Un experto es una persona que ha cometido todos los errores que se pueden cometer en un campo muy estrecho.
Niels Henrik David Bohr fue un físico danés que hizo contribuciones fundamentales a la comprensión de la estructura atómica y la teoría cuántica, por lo cual recibió el Premio Nobel de Física en 1922. Bohr también fue filósofo y promotor de la investigación científica.
Bohr desarrolló el modelo de Bohr del átomo, en el que propuso que los niveles de energía de los electrones son discretos y que los electrones giran en órbitas estables alrededor del núcleo atómico pero pueden saltar de un nivel de energía u órbita a otro. Aunque el modelo de Bohr ha sido reemplazado por otros modelos, sus principios subyacentes siguen siendo válidos. Concibió el principio de complementariedad: que los elementos podrían analizarse por separado en términos de propiedades contradictorias, como comportarse como una onda o un flujo de partículas. La noción de complementariedad dominó el pensamiento de Bohr tanto en ciencia como en filosofía.
Bohr fundó el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Copenhague, ahora conocido como el Instituto Niels Bohr, que se inauguró en 1920. Bohr fue mentor y colaboró con físicos como Hans Kramers, Oskar Klein, George de Hevesy y Werner Heisenberg. Predijo la existencia de un nuevo elemento parecido al circonio, que fue nombrado hafnio, según el nombre latino de Copenhague, donde fue descubierto. Posteriormente, el elemento bohrio fue nombrado en su honor.
Durante los años treinta, Bohr ayudó a los refugiados del nazismo. Después de que Dinamarca fue ocupada por los alemanes, tuvo una famosa reunión con Heisenberg, quien se había convertido en el jefe del proyecto de armas nucleares alemán. En septiembre de 1943, Bohr se enteró de que estaba a punto de ser arrestado por los alemanes, y huyó a Suecia. Desde allí, fue trasladado en avión a Gran Bretaña, donde se unió al proyecto de armas nucleares British Tube Alloys, y fue parte de la misión británica al Proyecto Manhattan. Después de la guerra, Bohr pidió la cooperación internacional en energía nuclear. Participó en el establecimiento del CERN y del Centro de Investigación Risø de la Comisión de Energía Atómica Danesa y se convirtió en el primer presidente del Instituto Nórdico de Física Teórica en 1957.
Primeros años
Bohr nació en Copenhague, Dinamarca, el 7 de octubre de 1885, el segundo de tres hijos de Christian Bohr, profesor de fisiología en la Universidad de Copenhague, y Ellen Bohr de soltera Adler, que era la hija de David B. Adler de la adinerada familia bancaria judía danesa Adler. Tenía una hermana mayor, Jenny, y un hermano menor, Harald. Jenny se convirtió en maestra, mientras que Harald se convirtió en matemático y futbolista que jugó para el equipo nacional danés en los Juegos Olímpicos de Verano de 1908 en Londres. Niels también era un apasionado futbolista, y los dos hermanos jugaron varios partidos para el Akademisk Boldklub Academic Football Club, con sede en Copenhague, siendo Niels portero.
Bohr fue educado en la Escuela Latina de Gammelholm, a partir de los siete años. En 1903, Bohr se inscribió como estudiante de pregrado en la Universidad de Copenhague. Su especialidad fue la física, que estudió bajo el Profesor Christian Christiansen, el único profesor de física de la universidad en ese momento. También estudió astronomía y matemáticas bajo el Profesor Thorvald Thiele, y filosofía bajo el Profesor Harald Høffding, amigo de su padre.
En 1905, la Real Academia Danesa de Ciencias y Letras patrocinó una competencia de medalla de oro para investigar un método para medir la tensión superficial de líquidos que había sido propuesto por Lord Rayleigh en 1879. Esto implicaba medir la frecuencia de oscilación del radio de un chorro de agua. Bohr realizó una serie de experimentos utilizando el laboratorio de su padre en la universidad; la universidad misma no tenía laboratorio de física. Para completar sus experimentos, tuvo que hacer su propio vidrio de laboratorio, creando tubos de ensayo con las secciones transversales elípticas requeridas. Fue más allá de la tarea original, incorporando mejoras tanto en la teoría de Rayleigh como en su método, teniendo en cuenta la viscosidad del agua, y trabajando con amplitudes finitas en lugar de solo infinitesimales. Su ensayo, que presentó en el último momento, ganó el premio. Posteriormente presentó una versión mejorada del documento a la Royal Society en Londres para su publicación en Philosophical Transactions of the Royal Society.
