Annons
X
Annons
X

Bengt E Y Svensson: Bohr lade pussel med atomerna

(uppdaterad)

Denna månad är det 100 år sedan danske Niels Bohr publicerade sitt epokgörande arbete om hur atomer bär sig åt när de sänder ut och tar emot ljus. Hans modell är fortfarande ett användbart verktyg för att förstå atomen.

Niels Bohr
Niels Bohr Foto: ALAIN RICHARD

När man skriver 1900-talets historia är det ett ord man måste betona starkare än alla andra, starkare än politikernamn som Hitler eller Stalin, starkare än artistnamn som Chaplin eller The Beatles, starkare än namn på idrottsstjärnor som Carl Lewis eller Paavo Nurmi. Ordet är
atom. Atomen genomsyrar fullståndigt vår världsbild, från vår vardag till de mest avancerade fysikexperimenten. Hela vår förståelse för hur världen är uppbyggd utgår från atombegreppet: all materia är uppbyggd av atomer. Och en mängd praktiska tillämpningar, som radikalt påverkar vår vardagsvärld, utgår från förståelsen av atomen. Dagens datorer och mobiltelefoner, för att ta några exempel, vore otänkbara utan att de som konstruerar dem känner till hur atomer fungerar.

Atomen firar i dagarna ett viktigt 100-årsjubileum. Det var i juli 1913 som den unge danske fysikern Niels Bohr publicerade sitt epokgörande arbete om hur atomerna ser ut och hur de bär sig åt när de sänder ut och tar emot ljus. Detta jubileum firas i år av fysiker världen över. Och det förtjänar verkligen att uppmärksammas också utanför fysikernas trängre krets.

Stäng

KULTURCHEFENS NYHETSBREV – veckans viktigaste kulturtexter direkt i mejlkorgen

    Anmäl dig här kundservice.svd.se

    Själva ordet
    atom kommer från grekiskan, med grundbetydelsen ’odelbar’. Men även om några av de gamla grekerna tänkte sig att det fanns små odelbara enheter, atomer, så uppstod det moderna atombegreppet först långt senare. Det var kring sekelskiftet 1700–1800 som kemister insåg att kemiska reaktioner mellan olika ämnen skulle kunna förklaras om dessa ämnen inte reagerade i klump utan om det fanns smådelar, atomer, som i lämpliga kombinationer stod för de kemiska förloppen. Att just en del syre reagerade med just två delar väte för att ge en del vatten skulle kunna få en enkel förklaring om en grundläggande enhet syre, en syreatom, förenar sig med två väteatomer till att ge en, som vi idag säger, vattenmolekyl. Som många andra omvälvande idéer möttes denna den kemiska atomen naturligtvis med stor skepsis. Kunde man verkligen tro på sådana teorier när man inte ens skulle ha en chans, trodde man, att i någon mening ”se” smådelarna?

    Annons
    X

    Fysikerna var rätt oberörda av denna diskussion. Några av dem kom i stället att intressera sig för ett delvis annat atombegrepp. Hur, frågade de sig, skulle man kunna förklara sambandet mellan tryck, temperatur och volym för en gas i en behållare? Jo, svarade de mest kreativa bland dem, låt oss anta att gasen består av små enheter, små ”kulor”, som är i ständig rörelse – ett mått på temperaturen – och som ständigt krockar med varandra och med gasbehållarens väggar – det blir ett mått på trycket. Dessa små ”kulor” blev fysikernas atomer. Det viktiga var att precis de samband som man sedan tidigare kände väl till följer naturligt ur antagandet att det finns detta slags atomer. Trots dessa framgångar vägrade de flesta att tro på idén att det verkligen skulle finnas atomer.

    Från mitten av 1800-talet började också en tredje pusselbit i atomens historia långsamt ta form. När man undersökte ljuset som sänds ut från ett grundämne – ämnet måste vara i gasform för att fenomenet skall uppträda riktigt bra – finner man att det bara skickar ut ljus av bestämda färger, speciella för just det grundämne man undersökte och olika för varje grundämne. Schweizaren Balmer och svensken Janne Rydberg kunde till och med, var för sig, ställa upp formler för vilka färger som kom från vilket grundämne. Men hade detta något med atomerna att göra? Få svarade ja på den frågan.

