غيّر نيلز بور نظرتنا إلى الذرة والعالم تمامًا. أدرك أن الفيزياء الكلاسيكية تفشل بشكل كارثي عندما تكون الأشياء بحجم الذرة أو أصغر. وأعاد تشكيل الذرة بحيث تشغل الإلكترونات مدارات “مسموح بها” حول النواة بينما كانت جميع المدارات الأخرى ممنوعة. وبذلك أسس ميكانيكا الكم.

لاحقًا عمل كمهندس رائد في تفسير كوبنهاجن لميكانيكا الكم ، ساعد في إعادة تشكيل فهمنا لكيفية عمل الطبيعة على النطاق الذري.

بدايات نيلز بور

ولد نيلز هنريك ديفيد بور في 7 أكتوبر 1885 في العاصمة الدنماركية كوبنهاغن. كان هو الثاني من بين ثلاثة أطفال في عائلة مزدهرة من الطبقة العليا.

كان والده كريستيان بور، أستاذ فسيولوجي لامع تم ترشيحه لاحقًا مرتين لجائزة نوبل. كانت والدته إيلين أدلر، ابنة سياسي دنماركي ثري.

نشأ والده في عائلة لوثرية ووالدته في عائلة يهودية. تم تعميد نيلز كلوثري في سن السادسة لإرضاء إحدى جداته. لم يمارس والده ولا والدته ديانتهم.

كان والدا نيلز متحمسين بشدة لتعليم أطفالهم. درس نيلز في المنزل حتى بدأ الدراسة الرسمية في سن السابعة في مدرسة قواعد Gammelholm. كانت المدرسة مدرسة ابتدائية وثانوية. كان لديها نظام صارم وتوقع من طلابها العمل بجد.

أحضر والده إلى المنزل مجموعة متنوعة من الأساتذة من جامعة كوبنهاغن وسمح لأطفال بور بالاستماع إلى المحادثات التي كانت واسعة النطاق ومناقشة العلوم والفلسفة والفنون.

القوة البدنية والفكرية لنيلز

كان نيلز بور جيدًا في معظم المواد الدراسية، لكنه كان ضعيفًا في لغته الأم، الدنماركية. بينما كان يحب الكلام كان يكره كتابة المقالات. موهوبًا بطبيعته في الرياضيات، أصبح ينجذب بشكل متزايد إلى العلوم.

اهتم نيلز بالفيزياء بشكل خاص وبحلول الوقت الذي كان فيه مراهقًا كان يصحح الأخطاء في الكتب المدرسية في مدرسته. بالإضافة إلى نشاطه الفكري، كان قويًا جسديًا بشكل غير عادي. لم يصحح فقط الكتب المدرسية. كما أنه “يصحح” الطلاب الآخرين ويدخل في شجار في المدرسة. وهو ما كان يفوز به عادةً.

على الرغم من أنه سيصبح في النهاية أحد أعظم علماء الفيزياء النظرية في العالم، إلا أنه كان موهوبًا عمليًا بيديه. أمضى هو وشقيقه الأصغر ساعات في صنع الأشياء في ورشة والدهم.

مساهمات نيلز بور في العلوم

وضع طريقة جديدة للتفكير في الذرات

حصل نيلز بور على محاضرة عمل عند عودته إلى جامعة كوبنهاغن. في غضون ذلك، ركز بحثه في الفيزياء النظرية على فهم مكان الإلكترون في الذرة.

وكشف عمل رذرفورد أن الذرات مكونة من نواة صغيرة كثيفة الشحنة موجبة الشحنة. كانت الغالبية العظمى من حجم الذرة عبارة عن مساحة فارغة يتم التحكم فيها بطريقة ما بواسطة إلكترونات سالبة الشحنة.

عرف بوهر أن صورة رذرفورد للذرة تختلف مع قوانين الفيزياء الكلاسيكية. قالوا إن الإلكترونات سالبة الشحنة يجب أن تشع طاقة ويتم سحبها إلى النواة الموجبة الشحنة. حتى عندما كتب الدكتوراه. في أطروحة، ذكر بور أنه من المستحيل للفيزياء الكلاسيكية أن تشرح السلوك على المستوى الذري.

الآن يبحث في فيزياء الكم الجديدة لماكس بلانك وألبرت أينشتاين لإيجاد حل للسلوك المستحيل ظاهريًا للإلكترونات. في الواقع ، بدأ مسيرته في هذا المضمار في مانشستر عام 1912.

أثبتت فيزياء الكم أنه عندما يشع جسم ما حرارة أو موجات ضوئية، فإن الانبعاث لا يأتي في دفق مستمر، بل في حزم متميزة من طاقة الأمواج.

أطلق أينشتاين على هذه الحزم المتميزة فوتونات . مثل كل الموجات، الفوتونات لها سرعة وتردد وطول موجي.

استنتج بلانك أن كمية الطاقة التي يحملها الفوتون يمكن إيجادها بضرب عددين فقط. كان هذا هو تردد الضوء ورقم نسميه الآن ثابت بلانك. قالت معادلته E = hf ، حيث E هي الطاقة ، h هو ثابت بلانك ، و f هو التردد.

