Niels Bohr

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Niels Bohr
Fotografia mostrando a cabeça e os ombros de um homem de terno e gravata
Bohr em 1922
Nascer
Niels Henrik David Bohr

( 1885-10-07 )7 de outubro de 1885
Copenhague , Dinamarca
Faleceu18 de novembro de 1962 (1962-11-18)(com 77 anos)
Copenhague, Dinamarca
Lugar de descansoCemitério de Assistens
Alma materUniversidade de Copenhague
Conhecido por
Esposo (s)
Margrethe Nørlund
( M.  1912)
Crianças6; incluindo Aage e Ernest
PrêmiosPrêmio Nobel de Física  (1922)
Carreira científica
CamposFísica Teórica
Instituições
TeseEstudos sobre a Teoria Eletrônica dos Metais  (1911)
Orientador de doutoradoChristian Christiansen
Outros conselheiros acadêmicos
Alunos de doutoradoHendrik Kramers
I. H. Usmani
Outros alunos notáveisLev Landau
Influências
Influenciado
Assinatura
Niels Bohr Signature.svg

Niels Henrik David Bohr ( dinamarquês:  [ˈne̝ls ˈpoɐ̯ˀ] ; 7 de outubro de 1885 - 18 de novembro de 1962) foi um físico dinamarquês que fez contribuições fundamentais para a compreensão da estrutura atômica e da teoria quântica , pela qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1922. Bohr foi também filósofo e promotor de pesquisas científicas.

Bohr desenvolveu o modelo de Bohr do átomo , no qual ele propôs que os níveis de energia dos elétrons são discretos e que os elétrons giram em órbitas estáveis ​​ao redor do núcleo atômico, mas podem saltar de um nível de energia (ou órbita) para outro. Embora o modelo Bohr tenha sido suplantado por outros modelos, seus princípios básicos permanecem válidos. Ele concebeu o princípio da complementaridade : os itens podem ser analisados ​​separadamente em termos de propriedades contraditórias, como se comportar como uma onda ou um fluxo de partículas . A noção de complementaridade dominou o pensamento de Bohr tanto na ciência quanto na filosofia.

Bohr fundou o Instituto de Física Teórica da Universidade de Copenhagen , agora conhecido como Instituto Niels Bohr , que foi inaugurado em 1920. Bohr foi mentor e colaborou com físicos como Hans Kramers , Oskar Klein , George de Hevesy e Werner Heisenberg . Ele previu a existência de um novo elemento semelhante ao zircônio , que foi denominado háfnium , nome em latim para Copenhagen, onde foi descoberto. Mais tarde, o elemento bohrium foi nomeado em sua homenagem.

Durante a década de 1930, Bohr ajudou refugiados do nazismo . Depois que a Dinamarca foi ocupada pelos alemães , ele teve um famoso encontro com Heisenberg, que se tornara o chefe do projeto alemão de armas nucleares . Em setembro de 1943, Bohr ficou sabendo que ele estava prestes a ser preso pelos alemães e fugiu para a Suécia. De lá, ele voou para a Grã-Bretanha, onde se juntou ao projeto de armas nucleares British Tube Alloys e fez parte da missão britânica para o Projeto Manhattan . Após a guerra, Bohr pediu cooperação internacional em energia nuclear. Ele esteve envolvido com o estabelecimento do CERN e do Research Establishment Risø da Danish Atomic Energy Commissione se tornou o primeiro presidente do Instituto Nórdico de Física Teórica em 1957.

Primeiros anos

Bohr nasceu em Copenhagen , Dinamarca, em 7 de outubro de 1885, o segundo de três filhos de Christian Bohr , [1] [2] um professor de fisiologia da Universidade de Copenhagen, e Ellen Bohr (nascida Adler), que era a filha de David B. Adler, da rica família de banqueiros judeus dinamarqueses Adler. [3] Ele tinha uma irmã mais velha, Jenny, e um irmão mais novo, Harald . [1] Jenny se tornou professora, [2] enquanto Harald se tornou um matemático e jogador de futebol que jogou pela equipe nacional dinamarquesa noJogos Olímpicos de Verão de 1908 em Londres. Niels também era um futebolista apaixonado, e os dois irmãos jogaram várias partidas pelo Akademisk Boldklub (Clube de Futebol Acadêmico), de Copenhague , tendo Niels como goleiro . [4]

Cabeça e ombros de jovem de terno e gravata
Bohr quando jovem

Bohr foi educado na Gammelholm Latin School, começando quando tinha sete anos. [5] Em 1903, Bohr se matriculou como estudante de graduação na Universidade de Copenhagen . Sua especialização foi física, que ele estudou com o professor Christian Christiansen , o único professor de física da universidade naquela época. Ele também estudou astronomia e matemática com o professor Thorvald Thiele e filosofia com o professor Harald Høffding , um amigo de seu pai. [6] [7]

Em 1905, um concurso de medalha de ouro foi patrocinado pela Academia Real Dinamarquesa de Ciências e Letras para investigar um método para medir a tensão superficial de líquidos que havia sido proposto por Lord Rayleigh em 1879. Isso envolvia medir a frequência de oscilação do raio de um jato de água. Bohr conduziu uma série de experimentos usando o laboratório de seu pai na universidade; a própria universidade não tinha laboratório de física. Para completar seus experimentos, ele teve que fazer sua própria vidraria , criando tubos de ensaio com as seções transversais elípticas necessárias . Ele foi além da tarefa original, incorporando melhorias tanto na teoria de Rayleigh quanto em seu método, levando em consideração oviscosidade da água, e trabalhando com amplitudes finitas em vez de apenas infinitesimais. Seu ensaio, que ele apresentou no último minuto, ganhou o prêmio. Posteriormente, ele submeteu uma versão melhorada do artigo à Royal Society de Londres para publicação na Philosophical Transactions of the Royal Society . [8] [9] [7] [10]