    Vi har nu nått början av 1900-talet. Förvirringen är stor. Om det nu över huvud taget finns några atomer så verkar de vara av åtminstone tre olika slag: kemisternas atomer, fysikernas gasatomer och så de ljusutsändande atomerna. Men för de flesta var atombegreppet något som bara fanns i vissa forskares föreställningsvärld, inte i den verkliga världen.

    Då träder Albert Einstein in på scenen. Vid sidan av flera andra epokgörande upptäcker under sitt mirakulösa år 1905 räknar han ut hur man, faktiskt i nästan bokstavlig bemärkelse, kan ”se” atomer. Nu var det fråga om atomerna i en lämplig vätska, i vilken man lagt små hartskulor som man kan följa i ett mikroskop. Vätskans atomer stöter oupphörligt mot dessa små kulor så att de kommer att röra sig i sicksack men i medeltal på ett förutsägbart sätt som, säger Einstein, borde kunna iakttas i mikroskopet. När Einsteins teori bekräftas av observationerna några år senare faller också (nästan) alla forskare till föga: jo, det finns nog i varje fall någon sorts atomer. Men frågorna hur de ser ut, och hur de tre olika slagen hör ihop, förblev olösta.

    Inte för att det saknades förslag. Ett kommer från en av 1900-talets främsta experimentalfysiker, Ernest Rutherford. Experiment som han och hans medarbetare utförde kring 1910 kan bara tolkas, menar Rutherford, som om atomen är ett solsystem i miniatyr med en centralkropp, en elektriskt positivt laddad atomkärna, som är omgiven av negativt laddade elektroner – i sig upptäckta bara halvtannat decennium tidigare – i banor runt kärnan. Men det fanns en hake: en sådan atommodell stred mot andra då kända naturlagar. Laddade elektroner i banor runt atomkärnan skulle sända ut ljus, vilket leder till att de förlorar energi och då bromsas upp. De skulle därför snart falla in mot atomkärna. De kan med andra ord inte röra sig i stabila banor kring atomkärnan, så någon förklaring till varför atomerna finns till (nästan) för evigt kunde Rutherfords planetmodell inte erbjuda.

    Här kommer nu Niels Bohr in med sina teorier från 1913. Han hade rätt nyligen blivit doktor vid Köpenhamns universitet på en avhandling kring andra fenomen som heller inte kunde förklaras med de då accepterade naturlagarna. Han söker sig till Rutherford i Manchester, som post-doc skulle vi säga i dag, och börjar fundera på vad som fordras för att få dennes atommodell att fungera.

    Tillbaka i Köpenhamn faller allt på plats för honom. Idéerna kommer naturligtvis successivt, men närmast en uppenbarelse är det när han får klart för sig Balmers och Rydbergs formler för ljusutsändningen. Han bygger sitt resonemang på de teorier om hur ljus i vissa sammanhang måste uppfattas som om det består av små ljuspaket, kallade ljuskvanta eller (senare) fotoner. Den föreställningen hade förts in av den tyske fysikern Max Planck och på allvar lanserats av Einstein under hans mirakulösa år.

    Bohr tar en serie drastiska steg. Han säger helt sonika att elektronerna i Rutherfords atommodell bara kan röra sig i vissa bestämda, kvantiserade banor kring atomkärnan, bestämda bland annat av villkor liknande dem som Planck och Einstein ställt upp för ljuset. En av dessa banor är, föreskriver Bohr, alltid stabil; det är den som ligger närmast atomkärnan. Vidare, säger han, kan en elektron hoppa från en bana till en annan längre ut när atomen träffar ljus av precis rätt färg. Vilken färg det är bestäms helt och hållet av skillnaden i energierna för de två banorna. Och ljus av precis samma färg sänds ut när en elektron hoppar från en yttre bana till en inre.

