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Niels Henrik David Bohr는 원자 구조와 양자 이론을 이해하는 데 근본적인 기여를 한 덴마크 물리학자로, 1922년 노벨 물리학상을 수상했습니다. Bohr는 또한 철학자이자 과학 연구의 촉진자였습니다.
Bohr는 원자의 Bohr 모델을 개발했으며, 여기서 그는 전자의 에너지 수준이 이산적이며 전자들이 원자핵 주위의 안정적인 궤도에서 회전하지만 한 에너지 수준이나 궤도에서 다른 곳으로 점프할 수 있다고 제안했습니다. Bohr 모델이 다른 모델로 대체되었지만, 그 기본 원리는 여전히 유효합니다. 그는 보완성의 원리를 고안했습니다. 즉, 항목들이 파동처럼 행동하거나 입자의 흐름처럼 행동하는 등 상반된 성질의 측면에서 별도로 분석될 수 있다는 것입니다. 보완성의 개념은 Bohr의 과학과 철학 양쪽의 사고를 지배했습니다.
Bohr는 1920년에 개관한 Copenhagen 대학교 이론 물리학 연구소(현재는 Niels Bohr 연구소로 알려짐)를 설립했습니다. Bohr는 Hans Kramers, Oskar Klein, George de Hevesy, Werner Heisenberg를 포함한 물리학자들을 멘토링하고 협력했습니다. 그는 새로운 지르코늄 같은 원소의 존재를 예측했으며, 이는 Copenhagen의 라틴 이름인 hafnium으로 명명되었고, 그곳에서 발견되었습니다. 나중에 bohrium이라는 원소는 그의 이름을 따서 명명되었습니다.
1930년대 동안 Bohr는 나치즘의 난민들을 도왔습니다. 덴마크가 독일군에 점령된 후, 그는 독일 핵무기 프로젝트의 책임자가 된 Heisenberg와 유명한 만남을 가졌습니다. 1943년 9월 Bohr가 독일군에 체포될 것이라는 소식이 전해졌고, 그는 스웨덴으로 도망쳤습니다. 거기서 그는 영국으로 날려갔고, British Tube Alloys 핵무기 프로젝트에 참여했으며, Manhattan Project에 대한 영국 특사단의 일부가 되었습니다. 전쟁 후, Bohr는 핵에너지에 대한 국제 협력을 촉구했습니다. 그는 CERN과 덴마크 원자력 위원회의 Research Establishment Risø 설립에 참여했으며 1957년 북유럽 이론 물리학 연구소의 첫 번째 의장이 되었습니다.
초기 시절
Bohr는 1885년 10월 7일 덴마크 Copenhagen에서 태어났으며, Copenhagen 대학교 생리학 교수인 Christian Bohr와 부유한 덴마크 유대인 Adler 은행 가문의 David B. Adler의 딸인 Ellen Bohr(구 Adler)의 세 자녀 중 둘째였습니다. 그는 맏누나 Jenny와 막내 형 Harald가 있었습니다. Jenny는 교사가 되었고, Harald는 1908년 런던 Summer Olympics에서 덴마크 국가대표팀을 위해 뛴 수학자이자 축구 선수가 되었습니다. Niels도 열정적인 축구 선수였으며, 두 형제는 Niels가 골키퍼로 활동한 Copenhagen 기반 Akademisk Boldklub 아카데믹 풋볼 클럽을 위해 여러 경기를 했습니다.
Bohr는 일곱 살 때 시작하여 Gammelholm Latin School에서 교육을 받았습니다. 1903년에 Bohr는 Copenhagen University에 학부 학생으로 등록했습니다. 그의 전공은 물리학이었으며, 당시 대학의 유일한 물리학 교수인 Professor Christian Christiansen 아래에서 공부했습니다. 그는 또한 Professor Thorvald Thiele 아래에서 천문학과 수학을, Professor Harald Høffding(그의 아버지의 친구)에게 철학을 공부했습니다.
1905년 Royal Danish Academy of Sciences and Letters가 1879년 Lord Rayleigh가 제안한 액체의 표면 장력을 측정하는 방법을 조사하기 위한 금메달 경쟁을 후원했습니다. 이것은 물 제트의 반지름의 진동 주파수를 측정하는 것을 포함했습니다. Bohr는 대학의 아버지의 실험실을 사용하여 일련의 실험을 수행했습니다. 대학 자체는 물리학 실험실이 없었습니다. 실험을 완료하기 위해 그는 자신의 유리 도구를 직접 만들어야 했고, 필요한 타원형 단면을 가진 시험관을 만들었습니다. 그는 원래의 작업을 넘어서, 물의 점성을 고려하고 무한소 진폭뿐만 아니라 유한 진폭으로 작업함으로써 Rayleigh의 이론과 그의 방법 모두에 개선 사항을 통합했습니다. 마지막 순간에 제출한 그의 에세이가 상을 받았습니다. 나중에 그는 Royal Society in London에 개선된 논문 버전을 Philosophical Transactions of the Royal Society에 게시하도록 제출했습니다.