Harald se tornou o primeiro dos dois irmãos Bohr a obter o diploma de mestre , que ele obteve em matemática em abril de 1909. Niels levou mais nove meses para obter o seu na teoria eletrônica dos metais, um tópico atribuído por seu supervisor, Christiansen. Bohr posteriormente elaborou sua tese de mestrado em sua muito maior tese de Doutor em Filosofia (dr. Phil.). Ele fez um levantamento da literatura sobre o assunto, se fixando em um modelo postulado por Paul Drude e elaborado por Hendrik Lorentz , no qual os elétrons em um metal são considerados como se comportando como um gás. Bohr estendeu o modelo de Lorentz, mas ainda não foi capaz de explicar fenômenos como o efeito Hall, e concluíram que a teoria do elétron não poderia explicar completamente as propriedades magnéticas dos metais. A tese foi aceita em abril de 1911, [11] e Bohr conduziu sua defesa formal em 13 de maio. Harald havia recebido seu doutorado no ano anterior. [12] A tese de Bohr foi inovadora, mas atraiu pouco interesse fora da Escandinávia porque foi escrita em dinamarquês, uma exigência da Universidade de Copenhagen na época. Em 1921, a física holandesa Hendrika Johanna van Leeuwen derivaria independentemente um teorema na tese de Bohr que é hoje conhecido como teorema de Bohr-Van Leeuwen . [13]

Um jovem de terno e gravata e uma jovem mulher com um vestido de cor clara estão sentados em uma varanda, de mãos dadas
Bohr e Margrethe Nørlund sobre seu noivado em 1910.

Em 1910, Bohr conheceu Margrethe Nørlund , irmã do matemático Niels Erik Nørlund . [14] Bohr renunciou ao cargo de membro da Igreja da Dinamarca em 16 de abril de 1912, e ele e Margrethe se casaram em uma cerimônia civil na prefeitura de Slagelse em 1 de agosto. Anos depois, seu irmão Harald também deixou a igreja antes de se casar. [15] Bohr e Margrethe tiveram seis filhos. [16] O mais velho, Christian, morreu em um acidente de barco em 1934, [17] e outro, Harald, morreu de meningite infantil. [16] Aage Bohrtornou-se um físico de sucesso e, em 1975, recebeu o Prêmio Nobel de Física, como seu pai. Hans  [ da ] tornou-se médico; Erik  [ da ] , um engenheiro químico; e Ernest , um advogado. [18] Como seu tio Harald, Ernest Bohr se tornou um atleta olímpico, jogando hóquei em campo pela Dinamarca nos Jogos Olímpicos de Verão de 1948 em Londres. [19]

Física

Modelo Bohr

Em setembro de 1911, Bohr, apoiado por uma bolsa da Fundação Carlsberg , viajou para a Inglaterra, onde a maior parte do trabalho teórico sobre a estrutura de átomos e moléculas estava sendo feito. [20] Ele conheceu JJ Thomson do Laboratório Cavendish e Trinity College, Cambridge . Ele assistiu a palestras sobre eletromagnetismo dadas por James Jeans e Joseph Larmor , e fez algumas pesquisas sobre raios catódicos , mas não conseguiu impressionar Thomson. [21] [22] Ele teve mais sucesso com físicos mais jovens como o australiano William Lawrence Bragg , [23]e Ernest Rutherford da Nova Zelândia , cujo modelo de átomo de Rutherford com pequeno núcleo central de 1911 desafiou o modelo de pudim de ameixa de 1904 de Thomson . [24] Bohr recebeu um convite de Rutherford para realizar um trabalho de pós-doutorado na Victoria University of Manchester , [25] onde Bohr conheceu George de Hevesy e Charles Galton Darwin (a quem Bohr se referiu como "o neto do verdadeiro Darwin "). [26]

Bohr voltou à Dinamarca em julho de 1912 para seu casamento e viajou pela Inglaterra e Escócia em sua lua de mel. Em seu retorno, ele se tornou um doutorado privado na Universidade de Copenhagen, dando palestras sobre termodinâmica . Martin Knudsen colocou o nome de Bohr como docente , o que foi aprovado em julho de 1913, e Bohr então começou a lecionar para estudantes de medicina. [27] Seus três artigos, que mais tarde ficaram famosos como "a trilogia", [25] foram publicados na Philosophical Magazine em julho, setembro e novembro daquele ano. [28] [29] [30] [31] Ele adaptou a estrutura nuclear de Rutherford para Max Planckda teoria quântica e, assim, criou seu modelo de Bohr do átomo. [29]

Os modelos planetários de átomos não eram novos, mas o tratamento de Bohr, sim. [32] Tomando o artigo de 1912 de Darwin sobre o papel dos elétrons na interação de partículas alfa com um núcleo como ponto de partida, [33] [34] ele avançou a teoria dos elétrons viajando em órbitas de "estados estacionários" quantizados ao redor O núcleo do átomo para estabilizá-lo, mas foi somente em seu artigo de 1921 que ele mostrou que as propriedades químicas de cada elemento eram amplamente determinadas pelo número de elétrons nas órbitas externas de seus átomos. [35] [36] [37] [38] Ele introduziu a ideia de que um elétron poderia cair de uma órbita de alta energia para uma inferior, no processo de emissão de umquantum de energia discreta. Isso se tornou a base para o que agora é conhecido como a velha teoria quântica . [39]

Diagrama mostrando elétrons com órbitas circulares ao redor do núcleo rotulados n = 1, 2 e 3. Um elétron cai de 3 para 2, produzindo radiação delta E = hv
O modelo de Bohr do átomo de hidrogênio . Um elétron carregado negativamente, confinado a um orbital atômico , orbita um pequeno núcleo carregado positivamente; um salto quântico entre as órbitas é acompanhado por uma quantidade emitida ou absorvida de radiação eletromagnética .
A evolução dos modelos atômicos no século 20: Thomson , Rutherford , Bohr , Heisenberg / Schrödinger

Em 1885, Johann Balmer surgiu com sua série Balmer para descrever as linhas espectrais visíveis de um átomo de hidrogênio :

onde λ é o comprimento de onda da luz absorvida ou emitida e R H é a constante de Rydberg . [40] A fórmula de Balmer foi corroborada pela descoberta de linhas espectrais adicionais, mas por trinta anos, ninguém conseguiu explicar por que funcionou. No primeiro artigo de sua trilogia, Bohr foi capaz de derivar de seu modelo:

onde m e é a massa do elétron, e é sua carga, h é a constante de Planck e Z é o número atômico do átomo (1 para hidrogênio). [41]

