MacTutor

Biografie

Niels Bohr’s vader was Christian Bohr en zijn moeder was Ellen Adler. Christian Bohr promoveerde in 1880 tot doctor in de fysiologie aan de Universiteit van Kopenhagen en in 1881 werd hij Privatdozent aan de universiteit. Eind van datzelfde jaar trouwde hij met Ellen, de dochter van David Adler, een joodse politicus met een hoge positie in het Deense politieke en commerciële leven. Christian en Ellen kregen drie kinderen. De oudste was Jenny, geboren in 1883 in het landhuis dat David Adler had bezeten tegenover het kasteel Christiansborg, waar het Deense parlement zetelde. Ellens moeder was in dit huis blijven wonen nadat haar man David Adler in 1878 was overleden en Ellen was teruggegaan naar het huis van haar moeder om haar kind te krijgen. Twee jaar later werd Niels op de 25e verjaardag van zijn moeder in hetzelfde statige huis geboren, waarbij Ellen opnieuw naar haar moeders huis was teruggekeerd voor de geboorte van haar kind. Het derde kind van het gezin, dat een beroemd wiskundige zou worden, was Harald Bohr, die twee jaar jonger was dan Niels.
Toen Niels nog maar een paar maanden oud was, was zijn vader Christian aangesteld als docent om een post in te vullen die was vrijgekomen door het overlijden van Peter Panum, de hoogleraar in de fysiologie aan de Universiteit van Kopenhagen, en korte tijd later verhuisde het gezin naar het professoraatshuis van de Panum’s in Kopenhagen.
Kennedy schrijft in :-

Niels, Harald, en hun oudere zus, Jenny, groeiden op in een gecultiveerd en stimulerend gezin. Van jongs af aan werden zij blootgesteld aan een wereld van ideeën en discussie, van tegenstrijdige meningen die rationeel en goedgehumeurd werden onderzocht, en zij ontwikkelden een respect voor allen die streven naar diepere kennis en begrip.

In oktober 1891 ging Niels naar de Grammelholms school. Hij bezocht deze school, net als zijn broer Harald, voor zijn volledige middelbare schoolopleiding en behaalde in 1903 zijn Studenterexamen. Hij deed het goed op school zonder ooit briljant te zijn, meestal werd hij derde of vierde in een klas van ongeveer 20 leerlingen. Als hij echt uitblonk in een vak was het, misschien verrassend, lichamelijke opvoeding. Hij was een uitstekende voetballer, maar niet zo goed als zijn broer Harald, die een zilveren medaille won met voetballen voor Denemarken. Niels maakte een aantal goede vrienden, terwijl op school, maar zijn beste vriend in heel zijn leven was zijn broer Harald.
Tijdens zijn laatste twee jaar op school Niels gespecialiseerd in wiskunde en natuurkunde. Er zijn zeker aanwijzingen dat hij al snel besefte dat de wiskundeleraar niet zo’n goed inzicht in het onderwerp had als hij had moeten hebben, en dat hij enigszins bang werd voor zijn uitzonderlijke leerling Bohr. Ook in de natuurkunde bestudeerde Bohr teksten voor de klas en vond er fouten in. Het was zijn vader, meer dan zijn leraren op school, die hem inspireerde in zijn studies van de wiskunde en natuurkunde. Hij schreef in 1922:-

Mijn belangstelling voor de studie van de natuurkunde werd gewekt toen ik nog op school zat, grotendeels dankzij de invloed van mijn vader.

Bohr studeerde aan de Universiteit van Kopenhagen waar hij in 1903 begon. Hij studeerde natuurkunde als hoofdvak, maar nam wiskunde, astronomie en scheikunde als bijvakken. Hij kreeg les in natuurkunde van Christian Christiansen en in filosofie van Harald Hoffding. Hij kende beiden al vele jaren omdat zij goed bevriend waren met zijn vader en elkaar hadden ontmoet in het kader van een regelmatige discussiegroep, waaraan de beide broers Niels en Harald Bohr deelnamen zodra zij oud genoeg waren om een bijdrage te leveren. Bohr werd aan de universiteit onderwezen in wiskunde door Thorvald Thiele.
Op de universiteit kon Bohr geen natuurkundige experimenten uitvoeren omdat er geen natuurkundig laboratorium was. Zijn vader had echter een fysiologisch laboratorium en zijn eerste artikel beschrijft experimenteel werk in de natuurkunde dat hij in dat laboratorium uitvoerde. Hij dicteerde het werk aan zijn broer Harald. Een medestudent schreef over Niels en Harald:-

De twee zijn onafscheidelijk. Ik heb nog nooit mensen gekend die zo hecht zijn als zij.