    Det låter ju inte riktigt klokt att helt sätta åt sidan sådana invanda föreställningar som att partiklar, elektroner, kan röra sig i vilka banor som helst. Och hur kan de på något okänt vis hoppa mellan dessa banor? Finessen med Bohrs antaganden, som alltså har formen av (provisoriska) naturlagar, är förstås att han nu fullständigt kan förklara Balmers och Rydbergs formler för ljusutsändning. Han kan till och med gå vidare och förklara hur hans atomer också kan beskriva den kemiska atomen. Det är här storheten i hans upptäckt ligger och det som är värt att fira med årets hundraårsjubileum. I ett huj har han fått fysikernas och kemisternas atomer att bli en enda, Bohr-Rutherfords atom. Naturligtvis, det måste tilläggas, accepterades Bohrs föreslag inte genast av alla, men Einstein lär ha sagt: ”Det är en av de största upptäckterna. Bohrs teori måste vara korrekt.”

    För egen del var Bohr intensivt medveten om att hans förslag till (provisoriska) naturlagar var just det: provisoriska. För alla fysiker i branschen, inklusive Bohr själv, blev det nu att arbeta vidare för att ännu bättre förstå elektronernas dans runt atomkärnan i en atom. Resultatet kom efter ytterligare ett drygt decennium och skulle bli det som kallas kvantmekaniken. Den innebär ännu större avsteg från tidigare naturlagar än Bohrs provisoriska och gäller inte bara elektroner i atomer utan över huvud taget allt som sker på atomär och subatomär nivå. Och när jag säger allt så menar jag allt. Kvantmekaniken har bestått alla prövningar. Inga experiment eller teorier har kunnat vederlägga den. Dagens förståelse för materiens innersta struktur i form av kvarkar och leptoner bygger på denna kvantmekanik. Förutsägelsen och den nu så uppmärksammade upptäckten av Higgspartikeln är den senaste kronan på det verket.

    Problemet med kvantmekaniken, om det nu är ett problem, är att den ställer många av våra vanliga föreställningar om hur naturen uppför sig på huvudet. Visserligen gäller fortfarande dessa tidigare föreställningar för det mesta i vår vardagsvärld, där det är fråga om att beskriva många atomer i klump. Men kvantmekaniken är nödvändig när vi skall beskriva enskilda eller några få atomer, elektroner eller andra atomdelar.

    Inte minst Bohr själv brottades intensivt med frågan om att försöka förstå kvantmekanikens egenheter. Är en elektron en partikel eller en våg? Bohr menar att den kan vara än det ena än det andra, beroende på hur man mäter den. Och hur kan det vara att kvantmekaniken inte beskriver elektronerna som att de rör sig i banor runt atomkärnan, på sin höjd att det finns ett moln av sannolikhet, vad det nu betyder, för var man kan finna en elektron? Här har inte ens Bohr något gott svar. Han menar att man nog får acceptera att naturen på atomär nivå måste beskrivas så. För, säger han bland annat, vi är fast i det språk vi använder för att beskriva vår normala omgivning, och detta språk är inte alltid lämpat för att beskriva vad som sker bland atomer.

    Kvantmekaniken är alltså en enormt framgångsrik teori. Den förklarar alla hittills kända fenomen kring atomerna och dess delar. Men åskådligheten har förlorats: vi kan inte göra oss helt korrekta bilder av de atomära förloppen. Trots detta så står sig än i dag den Bohr-Rutherfordska atommodellen som ett användbart verktyg för att förstå atomer, att användas med urskillning när det gäller detaljer men som ett gott stöd för tänkandet kring atomernas förunderliga värld. Bohrs ande svävar i hög grad också över dagens fysik.

    Bengt E Y Svensson
    Professor em i teoretisk fysik vid Lunds universitet.

    Annons
    Annons
    X

    Niels Bohr

    Foto: ALAIN RICHARD Bild 1 av 1
    Annons
    X
    Annons
    X