O primeiro obstáculo do modelo foi a série Pickering , linhas que não se encaixavam na fórmula de Balmer. Quando questionado por Alfred Fowler , Bohr respondeu que eram causados ​​por hélio ionizado , átomos de hélio com apenas um elétron. O modelo de Bohr funcionou para esses íons. [41] Muitos físicos mais velhos, como Thomson, Rayleigh e Hendrik Lorentz , não gostaram da trilogia, mas a geração mais jovem, incluindo Rutherford, David Hilbert , Albert Einstein , Enrico Fermi , Max Born e Arnold Sommerfeld a viu como um avanço. [42] [43]A aceitação da trilogia deveu-se inteiramente à sua capacidade de explicar fenômenos que frustravam outros modelos e de prever resultados que foram subsequentemente verificados por experimentos. [44] [45] Hoje, o modelo de Bohr do átomo foi substituído, mas ainda é o modelo mais conhecido do átomo, como costuma aparecer em textos de física e química do ensino médio. [46]

Bohr não gostava de ensinar estudantes de medicina. Ele decidiu voltar para Manchester, onde Rutherford lhe ofereceu um emprego como leitor no lugar de Darwin, cujo mandato havia expirado. Bohr aceitou. Ele tirou uma licença da Universidade de Copenhague, que começou tirando férias no Tirol com seu irmão Harald e a tia Hanna Adler. Lá, ele visitou a Universidade de Göttingen e a Universidade Ludwig Maximilian de Munique, onde conheceu Sommerfeld e conduziu seminários sobre a trilogia. A Primeira Guerra Mundial estourou enquanto eles estavam no Tirol, complicando muito a viagem de volta à Dinamarca e a subsequente viagem de Bohr com Margrethe para a Inglaterra, onde ele chegou em outubro de 1914. Eles permaneceram até julho de 1916, época em que ele havia sido nomeado para o Cadeira de Física Teórica da Universidade de Copenhagen, cargo criado especialmente para ele. Sua docente foi abolida na mesma época, então ele ainda teve que ensinar física para estudantes de medicina. Novos professores foram formalmente apresentados ao Rei Christian X , que expressou sua satisfação em conhecer um jogador de futebol tão famoso. [47]

Instituto de Física

Em abril de 1917, Bohr iniciou uma campanha para estabelecer um Instituto de Física Teórica. Ele ganhou o apoio do governo dinamarquês e da Fundação Carlsberg, e contribuições consideráveis ​​também foram feitas pela indústria e doadores privados, muitos deles judeus. A legislação que institui o instituto foi aprovada em novembro de 1918. Agora conhecido como Instituto Niels Bohr , foi inaugurado em 3 de março de 1921, tendo Bohr como seu diretor. Sua família mudou-se para um apartamento no primeiro andar. [48] [49] O instituto de Bohr serviu como um ponto focal para pesquisadores em mecânica quântica e assuntos relacionados nas décadas de 1920 e 1930, quando a maioria dos físicos teóricos mais conhecidos do mundo passou algum tempo em sua empresa. As chegadas antecipadas incluíram Hans Kramersda Holanda, Oskar Klein da Suécia, George de Hevesy da Hungria, Wojciech Rubinowicz da Polônia e Svein Rosseland da Noruega. Bohr tornou-se amplamente apreciado como seu anfitrião agradável e colega eminente. [50] [51] Klein e Rosseland produziram a primeira publicação do instituto antes mesmo de sua abertura. [49]

O modelo de Bohr funcionou bem para hidrogênio e Hélio de elétron único ionizado, o que impressionou Einstein, [52] [53], mas não conseguiu explicar elementos mais complexos. Em 1919, Bohr estava se afastando da ideia de que os elétrons orbitavam o núcleo e desenvolveu heurísticas para descrevê-los. Os elementos de terras raras representavam um problema particular de classificação para os químicos, porque eram quimicamente muito semelhantes. Um desenvolvimento importante veio em 1924 com a descoberta de Wolfgang Pauli do princípio de exclusão de Pauli, que colocou os modelos de Bohr em uma base teórica sólida. Bohr foi então capaz de declarar que o elemento 72 ainda não descoberto não era um elemento de terra rara, mas um elemento com propriedades químicas semelhantes às do zircônio . (Os elementos foram previstos e descobertos desde 1871 por propriedades químicas [54] ) e Bohr foi imediatamente contestado pelo químico francês Georges Urbain , que alegou ter descoberto um elemento de terra rara 72, que ele chamou de "celtium". No Instituto em Copenhagen, Dirk Costere George de Hevesy aceitou o desafio de provar que Bohr estava certo e Urbain errado. Começar com uma ideia clara das propriedades químicas do elemento desconhecido simplificou muito o processo de pesquisa. Eles examinaram amostras do Museu de Mineralogia de Copenhague em busca de um elemento semelhante ao zircônio e logo o encontraram. O elemento, que eles chamaram de háfnium ( Hafnia é o nome latino para Copenhague), acabou sendo mais comum do que ouro. [55] [56]

Em 1922, Bohr recebeu o Prêmio Nobel de Física "por seus serviços na investigação da estrutura dos átomos e da radiação que emana deles". [57] O prêmio, portanto, reconheceu tanto a trilogia como seu primeiro trabalho de liderança no campo emergente da mecânica quântica. Para sua palestra no Nobel, Bohr deu a sua audiência um levantamento abrangente do que era então conhecido sobre a estrutura do átomo, incluindo o princípio de correspondência , que ele havia formulado. Isso afirma que o comportamento dos sistemas descritos pela teoria quântica reproduz a física clássica no limite de grandes números quânticos . [58]

A descoberta do espalhamento Compton por Arthur Holly Compton em 1923 convenceu a maioria dos físicos de que a luz era composta de fótons e que a energia e o momento eram conservados nas colisões entre elétrons e fótons. Em 1924, Bohr, Kramers e John C. Slater , um físico americano que trabalhava no Instituto em Copenhagen, propôs a teoria de Bohr-Kramers-Slater(BKS). Era mais um programa do que uma teoria física completa, já que as idéias que desenvolveu não foram trabalhadas quantitativamente. A teoria BKS tornou-se a tentativa final de compreender a interação da matéria e da radiação eletromagnética com base na velha teoria quântica, na qual os fenômenos quânticos eram tratados pela imposição de restrições quânticas em uma descrição de onda clássica do campo eletromagnético. [59] [60]

