmund konkluderer således:
‘Jeg er ikke er i tvivl om, at dette arbejde fortjener at blive offentliggjort, men der er dele, der er ‘foreløbige og hypotetiske’, især i afsnit 4 og 5. Samtidig er disse afsnit svære at læse med lange sætninger, som lejlighedsvis er noget spekulative.’
Anbefalingen er, at forfatteren skærer ikke-centrale dele væk for at styrke præsentationen.
Den anonyme bedømmelse
Den anonyme referee-rapport, som Tomas Bohr og Benny Lautrup har overdraget til Ingeniøren, er på hele seks sider. Rapporten er skrevet på engelsk og i en sproglig stil, der klart peger 100 år tilbage.
Bedømmeren bemærker, at Bohr i stedet for at forkaste planetmodellen for atomet som en konsekvens af, at accelererede elektriske partikler vil udsende elektromagnetisk stråling og derved miste energi, indfører et dristigt postulat om, at der findes stationære tilstande.
Det tilføjes, at forfatterens antagelser er meget radikale, og det er vanskeligt at vurdere deres gyldighed. Bedømmeren noterer også, at Niels Bohr selv er opmærksom herpå.
‘Forfatteren bruger eksempelvis ordet ‘symbol’ om ‘rotationsmoment’ for at fremhæve, at dets betydning ikke nødvendigvis er i fuld overensstemmelse med vores nuværende dynamik,’ noterer bedømmeren.
Det bliver bemærket, at Niels Bohr slipper noget let om ved sit andet postulat om elektronernes spring. Her savner bedømmeren yderligere forklaringer:
‘Kan forfatteren give en eller anden indikation af processen, hvormed en elektron springer fra en stationær tilstand til en anden? Hvor lang tid tager dette? Hvordan kan den udsendte stråling være homogen, dvs. kun indeholde én frekvens? Vil det ikke kræve en uendelig tid for elektronen at udføre springet.’
Dette henviser til den velkendte sammenhæng mellem tid og frekvens. I et endeligt tidsinterval vil en bølge ikke have kun én frekvens.
Bohr fremhæver i sin artikel, at han nu kan forklare, at de spektrallinjer (Pickering-linjer), der var observeret ved en stjerne, ikke skyldes hydrogen, men ioniseret helium. Bedømmeren noterer, at det synes noget usandsynligt i lyset af de eksperimenter, der foreligger.
‘Det er dog et forhold, som kan afgøres med eksperimenter, og det må forventes, at offentliggørelse af denne artikel vil føre til sådanne eksperimenter,’ skriver bedømmeren.
Læs den anonyme referee-rapport fra 1913 her:
Bohr skriver også i sin artikel, at når man hidtil kun har fundet disse Pickering-linjer under samtidig tilstedeværelse af hydrogen og helium, så kan det skyldes, at hydrogenatomer kan opnå en negativ ladning, som kan føre til, at flere elektroner vil fjernes fra heliumatomer end i tilfældet, hvor helium er til stede alene. Den forklaring stiller bedømmeren sig meget tvivlende over for.
Eksperimenter kort tid efter viste, at Niels Bohr havde ret: Pickering-linjer skyldes ioniseret helium. Men om hydrogen kan være med til at snuppe elektroner fra helium på den måde, Niels Bohr beskriver, er aldrig blevet eftervist.
Rapporten slutter med en interessant bemærkning, nemlig at den beskrevne planetmodel for atomet giver elektronen i brintatomets stationære tilstand med lavest energi en hastighed, der er omkring 1/137 af lysets hastighed.
‘Kan forfatteren indikere en mulig måde at måle disse hastigheder på eksperimentelt?’ spørger bedømmeren.
Bohr har faktisk ikke selv udregnet dette forhold til 1/137, men han har beregninger af banens radius og omløbsfrekvens.
Det er interessant, at den anonyme bedømmer ud fra disse tal selv har udregnet den størrelse, som i dag kaldes for finstrukturkonstanten – et begreb som først blev indført af Arnold Sommerfeld under dette navn tre år senere i 1916.
Intet tyder på, at Niels Bohr nogensinde har set den anonyme bedømmelsesrapport. Der er i hvert fald ikke taget højde for dens bemærkninger i den artikel, som blev trykt i Philosophical Magazine.
Læs Niels Bohrs artikel fra 1913 her:
<
p style=" margin: 12px auto 6px auto; font-family: Helvetica,Arial,Sans-serif; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; font-size: 14px; line-height: normal; font-size-adjust: none; font-stretch: normal; -x-system-font: none; display: block;">
Opdatering: Bemærk, at Benny Lautrup i et debatindlæg knyttet til en anden artikel om den anonyme referee rapport har skrevet, at den anonyme referee rapport (naturligvis) er skrevet af Tomas Bohr og ham selv. Det burde ikke være overraskende for, som det er omtalt i denne artikel fandtes der ikke peer-reviews for 100 år siden, som det er tilfældet i dag.