de los dos hermanos Bohr en obtener una maestría, que obtuvo en matemáticas en abril de 1909. Niels tardó otros nueve meses en obtener la suya sobre la teoría del electrón en metales, un tema asignado por su supervisor, Christiansen. Bohr posteriormente elaboró su tesis de maestría en su mucho más grande tesis de Doctor en Filosofía dr. phil. Revisó la literatura sobre el tema, decidiendo por un modelo postulado por Paul Drude y elaborado por Hendrik Lorentz, en el cual se consideraba que los electrones en un metal se comportan como un gas. Bohr extendió el modelo de Lorentz, pero aún no pudo dar cuenta de fenómenos como el efecto Hall, y concluyó que la teoría del electrón no podía explicar completamente las propiedades magnéticas de los metales. La tesis fue aceptada en abril de 1911, y Bohr realizó su defensa formal el 13 de mayo. Harald había recibido su doctorado el año anterior. La tesis de Bohr fue innovadora, pero atrajo poco interés fuera de Escandinavia porque fue escrita en danés, un requisito de la Universidad de Copenhague en ese momento. En 1921, la física holandesa Hendrika Johanna van Leeuwen derivaría independientemente un teorema de la tesis de Bohr que hoy se conoce como el teorema de Bohr-van Leeuwen.
En 1910, Bohr conoció a Margrethe Nørlund, la hermana del matemático Niels Erik Nørlund. Bohr renunció a su membresía en la Iglesia de Dinamarca el 16 de abril de 1912, y él y Margrethe se casaron en una ceremonia civil en el ayuntamiento de Slagelse el 1 de agosto. Años después, su hermano Harald de manera similar dejó la iglesia antes de casarse. Bohr y Margrethe tuvieron seis hijos. El mayor, Christian, murió en un accidente de bote en 1934, y otro, Harald, murió de meningitis en la infancia. Aage Bohr se convirtió en un físico exitoso, y en 1975 fue galardonado con el Premio Nobel de Física, como su padre. Hans, ingeniero químico; y Ernest, abogado. Como su tío Harald, Ernest Bohr se convirtió en atleta olímpico, jugando hockey sobre césped para Dinamarca en los Juegos Olímpicos de Verano de 1948 en Londres.
Física
Modelo de Bohr
En septiembre de 1911, Bohr, apoyado por una beca de la Fundación Carlsberg, viajó a Inglaterra. En ese momento, era donde se realizaba la mayoría del trabajo teórico sobre la estructura de átomos y moléculas. Se reunió con J. J. Thomson del Cavendish Laboratory y Trinity College, Cambridge. Asistió a conferencias sobre electromagnetismo impartidas por James Jeans y Joseph Larmor, e hizo algunas investigaciones sobre rayos catódicos, pero no logró impresionar a Thomson. Tuvo más éxito con físicos más jóvenes como el australiano William Lawrence Bragg, y el neozelandés Ernest Rutherford, cuyo modelo de Rutherford del átomo de núcleo pequeño central de 1911 había desafiado el modelo de pudín con ciruelas de Thomson de 1904. Bohr recibió una invitación de Rutherford para realizar trabajo postdoctoral en la Victoria University of Manchester, donde Bohr conoció a George de Hevesy y Charles Galton Darwin a quien Bohr se refería como "el nieto del verdadero Darwin".
Bohr regresó a Dinamarca en julio de 1912 para su boda, y viajó por Inglaterra y Escocia en su luna de miel. A su regreso, se convirtió en privatdocent en la Universidad de Copenhague, dando conferencias sobre termodinámica. Martin Knudsen propuso el nombre de Bohr para un docente, que fue aprobado en julio de 1913, y Bohr luego comenzó a enseñar a estudiantes de medicina. Sus tres artículos, que posteriormente se hicieron famosos como "la trilogía", fueron publicados en Philosophical Magazine en julio, septiembre y noviembre de ese año. Adaptó la estructura nuclear de Rutherford a la teoría cuántica de Max Planck y así creó su modelo de Bohr del átomo.
Los modelos planetarios de átomos no eran nuevos, pero el tratamiento de Bohr sí lo era. Tomando como punto de partida el artículo de Darwin de 1912 sobre el papel de los electrones en la interacción de partículas alfa con un núcleo, avanzó la teoría de que los electrones viajan en órbitas alrededor del núcleo del átomo, siendo las propiedades químicas de cada elemento determinadas en gran medida por el número de electrones en las órbitas externas de sus átomos. Introdujo la idea de que un electrón podría caer de una órbita de mayor energía a una de menor energía, en el proceso emitiendo un cuanto de energía discreta. Esto se convirtió en la base de lo que ahora se conoce como la vieja teoría cuántica.