A modelagem do comportamento atômico sob radiação eletromagnética incidente usando "osciladores virtuais" nas frequências de absorção e emissão, em vez das frequências aparentes (diferentes) das órbitas de Bohr, levou Max Born, Werner Heisenberg e Kramers a explorar diferentes modelos matemáticos. Eles levaram ao desenvolvimento da mecânica matricial , a primeira forma da mecânica quântica moderna . A teoria BKS também gerou discussão e atenção renovada às dificuldades nos fundamentos da velha teoria quântica. [61] O elemento mais provocativo do BKS - aquele momento e energia não seriam necessariamente conservados em cada interação, mas apenas estatisticamente - logo se mostrou estar em conflito com experimentos conduzidos porWalther Bothe e Hans Geiger . [62] À luz destes resultados, Bohr informou Darwin que "não há mais nada a fazer do que dar aos nossos esforços revolucionários um funeral tão honroso quanto possível". [63]

Mecânica quântica

A introdução do spin por George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit em novembro de 1925 foi um marco. No mês seguinte, Bohr viajou para Leiden para participar das celebrações do 50º aniversário de Hendrick Lorentz recebendo seu doutorado. Quando seu trem parou em Hamburgo , ele foi recebido por Wolfgang Pauli e Otto Stern , que pediram sua opinião sobre a teoria do spin. Bohr apontou que ele tinha preocupações sobre a interação entre elétrons e campos magnéticos. Quando ele chegou em Leiden, Paul Ehrenfest e Albert Einstein informaram a Bohr que Einstein havia resolvido esse problema usando a relatividade. Bohr então fez com que Uhlenbeck e Goudsmit incorporassem isso em seu artigo. Assim, quando ele conheceu Werner Heisenberg e Pascual Jordan em Göttingen no caminho de volta, ele se tornou, em suas próprias palavras, "um profeta do evangelho do ímã de elétrons". [64]

Conferência Solvay de 1927 em Bruxelas, outubro de 1927. Bohr está à direita na linha do meio, ao lado de Max Born .

Heisenberg veio pela primeira vez a Copenhagen em 1924, depois retornou a Göttingen em junho de 1925, logo depois desenvolvendo os fundamentos matemáticos da mecânica quântica. Quando mostrou seus resultados a Max Born em Göttingen, Born percebeu que eles poderiam ser mais bem expressos por meio de matrizes . Este trabalho atraiu a atenção do físico britânico Paul Dirac , [65] que veio a Copenhagen por seis meses em setembro de 1926. O físico austríaco Erwin Schrödinger também o visitou em 1926. Sua tentativa de explicar a física quântica em termos clássicos usando a mecânica de ondas impressionou Bohr, que acreditava que contribuiu "tanto para a clareza matemática e simplicidade que representa um avanço gigantesco sobre todas as formas anteriores da mecânica quântica".[66]

Quando Kramers deixou o instituto em 1926 para assumir uma cadeira como professor de física teórica na Universidade de Utrecht , Bohr providenciou para que Heisenberg voltasse e tomasse o lugar de Kramers como lektor na Universidade de Copenhagen. [67] Heisenberg trabalhou em Copenhagen como professor universitário e assistente de Bohr de 1926 a 1927. [68]

Bohr se convenceu de que a luz se comportava tanto como ondas quanto como partículas e, em 1927, experimentos confirmaram a hipótese de De Broglie de que a matéria (como os elétrons) também se comportava como ondas. [69] Ele concebeu o princípio filosófico da complementaridade : que os itens poderiam ter propriedades aparentemente mutuamente exclusivas, como ser uma onda ou um fluxo de partículas, dependendo da estrutura experimental. [70] Ele sentiu que não foi totalmente compreendido pelos filósofos profissionais. [71]

Em fevereiro de 1927, Heisenberg desenvolveu a primeira versão do princípio da incerteza , apresentando-o usando um experimento mental onde um elétron foi observado através de um microscópio de raios gama . Bohr estava insatisfeito com o argumento de Heisenberg, uma vez que exigia apenas que uma medição perturbasse as propriedades já existentes, em vez da ideia mais radical de que as propriedades do elétron não poderiam ser discutidas independentemente do contexto em que foram medidas. Na Conferência Volta em Como em setembro de 1927, Bohr enfatizou que as relações de incerteza de Heisenberg poderiam ser derivadas de considerações clássicas sobre o poder de resolução dos instrumentos ópticos. [72]Compreender o verdadeiro significado da complementaridade exigiria, acreditava Bohr, uma "investigação mais detalhada". [73] Einstein preferiu o determinismo da física clássica sobre a nova física quântica probabilística para a qual ele próprio havia contribuído. Questões filosóficas que surgiram dos novos aspectos da mecânica quântica tornaram-se temas de discussão amplamente celebrados. Einstein e Bohr tiveram discussões bem-humoradas sobre essas questões ao longo de suas vidas. [74]

Em 1914, Carl Jacobsen , o herdeiro das cervejarias Carlsberg , legou sua mansão para ser usada pelo dinamarquês que havia feito a mais importante contribuição para a ciência, literatura ou artes, como residência honorária (dinamarquês: Æresbolig ). Harald Høffding fora o primeiro ocupante e, após sua morte em julho de 1931, a Real Academia Dinamarquesa de Ciências e Letras deu ocupação a Bohr. Ele e sua família se mudaram para lá em 1932. [75] Ele foi eleito presidente da Academia em 17 de março de 1939. [76]

Em 1929, o fenômeno do decaimento beta levou Bohr a sugerir novamente que a lei da conservação da energia fosse abandonada, mas o hipotético neutrino de Enrico Fermi e a subseqüente descoberta do nêutron em 1932 forneceram outra explicação. Isso levou Bohr a criar uma nova teoria do núcleo composto em 1936, que explicava como os nêutrons podiam ser capturados pelo núcleo. Nesse modelo, o núcleo pode ser deformado como uma gota de líquido. Ele trabalhou nisso com um novo colaborador, o físico dinamarquês Fritz Kalckar, que morreu repentinamente em 1938. [77] [78]