بغض النظر عن مدى صعوبة عمل بور، وبغض النظر عن مقدار الأدبيات التي قرأها، وبغض النظر عن مقدار مناقشة المشكلة مع زملائه. لم يستطع إيجاد طريقة لإدخال نظرية الكم – بمعنى آخر، الحالات المسموح بها والحالات الممنوعة في سلوك الإلكترون في الذرة.

ثم ، في فبراير 1913 ، جاء الاختراق. سمع عن سلسلة Balmer و Balmer Formula.

اكتشاف الصيغة الرياضية

في عام 1885، اكتشف عالم الرياضيات السويسري يوهان بالمر صيغة رياضية تنبأت بالأطوال الموجية وبالتالي الألوان للضوء المنبعث من الهيدروجين الساخن. لم يكن هناك أساس نظري للصيغة.

اقترح نيلز بور أن العلاقة E = hf تكمن في صميم تفسير سلوك الإلكترونات. تمامًا كما جاءت الطاقة الضوئية في حزم مميزة من الطاقة، كذلك فعلت الإلكترونات. تم السماح فقط بقيم معينة من طاقة الإلكترون، ويمكن حسابها للهيدروجين باستخدام صيغة Balmer.

في صيغة Balmer ، استبدل بور صيغة بلانك وبعض الأرقام المهمة الأخرى بما في ذلك كتلة الإلكترون وشحنته.

كانت النتيجة الرياضية،  عبارة عن ذرة يمكن تصويرها على أنها نظام شمسي صغير. تمامًا كما تدور الكواكب حول الشمس، تدور الإلكترونات حول النواة الذرية في مدارات ثابتة. كلما ابتعد الإلكترون عن النواة، زادت طاقته. على عكس الكواكب، يمكن أن يشترك أكثر من إلكترون في مدار حول النواة.

القي نيلز بور ضوءًا جديدًا على مشكلة قديمة

قدم نموذج نيلز بور الجديد للذرة تفسير لكيفية امتصاص المادة للضوء وإصداره.

قال نيلز بور إن الإلكترونات مقيدة بمدارات دائرية معينة، لكن يمكنها القفز من مدار طاقة أقل إلى مدار طاقة أعلى عن طريق امتصاص الضوء. يمكنهم أيضًا القيام بالعكس والسقوط من مدار طاقة أعلى إلى مدار طاقة أقل عن طريق إصدار الضوء.

يسقط الإلكترون من مدار طاقة أعلى إلى مدار طاقة أقل. يتم إطلاق الطاقة كفوتون ضوئي. الفرق في الطاقة بين المدارات هو نفسه طاقة الفوتون، والتي يمكن حسابها باستخدام معادلة بلانك ، E = hf.

في الفيزياء الكلاسيكية، يمكن أن تمتلك الإلكترونات أي طاقة. في فيزياء الكم الجديدة. اقتصرت الإلكترونات على مدارات محددة للطاقة الثابتة. تم حظر طاقات الإلكترون الأخرى.

عندما يمتص الإلكترون الطاقة، فإنه يقوم بقفزة كمية ويختفي من مدار واحد ويظهر في مدار أعلى عبر منطقة طاقة محظورة. عندما فقد الإلكترون طاقته، اختفى من مدار طاقة أعلى وظهر في مدار طاقة أقل تفصله منطقة محظورة.

أوضحت نظرية الكم لماذا لا تشع الإلكترونات طاقتها بعيدًا عند سقوطها في النواة، لأن هذه العملية ممنوعة: النواة ليست مدار طاقة مسموحًا به للإلكترون.

أوضحت نظرية الكم أيضًا أن أطياف الذرات حيث أظهرت أن الألوان الشديدة في الأطياف مرتبطة بطاقات مدارات الإلكترون في الذرات.

تأسيس كيمياء الكم

أظهر نيلز بور أن الخصائص الكيميائية للعناصر ناتجة بشكل أساسي عن سلوك الإلكترونات التي تحتل أعلى مدار مستقر وتسمى هذه بإلكترونات التكافؤ. من خلال القيام بذلك شرح الكثير من بنية الجدول الدوري وأسس نظامًا علميًا جديدًا كيمياء الكم.

ويدفع نيلز بور فهمنا للذرة إلى الأمام من خلال قفزة نوعية

في عام 1912، لم يكن العديد من العلماء قد اعتنقوا نموذج رذرفورد. في عام 1913 جمع بور الرياضيات مع حدسه الجسدي القوي ليثبت أن الإلكترونات تدور حول النواة في مسارات محددة. لا يزال نموذج رذرفورد-بوهر للذرة يُدرس في المدارس الثانوية.

فتح بوهر الذرة على نظرية الكم: لقد كان جسمًا يغير حالته بخطوات وليس بسلاسة.

ومع ذلك، فإن نظريته تعمل بشكل جيد فقط مع الذرات التي تحتوي على إلكترون واحد بمعنى آخر الهيدروجين أو الهيليوم المتأين. ومع ذلك كانت خطوة بور هي الخطوة الحاسمة.

سرعان ما كان العالم الكمي عميقًا في أعماق علماء الفيزياء المجتهدين الذين يستكشفون بفارغ الصبر أركانه وأركانه الغريبة.

وفي العشرينيات من القرن الماضي ، قدم فيرنر هايزنبرغ وإروين شرودنغر رؤية كمومية محسّنة كثيرًا لمكان الإلكترون في الذرة.

تعرف على المزيد من المعلومات من خلال هذا الرابط.