Dit artikel is het enige dat Bohr schreef waarin hij experimenten beschreef die hij had uitgevoerd. Hij won er de Gouden Medaille voor 1906 mee van de Koninklijke Deense Academie van Wetenschappen voor zijn analyse van trillingen van waterstralen als middel om oppervlaktespanning te bepalen. In 1909 behaalde hij zijn doctorstitel aan de Universiteit van Kopenhagen en in mei 1911 zijn doctorstitel voor een proefschrift getiteld “Studies over de elektronentheorie van metalen”. Het was een proefschrift gebaseerd op de klassieke fysica en als zodanig noodzakelijkerwijs niet in staat om bepaalde effecten te verklaren. Bohr schreef in dit werk:-

Het lijkt in het huidige stadium van de ontwikkeling van de elektronentheorie niet mogelijk om de magnetische eigenschappen van lichamen uit deze theorie te verklaren.

Bohr droeg zijn proefschrift op aan de nagedachtenis van zijn vader die een paar maanden eerder in februari 1911 aan een hartaanval was overleden. Tegen die tijd was Bohr verloofd met Margrethe Norlund. Het paar trouwde op 1 augustus 1912 en Richard Courant, die na Bohr’s dood over hun huwelijk sprak, zei het volgende:-

Sommige mensen hebben gespeculeerd over de gelukkige omstandigheden die samen Niels zo succesvol maakten. Ik denk dat de ingrediënten van zijn leven in geen geval toeval waren, maar diep geworteld in de structuur van zijn persoonlijkheid … Het was geen geluk, eerder een diep inzicht, dat hem ertoe bracht in zijn jonge jaren zijn vrouw te vinden, die, zoals wij allen weten, zo’n beslissende rol heeft gespeeld in het mogelijk en harmonieus maken van zijn hele wetenschappelijke en persoonlijke activiteit.

Bohr vroeg in mei 1911 een reisbeurs aan bij de Carlsberg Stichting en ging, nadat de toekenning had plaatsgevonden, in september 1911 naar Engeland om te studeren bij Sir J J Thomson in Cambridge. Hij was van plan zijn hele studieperiode in Cambridge door te brengen, maar hij kon niet goed opschieten met Thomson, dus na een ontmoeting met Ernest Rutherford in Cambridge in december 1911, verhuisde Bohr in maart 1912 naar de Victoria University, Manchester (nu de Universiteit van Manchester). De timing was zeer gunstig, omdat kort voordat Bohr en Rutherford elkaar ontmoetten, Rutherford een belangrijk werk had gepubliceerd waaruit bleek dat het grootste deel van de massa van een atoom zich in de kern bevond.
In Manchester werkte Bohr met Rutherfords groep aan de structuur van het atoom. Rutherford werd Bohr’s rolmodel, zowel voor zijn persoonlijke als wetenschappelijke kwaliteiten. Gebruikmakend van quantum-ideeën van Planck en Einstein, vermoedde Bohr dat een atoom alleen kon bestaan in een discrete set van stabiele energietoestanden. Opmerkelijk bewijs van Bohrs wetenschappelijke vooruitgang is dat hij regelmatig correspondeerde met zijn broer Harald. Hij schreef aan Harald op 12 juni 1912:-

Je kunt je voorstellen dat het fijn is om hier te zijn, waar zoveel mensen zijn om mee te praten… en dit met hen die het meest van deze dingen weten; en professor Rutherford heeft zo’n levendige belangstelling voor alles waar volgens hem iets in zit. In de laatste jaren heeft hij een theorie uitgewerkt over de structuur van atomen, die heel wat meer gefundeerd schijnt te zijn dan alles wat tot nu toe heeft bestaan.