A descoberta da fissão nuclear por Otto Hahn em dezembro de 1938 (e sua explicação teórica por Lise Meitner ) gerou intenso interesse entre os físicos. Bohr trouxe a notícia para os Estados Unidos, onde abriu a Quinta Conferência de Física Teórica com Fermi em 26 de janeiro de 1939. [79] Quando Bohr disse a George Placzek que isso resolvia todos os mistérios dos elementos transurânicos , Placzek disse a ele que restava um: as energias de captura de nêutrons do urânio não correspondiam às de sua decomposição. Bohr pensou por alguns minutos e então anunciou a Placzek, Léon Rosenfeld e John Wheelerque "Eu entendi tudo." [80] Com base em seu modelo de gota líquida do núcleo, Bohr concluiu que era o isótopo urânio-235 e não o urânio-238 mais abundante o principal responsável pela fissão com nêutrons térmicos. Em abril de 1940, John R. Dunning demonstrou que Bohr estava correto. [79] Nesse ínterim, Bohr e Wheeler desenvolveram um tratamento teórico que publicaram em um artigo de setembro de 1939 sobre "The Mechanism of Nuclear Fission". [81]

Filosofia

Heisenberg disse de Bohr que ele era "principalmente um filósofo, não um físico". [82] Bohr leu o filósofo existencialista cristão dinamarquês do século 19 , Søren Kierkegaard . Richard Rhodes argumentou em The Making of the Atomic Bomb que Bohr foi influenciado por Kierkegaard através de Høffding. [83] Em 1909, Bohr enviou Stages on Life's Way de seu irmão Kierkegaardcomo um presente de aniversário. Na carta anexa, Bohr escreveu: "É a única coisa que tenho que mandar para casa; mas não acredito que seria muito fácil encontrar algo melhor ... Acho até que é uma das coisas mais deliciosas que eu já li. " Bohr gostava da linguagem e do estilo literário de Kierkegaard, mas mencionou que tinha algumas divergências com a filosofia de Kierkegaard . [84] Alguns dos biógrafos de Bohr sugeriram que esta discordância originou-se da defesa do cristianismo de Kierkegaard, enquanto Bohr era ateu . [85] [86] [87]

Tem havido alguma controvérsia sobre até que ponto Kierkegaard influenciou a filosofia e a ciência de Bohr. David Favrholdt argumentou que Kierkegaard teve influência mínima sobre o trabalho de Bohr, aceitando a declaração de Bohr sobre discordar de Kierkegaard pelo valor de face, [88] enquanto Jan Faye argumentou que se pode discordar do conteúdo de uma teoria ao aceitar suas premissas e estrutura gerais. [89] [84]

Física quântica

Bohr e Albert Einstein (imagem de 1925) tiveram um longo debate sobre as implicações metafísicas da física quântica.

Tem havido muito debate e discussão subsequentes sobre as visões de Bohr e a filosofia da mecânica quântica. [90] Em relação à sua interpretação ontológica do mundo quântico, Bohr foi visto como um anti-realista , um instrumentalista , um realista fenomenológico ou algum outro tipo de realista. Além disso, embora alguns tenham visto Bohr como sendo um subjetivista ou positivista , a maioria dos filósofos concorda que isso é um mal-entendido de Bohr, já que ele nunca defendeu o verificacionismo ou a ideia de que o assunto teve um impacto direto no resultado de uma medição. [91]

Bohr tem sido freqüentemente citado como tendo dito que não existe "nenhum mundo quântico", mas apenas uma "descrição física quântica abstrata". Isso não foi dito por Bohr, mas sim por Aage Petersen, tentando resumir a filosofia de Bohr em uma reminiscência após a morte de Bohr. N. David Mermin lembrou-se de Victor Weisskopf declarando que Bohr não teria dito nada disso e exclamando: "Que vergonha Aage Petersen por colocar aquelas palavras ridículas na boca de Bohr!" [92]

Numerosos estudiosos argumentaram que a filosofia de Immanuel Kant teve uma forte influência sobre Bohr. Como Kant, Bohr pensava que distinguir entre a experiência do sujeito e o objeto era uma condição importante para obter conhecimento. Isso só pode ser feito por meio do uso de conceitos causais e espaço-temporais para descrever a experiência do sujeito. [91] Assim, de acordo com Jan Faye, Bohr pensava que é por causa de conceitos "clássicos" como "espaço", "posição", "tempo", "causação" e "momento" que se pode falar sobre objetos e seus existência objetiva. Bohr sustentava que conceitos básicos como "tempo" são incorporados à nossa linguagem comum e que os conceitos da física clássica são meramente um refinamento deles.[91]Portanto, para Bohr, precisamos usar conceitos clássicos para descrever experimentos que lidam com o mundo quântico. Bohr escreve:

É decisivo reconhecer que, por mais que os fenômenos transcendam o escopo da explicação física clássica, o relato de todas as evidências deve ser expresso em termos clássicos. O argumento é simplesmente que pela palavra 'experimento' nos referimos a uma situação em que podemos contar a outros o que fizemos e o que aprendemos e que, portanto, a explicação do arranjo experimental e dos resultados das observações deve ser expressa em linguagem inequívoca com aplicação adequada da terminologia da física clássica ( APHK , p. 39). [91]