En 1885, Johann Balmer había ideado su serie de Balmer para describir las líneas espectrales visibles de un átomo de hidrógeno:
donde λ es la longitud de onda de la luz absorbida o emitida y RH es la constante de Rydberg. La fórmula de Balmer fue corroborada por el descubrimiento de líneas espectrales adicionales, pero durante treinta años, nadie podía explicar por qué funcionaba. En el primer artículo de su trilogía, Bohr pudo derivarlo de su modelo:
donde me es la masa del electrón, e es su carga, h es la constante de Planck y Z es el número atómico del átomo, 1 para el hidrógeno.
El primer obstáculo del modelo fue la serie de Pickering, líneas que no se ajustaban a la fórmula de Balmer. Cuando fue desafiado sobre esto por Alfred Fowler, Bohr respondió que eran causadas por helio ionizado, átomos de helio con solo un electrón. El modelo de Bohr resultó funcionar para tales iones. Muchos físicos más antiguos, como Thomson, Rayleigh y Hendrik Lorentz, no les gustó la trilogía, pero la generación más joven, incluyendo a Rutherford, David Hilbert, Albert Einstein, Enrico Fermi, Max Born y Arnold Sommerfeld, la vieron como un avance. La aceptación de la trilogía se debió enteramente a su capacidad para explicar fenómenos que obstaculizaron otros modelos, y para predecir resultados que fueron posteriormente verificados por experimentos. Hoy en día, el modelo de Bohr del átomo ha sido superado, pero sigue siendo el modelo de átomo más conocido, ya que a menudo aparece en textos de física y química de secundaria.
Bohr no disfrutaba enseñando a estudiantes de medicina. Decidió regresar a Manchester, donde Rutherford le había ofrecido un trabajo como lector en lugar de Darwin, cuyo período había expirado. Bohr aceptó. Se tomó una licencia de la Universidad de Copenhague, que comenzó tomando unas vacaciones en Tirol con su hermano Harald y su tía Hanna Adler. Allí, visitó la Universidad de Göttingen y la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich, donde conoció a Sommerfeld e hizo seminarios sobre la trilogía. La Primera Guerra Mundial estalló mientras estaban en Tirol, complicando enormemente el viaje de regreso a Dinamarca y el posterior viaje de Bohr con Margrethe a Inglaterra, donde llegó en octubre de 1914. Se quedaron hasta julio de 1916, momento en el cual había sido nombrado para la Cátedra de Física Teórica en la Universidad de Copenhague, una posición creada especialmente para él. Su docencia fue abolida al mismo tiempo, por lo que aún tenía que enseñar física a estudiantes de medicina. Los nuevos profesores fueron presentados formalmente al Rey Christian X, quien expresó su delicia al conocer a un jugador de fútbol tan famoso.
Instituto de Física
En abril de 1917 Bohr comenzó una campaña para establecer un Instituto de Física Teórica. Obtuvo el apoyo del gobierno danés y la Fundación Carlsberg, y también se hicieron contribuciones considerables de la industria y donantes privados, muchos de ellos judíos. La legislación que establece el instituto fue aprobada en noviembre de 1918. Ahora conocido como el Instituto Niels Bohr, se inauguró el 3 de marzo de 1921, con Bohr como su director. Su familia se mudó a un apartamento en el primer piso. El instituto de Bohr sirvió como punto focal para investigadores de la mecánica cuántica y temas relacionados en los años veinte y treinta, cuando la mayoría de los físicos teóricos más conocidos del mundo pasó algún tiempo en su compañía. Los primeros llegados incluyeron a Hans Kramers de los Países Bajos, Oskar Klein de Suecia, George de Hevesy de Hungría, Wojciech Rubinowicz de Polonia y Svein Rosseland de Noruega. Bohr fue ampliamente apreciado como su anfitrión amable y colega eminente. Klein y Rosseland produjeron la primera publicación del instituto incluso antes de que se abriera.
El modelo de Bohr funcionaba bien para el hidrógeno, pero no podía explicar elementos más complejos. Para 1919, Bohr se estaba alejando de la idea de que los electrones orbitaban el núcleo y desarrolló heurísticas para describirlos. Los elementos de tierras raras planteaban un problema de clasificación particular para los químicos, porque eran tan químicamente similares. Un desarrollo importante llegó en 1924 con el descubrimiento del Principio de Exclusión de Pauli por Wolfgang Pauli, que puso los modelos de Bohr sobre una base teórica firme. Bohr pudo entonces declarar que el elemento 72 aún no descubierto no era un elemento de tierras raras, sino un elemento con propiedades químicas similares a las del circonio. Fue inmediatamente desafiado por el químico francés Georges Urbain, quien afirmó haber descubierto un elemento de tierras raras 72, al que llamó