Een week na het schrijven van deze brief, op 19 juni, meldde Bohr de vorderingen aan Harald:-

Misschien ben ik iets te weten gekomen over de structuur van atomen. Praat er met niemand over, want anders kon ik je er niet zo snel over schrijven. … Je begrijpt dat ik het nog mis kan hebben; want het is nog niet helemaal uitgewerkt (maar ik denk niet dat het mis is). … Geloof me, ik wil het graag snel afmaken, en om dat te doen heb ik een paar dagen vrij genomen van het laboratorium (dit is ook een geheim).

Op 13 juli schreef hij:-

De zaken gaan vrij goed, want ik geloof dat ik een paar dingen heb ontdekt; maar, om zeker te zijn, ik ben niet zo snel geweest om ze uit te werken als ik dom was te denken. Ik hoop een klein papiertje klaar te hebben en het aan Rutherford te laten zien voor ik vertrek, en daarom heb ik het zo druk, zo druk.

Hoewel Rutherford en Bohr totaal verschillende persoonlijkheden hadden, deelden zij een enorm enthousiasme voor de natuurkunde en mochten zij elkaar ook persoonlijk. De relatie was echter nooit die van hechte vrienden, omdat Bohr Rutherford altijd als zijn leraar zag. Zij correspondeerden vanaf het moment dat zij elkaar ontmoetten in 1911 tot 1937, het jaar van Rutherford’s dood.

Op 24 juli 1912, met zijn verhandeling nog onvoltooid, verliet Bohr Rutherford’s groep in Manchester en keerde terug naar Kopenhagen om zijn nieuwe theorie van het atoom verder te ontwikkelen, en voltooide het werk in 1913. In 1913 voltooide hij zijn werk. In datzelfde jaar publiceerde hij drie artikelen die van fundamenteel belang waren voor de theorie van de atoomstructuur. Het eerste artikel ging over het waterstofatoom, de twee volgende over de structuur van atomen zwaarder dan waterstof. In deze verhandelingen :-

… zette Bohr zijn opzienbarende poging uiteen om aspecten van de klassieke fysica te combineren met het concept van Planck’s quantum van actie. … De drie beroemde artikelen … vormden de basis van Bohr’s vroege reputatie. Zijn werk, hoewel niet onmiddellijk door iedereen aanvaard, intrigeerde zijn tijdgenoten en maakte hen bewust van de noodzaak van een nieuwe manier om gebeurtenissen op atomair niveau te beschrijven. Het Bohr-atoom, hoewel het wetenschappelijk achterhaald is, blijft ook nu nog in de gedachten van veel mensen voortleven als een levendig beeld van hoe atomen eruit zien en een symbool van de fysica.

In juli 1913 werd Bohr aangesteld als docent in Kopenhagen. Het was echter geen situatie die hem beviel, omdat hij de stijl van mathematische fysica die hij aan het ontwikkelen was, niet kon voortzetten. Op 10 maart 1914 schreef hij aan het Departement van Onderwijs:-

Ondergetekende neemt de vrijheid het departement te verzoeken een hoogleraarschap in de theoretische natuurkunde aan de universiteit in te stellen en mij die positie eventueel toe te vertrouwen.

Het was een gewaagde zet, maar Bohr’s toch al hoge reputatie betekende dat hij serieus genomen zou worden. De Faculteit van de Universiteit beval hem aan voor een leerstoel in de theoretische natuurkunde, maar het Departement van Onderwijszaken besloot de bevestiging van de post uit te stellen. In 1914 waren de tijden natuurlijk onzeker en Bohr besefte dat een snelle beslissing niet waarschijnlijk was. Hij was dan ook verheugd een aanbod van Rutherford te aanvaarden om zich bij diens groep in Manchester aan te sluiten als Schuster Reader. Hij verwachtte een jaar in Manchester te blijven, in de verwachting dat zijn leerstoel voor theoretische fysica in Kopenhagen tegen die tijd zou zijn bevestigd. Het uitbreken van de Eerste Wereldoorlog, terwijl hij op vakantie was in Tirol alvorens naar Manchester te reizen, maakte zijn reis uiterst moeilijk, maar hij en zijn vrouw kwamen in oktober 1914 in Manchester aan, nadat ze onderweg door zware stormen om het noorden van Schotland waren gevaren.