De acordo com Faye, existem várias explicações para porque Bohr acreditava que os conceitos clássicos eram necessários para descrever os fenômenos quânticos. Faye agrupa as explicações em cinco estruturas: empirismo (ou seja, positivismo lógico ); Kantismo (ou modelos neokantianos de epistemologia em que as idéias clássicas são conceitos a priori que a mente impõe às impressões dos sentidos); Pragmatismo (que enfoca como os seres humanos interagem experiencialmente com os sistemas atômicos de acordo com suas necessidades e interesses); Darwinianismo (ou seja, estamos adaptados para usar conceitos de tipo clássicos, que Léon Rosenfelddisse que evoluímos para usar); e Experimentalismo (que se concentra estritamente na função e no resultado dos experimentos que, portanto, devem ser descritos classicamente). [91] Essas explicações não são mutuamente exclusivas, e às vezes Bohr parece enfatizar alguns desses aspectos, enquanto em outras ocasiões ele se concentra em outros elementos. [91] De acordo com Faye, "Bohr pensava no átomo como real. Os átomos não são construções heurísticas nem lógicas." No entanto, de acordo com Faye, ele não acreditava "que o formalismo da mecânica quântica fosse verdadeiro no sentido de que nos deu uma representação literal ('pictórica') ao invés de uma representação simbólica do mundo quântico". [91] Portanto, a teoria da complementaridade de Bohr"é antes de tudo uma leitura semântica e epistemológica da mecânica quântica que carrega certas implicações ontológicas." [91] Como explica Faye, a tese da indefinibilidade de Bohr é que

as condições de verdade das sentenças que atribuem um certo valor cinemático ou dinâmico a um objeto atômico dependem do aparato envolvido, de modo que essas condições de verdade devem incluir referência à configuração experimental, bem como ao resultado real do experimento. [91]

Faye observa que a interpretação de Bohr não faz referência a um "colapso da função de onda durante as medições" (e, de fato, ele nunca mencionou essa ideia). Em vez disso, Bohr "aceitou a interpretação estatística de Born porque acreditava que a função ψ tem apenas um significado simbólico e não representa nada real". Visto que, para Bohr, a função ψ não é uma representação literal da realidade, não pode haver um colapso real da função de onda. [91]

Um ponto muito debatido na literatura recente é o que Bohr acreditava sobre os átomos e sua realidade e se eles são algo diferente do que parecem ser. Alguns, como Henry Folse, argumentam que Bohr viu uma distinção entre fenômenos observados e uma realidade transcendental . Jan Faye discorda dessa posição e sustenta que, para Bohr, o formalismo quântico e a complementaridade eram as únicas coisas que poderíamos dizer sobre o mundo quântico e que "não há mais evidências nos escritos de Bohr indicando que Bohr atribuiria um estado intrínseco e independente de medição propriedades para objetos atômicos (embora bastante ininteligíveis e inacessíveis para nós), além das clássicas que se manifestam na medição. " [91]

Nazismo e Segunda Guerra Mundial

A ascensão do nazismo na Alemanha levou muitos estudiosos a fugir de seus países, seja porque eram judeus ou porque eram oponentes políticos do regime nazista. Em 1933, a Fundação Rockefeller criou um fundo para ajudar a apoiar acadêmicos refugiados, e Bohr discutiu esse programa com o presidente da Fundação Rockefeller, Max Mason , em maio de 1933, durante uma visita aos Estados Unidos. Bohr ofereceu aos refugiados empregos temporários no instituto, forneceu-lhes apoio financeiro, providenciou para que recebessem bolsas da Fundação Rockefeller e, por fim, conseguiu vagas para eles em instituições ao redor do mundo. Aqueles que ele ajudou incluíram Guido Beck , Felix Bloch ,James Franck , George de Hevesy, Otto Frisch , Hilde Levi , Lise Meitner , George Placzek, Eugene Rabinowitch , Stefan Rozental , Erich Ernst Schneider, Edward Teller , Arthur von Hippel e Victor Weisskopf . [93]

Em abril de 1940, no início da Segunda Guerra Mundial, a Alemanha nazista invadiu e ocupou a Dinamarca . [94] Para evitar que os alemães descobrissem as medalhas de ouro do Nobel de Max von Laue e James Franck, Bohr mandou de Hevesy dissolvê-las em água régia . Dessa forma, ficaram armazenados em uma prateleira do Instituto até o pós-guerra, quando o ouro foi precipitado e as medalhas rebatidas pela Fundação Nobel. A medalha de Bohr foi doada para um leilão ao Fund for Finnish Relief, e foi leiloada em março de 1940, junto com a medalha de August Krogh . O comprador posteriormente doou as duas medalhas ao Museu Histórico Dinamarquês no Castelo de Frederiksborg , onde ainda estão guardadas.[95]

Bohr manteve o Instituto funcionando, mas todos os acadêmicos estrangeiros partiram. [96]

Encontro com Heisenberg

Um jovem de camisa branca e gravata e um homem mais velho de terno e gravata estão sentados a uma mesa, sobre a qual há um bule de chá, pratos, xícaras, pires e garrafas de cerveja.
Werner Heisenberg (à esquerda) com Bohr na Conferência de Copenhague em 1934

Bohr estava ciente da possibilidade de usar o urânio-235 para construir uma bomba atômica , referindo-se a ele em palestras na Grã-Bretanha e na Dinamarca pouco antes e depois do início da guerra, mas não acreditava que fosse tecnicamente viável extrair uma quantidade suficiente de urânio-235. [97] Em setembro de 1941, Heisenberg, que havia se tornado chefe do projeto de energia nuclear alemão , visitou Bohr em Copenhagen. Durante esta reunião, os dois homens tiveram um momento privado do lado de fora, o conteúdo do qual causou muita especulação, já que ambos deram relatos diferentes. De acordo com Heisenberg, ele começou a abordar a energia nuclear, a moralidade e a guerra, às quais Bohr parece ter reagido encerrando a conversa abruptamente, sem dar dicas a Heisenberg sobre suas próprias opiniões.[98] Ivan Supek , um dos alunos e amigos de Heisenberg, afirmou que o assunto principal da reunião era Carl Friedrich von Weizsäcker , que havia proposto tentar persuadir Bohr a mediar a paz entre a Grã-Bretanha e a Alemanha. [99]

Em 1957, Heisenberg escreveu a Robert Jungk , que estava então trabalhando no livro Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists . Heisenberg explicou que havia visitado Copenhague para comunicar a Bohr as opiniões de vários cientistas alemães, que a produção de uma arma nuclear era possível com grandes esforços e isso gerava enormes responsabilidades para os cientistas mundiais de ambos os lados. [100] Quando Bohr viu a descrição de Jungk na tradução dinamarquesa do livro, ele redigiu (mas nunca enviou) uma carta para Heisenberg, afirmando que nunca havia entendido o propósito da visita de Heisenberg e ficou chocado com a opinião de Heisenberg de que a Alemanha venceria a guerra , e que as armas atômicas podem ser decisivas. [101]