석사 학위를 취득한 두 Bohr 형제 중 한 명으로, 1909년 4월 수학으로 석사 학위를 취득했습니다. Niels는 그의 감독자인 Christiansen이 할당한 금속의 전자 이론에 관한 석사 논문을 위해 추가로 9개월을 들였습니다. Bohr는 이후 그의 석사 논문을 훨씬 더 큰 철학 박사(dr. phil.) 논문으로 발전시켰습니다. 그는 이 주제에 대한 문헌을 조사했고, Paul Drude가 가정하고 Hendrik Lorentz가 정교하게 다룬 모델에 정착했으며, 여기서 금속의 전자는 가스처럼 행동하는 것으로 간주됩니다. Bohr는 Lorentz의 모델을 확장했지만 여전히 Hall 효과와 같은 현상을 설명할 수 없었으며, 전자 이론이 금속의 자기 특성을 완전히 설명할 수 없다고 결론지었습니다. 논문은 1911년 4월에 수용되었고, Bohr는 5월 13일에 공식 방어를 수행했습니다. Harald는 전년도에 박사 학위를 받았습니다. Bohr의 논문은 획기적이었지만 당시 Copenhagen University의 요구 사항이었던 덴마크어로 작성되었기 때문에 스칸디나비아 외부에서 거의 관심을 끌지 못했습니다. 1921년 네덜란드 물리학자 Hendrika Johanna van Leeuwen은 Bohr의 논문에서 독립적으로 정리를 유도했으며, 이는 오늘날 Bohr–van Leeuwen 정리로 알려져 있습니다.
1910년에 Bohr는 수학자 Niels Erik Nørlund의 여동생인 Margrethe Nørlund를 만났습니다. Bohr는 1912년 4월 16일 덴마크 국교회의 회원 자격을 사임했으며, 그와 Margrethe는 8월 1일 Slagelse의 시청에서 민간 결혼식을 올렸습니다. 수년 후, 그의 형 Harald도 결혼 전에 교회를 떠났습니다. Bohr와 Margrethe는 여섯 명의 아들을 낳았습니다. 맏아들인 Christian은 1934년 보트 사고로 사망했고, 또 다른 아들인 Harald는 소아 수막염으로 사망했습니다. Aage Bohr는 성공적인 물리학자가 되었으며, 1975년 그의 아버지처럼 노벨 물리학상을 수상했습니다. Hans 는 화학 공학자이고 Ernest는 변호사입니다. 그의 삼촌 Harald처럼, Ernest Bohr는 1948년 런던 Summer Olympics에서 덴마크를 위해 필드 하키를 경기한 올림픽 선수가 되었습니다.
물리학
Bohr 모델
1911년 9월에 Carlsberg Foundation의 펠로우십을 받은 Bohr는 영국으로 여행했습니다. 당시 그곳은 원자와 분자의 구조에 관한 대부분의 이론적 작업이 이루어지고 있던 곳이었습니다. 그는 Cavendish Laboratory이자 Trinity College, Cambridge의 J. J. Thomson을 만났습니다. 그는 James Jeans와 Joseph Larmor가 제공한 전자기학 강의에 참석했고, 음극선에 대한 일부 연구를 수행했지만 Thomson을 감동시키지 못했습니다. 그는 호주의 William Lawrence Bragg 및 뉴질랜드의 Ernest Rutherford와 같은 젊은 물리학자들과 더 많은 성공을 거두었으며, 그의 1911년 작은 중앙핵 Rutherford 원자 모델은 Thomson의 1904년 plum pudding 모델에 도전했습니다. Bohr는 Rutherford로부터 Victoria University of Manchester에서 박사 후 연구를 수행하도록 초대받았고, 그곳에서 Bohr는 George de Hevesy 및 Charles Galton Darwin을 만났으며, Bohr는 그를 "진정한 Darwin의 손자"라고 언급했습니다.
Bohr는 1912년 7월에 결혼식을 위해 덴마크로 돌아왔고, 신혼여행 중에 영국과 스코틀랜드를 여행했습니다. 귀국 후, 그는 Copenhagen University의 privatdocent가 되었으며, 열역학 강의를 했습니다. Martin Knudsen은 Bohr의 이름을 강사 후보로 제시했고, 1913년 7월에 승인되었으며, Bohr는 의과 대학생들을 가르치기 시작했습니다. 나중에 "삼부작"으로 유명해진 그의 세 논문은 그 해 7월, 9월, 11월에 Philosophical Magazine에 출판되었습니다. 그는 Rutherford의 핵 구조를 Max Planck의 양자 이론에 적응시켜 원자의 Bohr 모델을 만들었습니다.