Bohr was langer in Manchester dan hij verwachtte, omdat zijn leerstoel pas in april 1916 werd bevestigd. Het was echter een zeer productieve en gelukkige periode. Pais schrijft in :-

In de vroege zomer van 1916 keerden de Bohrs terug naar Denemarken. Vier jaar eerder had Bohr Manchester verlaten vol met opwindende maar onverteerde ideeën over het atoom. Nu vertrok hij als meester op dat gebied, als hoogleraar in Kopenhagen, met zijn vrouw die in verwachting was van hun eerste kind aan zijn zijde.

In 1917 werd Bohr gekozen tot lid van de Koninklijke Deense Academie van Wetenschappen en hij begon plannen te maken voor een Instituut voor Theoretische Natuurkunde in Kopenhagen. Dit werd voor hem opgericht en vanaf de opening in 1921 werd hij er directeur, een functie die hij de rest van zijn leven heeft uitgeoefend :-

Dit Instituut werd al snel een mekka voor theoretische natuurkundigen uit de hele wereld, en na 1933 een toevluchtsoord voor een groot aantal wetenschappers die gevlucht waren voor Hitler-Duitsland. Hun sociale centrum was het herenhuis “Gamle Carlsberg”, aan de natie geschonken door de stichter van de bekende brouwerij en ter beschikking gesteld van Niels Bohr in 1932. Hier, onder de moederlijke hoede van Bohrs mooie vrouw Margrethe … kwamen studenten en geleerden uit alle landen bijeen om te eten en te praten en naar muziek te luisteren, en vaak om letterlijk aan de voeten van Bohr te zitten en te proberen zijn uitdagende opmerkingen, subtiele opmerkingen en zachte grappen, uitgesproken met zijn zachte Deense stem, op te vangen.

Bohr is het meest bekend om zijn onderzoek naar de atoomstructuur waarnaar hierboven wordt verwezen en ook om zijn werk op het gebied van straling, waarvoor hij in 1922 de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg. Op 11 december 1922 gaf hij in Stockholm een lezing over het werk waarvoor hij de prijs had gekregen. Hij sprak over de stabiliteit van atomen en de elektrodynamische theorie en gaf een uiteenzetting over de oorsprong van de kwantumtheorie, het waterstofspectrum, waarbij hij de relaties tussen de elementen uitlegde. Zijn uiteenzetting betrof de absorptie en excitatie van spectraallijnen en het correspondentieprincipe dat hij tussen 1918 en 1922 in drie verhandelingen over de kwantumtheorie van spectra had uiteengezet.
In 1923 vatte Bohr de ideeën samen:-

Niettegenstaande de fundamentele afwijking van de ideeën van de klassieke theorieën van mechanica en elektrodynamica die met deze postulaten gepaard gaan, is het mogelijk gebleken een verband te traceren tussen de door het atoom uitgezonden straling en de beweging van de deeltjes, dat een verregaande analogie vertoont met dat wat door de klassieke ideeën over de oorsprong van straling wordt beweerd.

Men kan zeggen dat de kwantummechanica in 1925 haar intrede deed en dat Heisenberg twee jaar later zijn onzekerheidsprincipe verklaarde. Tijdens een bijeenkomst in Como in Noord-Italië in september 1927 stelde Bohr zijn complementariteitsbeginsel voor, dat een natuurkundige interpretatie gaf van Heisenbergs onzekerheidsrelaties. Hij stelde complementariteit van waarnemingen en beelden, deeltje-golf, geconjugeerde variabelen, kwantumevolutie – klassieke metingen enz. voor als een fundamenteel nieuwe interpretatie van de grondslagen van de kwantumtheorie. Bohr’s ideeën over complementariteit worden volledig uitgediept in .
Bohr dacht dat zijn idee van complementariteit een belangrijke rol zou kunnen spelen op andere gebieden dan de kwantumfysica en hij werkte gedurende de rest van zijn leven aan deze ideeën. Hij overwoog toepassingen in de biologie, de psychologie en de epistemologie. Er is gesuggereerd dat het idee van complementariteit van buiten de fysica kwam, waarbij sommigen aanvoeren dat de wortels van het idee uit de discussies met zijn vader, Christiansen en de filosoof Hoffding kwamen toen hij nog op school zat. Anderen, zoals Pais in , geven overtuigende argumenten om aan te tonen dat Bohr niet bewust beïnvloed was door de filosofie van Hoffding.
Het was Bohr’s visie op de kwantumtheorie die uiteindelijk geaccepteerd zou worden. Einstein uitte ernstige twijfels over Bohr’s interpretatie en Bohr, Einstein en Ehrenfest brachten vele uren in diepe discussie door, maar Bohr’s opvatting kreeg de overhand. Bohr verwoordde deze opvatting als volgt:-