A peça de Michael Frayn em 1998, Copenhagen explora o que pode ter acontecido na reunião de 1941 entre Heisenberg e Bohr. [102] Uma versão cinematográfica da peça para a televisão BBC foi exibida pela primeira vez em 26 de setembro de 2002, com Stephen Rea como Bohr, Daniel Craig como Heisenberg e Francesca Annis como Margrethe Bohr. O mesmo encontro já havia sido dramatizado pela série de documentários científicos Horizon da BBC em 1992, com Anthony Bate como Bohr e Philip Anthony como Heisenberg. [103] A reunião também é dramatizada na minissérie norueguesa / dinamarquesa / britânica The Heavy Water War. [104]

Projeto Manhattan

Em setembro de 1943, Bohr e seu irmão Harald ficaram sabendo que os nazistas consideravam sua família judia, já que sua mãe era judia, e que, portanto, corriam o risco de serem presos. A resistência dinamarquesa ajudou Bohr e sua esposa a fugir por mar para a Suécia em 29 de setembro. [105] [106] No dia seguinte, Bohr persuadiu o rei Gustaf V da Suécia a tornar pública a vontade da Suécia de fornecer asilo aos refugiados judeus. Em 2 de outubro de 1943, a rádio sueca transmitiu que a Suécia estava pronta para oferecer asilo e resgate em massa dos judeus dinamarquesespor seus compatriotas seguido rapidamente depois disso. Alguns historiadores afirmam que as ações de Bohr levaram diretamente ao resgate em massa, enquanto outros dizem que, embora Bohr tenha feito tudo o que podia por seus conterrâneos, suas ações não foram uma influência decisiva nos eventos mais amplos. [106] [107] [108] [109] Eventualmente, mais de 7.000 judeus dinamarqueses escaparam para a Suécia. [110]

Quando a notícia da fuga de Bohr chegou à Grã-Bretanha, Lord Cherwell enviou um telegrama a Bohr pedindo-lhe que fosse à Grã-Bretanha. Bohr chegou à Escócia em 6 de outubro em um de Havilland Mosquito operado pela British Overseas Airways Corporation (BOAC). [111] [112] Os Mosquitos eram aviões bombardeiros desarmados de alta velocidade que foram convertidos para transportar cargas pequenas e valiosas ou passageiros importantes. Voando em alta velocidade e altitude, eles poderiam cruzar a Noruega ocupada pelos alemães e, ainda assim, evitar os caças alemães. Bohr, equipado com pára-quedas, traje de vôo e máscara de oxigênio, passou as três horas de vôo deitado em um colchão no compartimento de bombas da aeronave . [113]Durante o vôo, Bohr não usou seu capacete de vôo por ser muito pequeno e, conseqüentemente, não ouviu a instrução do intercomunicador do piloto para ligar seu suprimento de oxigênio quando a aeronave subiu a grandes altitudes para sobrevoar a Noruega. Ele desmaiou de fome de oxigênio e só reviveu quando a aeronave desceu para uma altitude menor sobre o Mar do Norte. [114] [115] [116] O filho de Bohr, Aage, seguiu seu pai para a Grã-Bretanha em outro voo uma semana depois e se tornou seu assistente pessoal. [117]

Bohr foi calorosamente recebido por James Chadwick e Sir John Anderson , mas por razões de segurança Bohr foi mantido fora de vista. Ele ganhou um apartamento no St James's Palace e um escritório com a equipe de desenvolvimento de armas nucleares da British Tube Alloys . Bohr ficou surpreso com a quantidade de progresso que foi feito. [117] [118] Chadwick providenciou para que Bohr visitasse os Estados Unidos como consultor de Tube Alloys, com Aage como seu assistente. [119] Em 8 de dezembro de 1943, Bohr chegou a Washington, DC , onde se encontrou com o diretor do Projeto Manhattan , Brigadeiro General Leslie R. Groves, Jr.Ele visitou Einstein e Pauli no Institute for Advanced Study em Princeton, New Jersey , e foi para Los Alamos, no Novo México , onde as armas nucleares estavam sendo projetadas. [120] Por razões de segurança, ele usou o nome de "Nicholas Baker" nos Estados Unidos, enquanto Aage se tornou "James Baker". [121] Em maio de 1944, o jornal de resistência dinamarquês De frie Danske relatou que souberam que "o famoso filho da Dinamarca, Professor Niels Bohr" em outubro do ano anterior fugiu de seu país através da Suécia para Londres e de lá viajou para Moscou, de onde ele poderia ser considerado para apoiar o esforço de guerra. [122]

Bohr não permaneceu em Los Alamos, mas fez uma série de visitas prolongadas ao longo dos dois anos seguintes. Robert Oppenheimer atribuiu a Bohr a atuação "como uma figura paterna científica para os homens mais jovens", principalmente Richard Feynman . [123] Bohr é citado como tendo dito: "Eles não precisaram da minha ajuda para fazer a bomba atômica." [124] Oppenheimer deu crédito a Bohr por uma importante contribuição para o trabalho em iniciadores de nêutrons modulados . "Esse dispositivo permaneceu um quebra-cabeça teimoso", observou Oppenheimer, "mas no início de fevereiro de 1945 Niels Bohr esclareceu o que precisava ser feito." [123]

Bohr reconheceu cedo que as armas nucleares mudariam as relações internacionais. Em abril de 1944, ele recebeu uma carta de Peter Kapitza , escrita alguns meses antes, quando Bohr estava na Suécia, convidando-o a ir para a União Soviética . A carta convenceu Bohr de que os soviéticos estavam cientes do projeto anglo-americano e se esforçariam para alcançá-lo. Ele enviou a Kapitza uma resposta não-comprometedora, que mostrou às autoridades na Grã-Bretanha antes de postar. [125] Bohr conheceu Churchill em 16 de maio de 1944, mas descobriu que "não falávamos a mesma língua". [126] Churchill discordou da ideia de abertura para com os russos a tal ponto que escreveu em uma carta: "Parece-me que Bohr deve ser confinado ou, pelo menos, levado a ver que está muito próximo dos crimes mortais." [127]