원자의 행성 모델은 새로운 것이 아니었지만, Bohr의 처리는 그러했습니다. 1912년 알파 입자와 핵의 상호 작용에서 전자의 역할에 관한 Darwin의 논문을 출발점으로 삼아, 그는 원자핵 주위의 궤도에서 여행하는 전자의 이론을 발전시켰으며, 각 원소의 화학적 성질은 주로 원자의 외부 궤도의 전자 수로 결정된다고 주장했습니다. 그는 전자가 더 높은 에너지 궤도에서 더 낮은 궤도로 떨어질 수 있다는 아이디어를 도입했고, 이 과정에서 이산 에너지의 양자를 방출했습니다. 이것은 오래된 양자 이론이라고 불리는 것의 기초가 되었습니다.
1885년에 Johann Balmer는 수소 원자의 가시 분광선을 설명하기 위해 Balmer 계열을 고안했습니다:
여기서 λ는 흡수되거나 방출된 빛의 파장이고 RH는 Rydberg 상수입니다. Balmer의 공식은 추가 분광선의 발견으로 확증되었지만, 30년 동안 아무도 그것이 왜 작동했는지 설명할 수 없었습니다. Bohr는 삼부작의 첫 번째 논문에서 그의 모델에서 그것을 유도할 수 있었습니다:
여기서 me는 전자의 질량, e는 그의 전하, h는 Planck의 상수, Z는 수소에 대해 1인 원자의 원자 번호입니다.
모델의 첫 번째 장애물은 Balmer의 공식에 맞지 않는 선인 Pickering 계열이었습니다. Alfred Fowler에 의해 이에 대해 질문을 받았을 때, Bohr는 그것들이 이온화된 헬륨, 단 하나의 전자만 있는 헬륨 원자로 인해 발생했다고 답했습니다. Bohr 모델은 그러한 이온에 대해 작동하는 것으로 발견되었습니다. Thomson, Rayleigh, Hendrik Lorentz와 같은 많은 나이 많은 물리학자들은 삼부작을 좋아하지 않았지만, Rutherford, David Hilbert, Albert Einstein, Enrico Fermi, Max Born, Arnold Sommerfeld를 포함한 젊은 세대는 그것을 돌파구로 보았습니다. 삼부작의 수용은 전적으로 다른 모델을 당황하게 한 현상을 설명하고 이후 실험으로 확증된 결과를 예측하는 능력 때문이었습니다. 오늘날, 원자의 Bohr 모델은 대체되었지만, 고등학교 물리학과 화학 교과서에 자주 나타나기 때문에 여전히 가장 잘 알려진 원자 모델입니다.'
Bohr는 의과 대학생 가르치기를 즐기지 않았습니다. 그는 Manchester로 돌아가기로 결정했고, Rutherford는 Darwin의 재직 기간이 만료된 대신 독자로서의 직책을 제안했습니다. Bohr는 수락했습니다. 그는 Copenhagen University에서 휴직을 받았으며, 그는 형 Harald와 이모 Hanna Adler와 함께 Tyrol에서 휴가를 가지며 시작했습니다. 거기서 그는 University of Göttingen과 Ludwig Maximilian University of Munich을 방문했으며, 거기서 Sommerfeld를 만났고 삼부작에 관한 세미나를 진행했습니다. 제1차 세계 대전은 그들이 Tyrol에 있는 동안 발발했으며, 덴마크로의 귀로와 Bohr의 이후 Margrethe와의 영국 항해를 크게 복잡하게 했으며, 그는 1914년 10월에 도착했습니다. 그들은 1916년 7월까지 머물렀고, 그 때쯤 그는 Copenhagen University의 이론 물리학 의장으로 임명되었으며, 이는 그를 위해 특별히 만들어진 직책이었습니다. 그의 강사직은 동시에 폐지되어, 그는 여전히 의과 대학생들에게 물리학을 가르쳐야 했습니다. 새로운 교수들은 공식적으로 King Christian X에게 소개되었으며, 그는 그러한 유명한 축구 선수를 만난 것에 대한 기쁨을 표현했습니다.
물리학 연구소
1917년 4월에 Bohr는 이론 물리학 연구소를 설립하기 위한 캠페인을 시작했습니다. 그는 덴마크 정부와 Carlsberg Foundation의 지지를 얻었으며, 상당한 기여는 또한 산업체와 개인 기증자들, 그 중 많은 사람이 유대인이었습니다. 연구소를 설립하는 법안은 1918년 11월에 통과되었습니다. 현재 Niels Bohr 연구소로 알려진 이곳은 1921년 3월 3일에 Bohr를 그 디렉터로 하여 개관했습니다. 그의 가족은 1층 아파트로 이사했습니다. Bohr의 연구소는 1920년대와 1930년대에 양자 역학 및 관련 주제에 대한 연구의 초점이 되었으며, 세계에서 가장 잘 알려진 대부분의 이론 물리학자들이 그의 회사에서 시간을 보냈습니다. 초기 도착자에는 네덜란드의 Hans Kramers, 스웨덴의 Oskar Klein, 헝가리의