Op grond van verschillende experimentele omstandigheden verkregen bewijzen kunnen niet binnen een enkel beeld worden begrepen, maar moeten als complementair worden beschouwd in die zin dat alleen de totaliteit van de verschijnselen de mogelijke informatie over de objecten uitput.

H B G Casimir schreef over hoe het was om met Bohr in zijn Instituut te werken:-

Zelfs Bohr die zich intenser concentreerde en meer uithoudingsvermogen had dan wie ook van ons, zocht ontspanning in kruiswoordpuzzels, in sport, en in schertsende discussies.

Bohrs andere belangrijke bijdragen, naast de kwantumtheorie, zijn onder meer zijn theoretische beschrijving van het periodiek systeem der elementen rond 1920, zijn theorie dat de atoomkern een samengestelde structuur is in 1936, en zijn begrip van uraniumsplijting in termen van de isotoop 235 in 1939.
In 1937 maakten Bohr, zijn vrouw en hun zoon Hans, een wereldreis. Ze reisden naar de Verenigde Staten, Japan, China en de USSR. In hetzelfde jaar woonde hij de begrafenis van Rutherford bij in de Westminster Abbey in Londen, waar hij een ontroerende toespraak hield:-

Toen ik voor het eerst het voorrecht had onder zijn persoonlijke bezieling te werken, was hij reeds een natuurkundige van de grootste faam, maar niettemin stond hij toen, en bleef hij altijd, open om te luisteren naar wat een jongeman in zijn hoofd had. … De gedachte aan hem zal voor ons altijd een onschatbare bron van aanmoediging en standvastigheid zijn.

Bohr was weliswaar in de christelijke kerk gedoopt, maar van moederszijde van joodse afkomst, en toen de nazi’s in 1940 Denemarken bezetten, werd zijn leven dan ook buitengewoon moeilijk. Hij moest in 1943 ontsnappen door per vissersboot naar Zweden te worden gebracht. Van daaruit werd hij naar Engeland gevlogen waar hij begon te werken aan het project om een kernsplijtingsbom te maken. Na een paar maanden ging hij met het Britse onderzoeksteam naar Los Alamos in de Verenigde Staten waar ze verder werkten aan het project.
Bohr was echter zeer bezorgd over de controle op kernwapens en vanaf 1944 probeerde hij Churchill en Roosevelt te overtuigen van de noodzaak van internationale samenwerking. Hij schreef in 1950 een openbare brief aan de Verenigde Naties waarin hij pleitte voor een rationeel, vreedzaam atoombeleid:

De mensheid zal worden geconfronteerd met gevaren van ongekende aard, tenzij te zijner tijd maatregelen kunnen worden genomen om een rampzalige wedijver in dergelijke formidabele bewapening te voorkomen en om een internationale controle op de vervaardiging en het gebruik van machtige materialen in te stellen.

Bohrs zoon Aage werd ook natuurkundige en won in 1975 de Nobelprijs voor Natuurkunde. (Dit is slechts één voorbeeld van beroemde wetenschappers in dezelfde familie. Andere zijn de Van Vlecks, de Braggs en Madame Curie en haar dochter Irene Joliot.)
Bohr ontving in 1957 de eerste Amerikaanse Atoms for Peace Award. Hij stierf aan een hartaanval in zijn huis in 1962, waarna wetenschappers en vooraanstaande personen uit de hele wereld hem eer betoonden. President Kennedy schreef (zie bijvoorbeeld ):-

Amerikaanse wetenschappers, ja zelfs alle Amerikaanse burgers die de naam van Doctor Bohr en zijn grote bijdragen kenden, hebben hem gedurende meer dan twee generaties gerespecteerd en vereerd …