Oppenheimer sugeriu que Bohr visitasse o presidente Franklin D. Roosevelt para convencê-lo de que o Projeto Manhattan deveria ser compartilhado com os soviéticos na esperança de acelerar seus resultados. O amigo de Bohr, o juiz da Suprema Corte Felix Frankfurter , informou ao presidente Roosevelt sobre as opiniões de Bohr, e uma reunião entre eles ocorreu em 26 de agosto de 1944. Roosevelt sugeriu que Bohr retornasse ao Reino Unido para tentar obter a aprovação britânica. [128] [129]Quando Churchill e Roosevelt se encontraram no Hyde Park em 19 de setembro de 1944, eles rejeitaram a ideia de informar o mundo sobre o projeto, e o aide-mémoire de sua conversa continha um piloto que "investigações deveriam ser feitas sobre as atividades do Professor Bohr e etapas levado para garantir que ele é responsável por nenhum vazamento de informações, especialmente para os russos ". [130]

Em junho de 1950, Bohr dirigiu uma "Carta Aberta" às Nações Unidas pedindo cooperação internacional em energia nuclear. [131] [132] [133] Na década de 1950, após o primeiro teste de arma nuclear da União Soviética , a Agência Internacional de Energia Atômica foi criada de acordo com a sugestão de Bohr. [134] Em 1957 ele recebeu o primeiro prêmio Atoms for Peace . [135]

Anos depois

Brasão de Bohr, 1947. Argent , um taijitu (símbolo yin-yang) Gules e Sable . Lema: Contraria sunt complementa ("os opostos são complementares"). [136]

Com o fim da guerra, Bohr voltou a Copenhague em 25 de agosto de 1945 e foi reeleito presidente da Academia Real Dinamarquesa de Artes e Ciências em 21 de setembro. [137] Em uma reunião em memória da Academia em 17 de outubro de 1947 para o rei Cristão X , que havia morrido em abril, o novo rei, Frederico IX , anunciou que estava conferindo a Ordem do Elefante a Bohr. Este prêmio era normalmente concedido apenas à realeza e chefes de estado, mas o rei disse que homenageava não apenas Bohr pessoalmente, mas também a ciência dinamarquesa. [138] [139] Bohr desenhou seu próprio brasão, que apresentava um taijitu (símbolo de yin e yang) e um lema em latim:contraria sunt complementa , "os opostos são complementares". [140] [139]

A Segunda Guerra Mundial demonstrou que a ciência, e a física em particular, agora exigiam consideráveis ​​recursos financeiros e materiais. Para evitar uma fuga de cérebros para os Estados Unidos, doze países europeus se uniram para criar o CERN , uma organização de pesquisa nos moldes dos laboratórios nacionais dos Estados Unidos, projetada para realizar projetos de Big Science além dos recursos de qualquer um deles sozinho. Logo surgiram dúvidas sobre a melhor localização para as instalações. Bohr e Kramers sentiram que o Instituto em Copenhague seria o local ideal. Pierre Auger, que organizou as discussões preliminares, discordou; ele sentia que Bohr e seu Instituto haviam passado do seu auge e que a presença de Bohr ofuscaria os outros. Após um longo debate, Bohr prometeu seu apoio ao CERN em fevereiro de 1952, e Genebra foi escolhida como local em outubro. O Grupo de Teoria do CERN foi baseado em Copenhagen até que sua nova acomodação em Genebra estivesse pronta em 1957. [141] Victor Weisskopf, que mais tarde se tornou o Diretor Geral do CERN , resumiu o papel de Bohr, dizendo que "houve outras personalidades que começaram e conceberam a ideia do CERN . O entusiasmo e as ideias das outras pessoas não teriam bastado, no entanto, se um homem da sua estatura não os tivesse apoiado. " [142] [143]

Enquanto isso, os países escandinavos formaram o Instituto Nórdico de Física Teórica em 1957, com Bohr como seu presidente. Ele também esteve envolvido na fundação do Research Establishment Risø da Danish Atomic Energy Commission , e atuou como seu primeiro presidente desde fevereiro de 1956. [144]

Bohr morreu de insuficiência cardíaca em sua casa em Carlsberg em 18 de novembro de 1962. [145] Ele foi cremado, e suas cinzas foram enterradas no terreno da família no Cemitério de Assistens na seção de Nørrebro de Copenhagen, junto com as de seus pais, seus irmão Harald e seu filho Christian. Anos depois, as cinzas de sua esposa também foram enterradas lá. [146] Em 7 de outubro de 1965, no que seria seu 80º aniversário, o Instituto de Física Teórica da Universidade de Copenhague foi oficialmente renomeado para o que foi chamado não oficialmente por muitos anos: Instituto Niels Bohr. [147] [148]

Elogios

Bohr recebeu inúmeras homenagens e elogios. Além do Prêmio Nobel, ele recebeu a Medalha Hughes em 1921, a Medalha Matteucci em 1923, a Medalha Franklin em 1926, [149] a Medalha Copley em 1938, a Ordem do Elefante em 1947, o Prêmio Átomos pela Paz em 1957 e o Prêmio Sonning em 1961. Ele se tornou membro estrangeiro da Real Academia de Artes e Ciências da Holanda em 1923, [150] e da Royal Society em 1926. [151] O semicentenário da modelo de Bohr foi comemorado na Dinamarca em 21 de novembro de 1963 com um selo postal representando Bohr, o átomo de hidrogênio e a fórmula para a diferença de quaisquer dois níveis de energia de hidrogênio: . Vários outros países também emitiram selos postais retratando Bohr. [152] Em 1997, o Banco Nacional Dinamarquês começou a circular a nota de 500 coroas com o retrato de Bohr fumando cachimbo. [153] [154] Em 7 de outubro de 2012, em comemoração ao 127º aniversário de Niels Bohr, um Google Doodle representando o modelo Bohr do átomo de hidrogênio apareceu na página inicial do Google. [155] Um asteróide, 3948 Bohr , foi nomeado em sua homenagem, [156] assim como a cratera lunar de Bohr e o bohrium , o elemento químico com número atômico 107. [157]

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Referências

Leitura adicional

links externos