Modellen, der ændrede fysikken

Niels Bohr trodsede de gældende, fysiske love og satte atomets struktur på formel. Hans teori blev grundlaget for kvantemekanikken og ændrede måden, vi tænker og beskriver videnskaben på

Niels Bohrs atommodel vandt langsomt genhør og udløste i 1922 en nobelpris i fysik. -
Niels Bohrs atommodel vandt langsomt genhør og udløste i 1922 en nobelpris i fysik. - . Foto: Bridgeman Art Library/Scanpix.

Der var noget, der ikke stemte. Den højt respekterede, newzealandske atomfysiker Ernest Rutherford havde for nylig beskrevet en opsigtsvækkende ny teori, for hvordan livets mindste byggeklodser, atomerne, var opbygget, da den danske fysiker Niels Bohr kom til Manchester i 1913. Og Bohr indså hurtigt, at Rutherfords atomteori var ufuldstændig, ja faktisk slet ikke en teori. For den kunne ikke forklare, hvordan elektronerne i et atom skulle bevæge sig, for at atomet var stabilt. Og den kunne ikke forklare, hvordan lys blev udsendt fra atomerne. Den ambitiøse unge dansker skulle dog snart finde svarene og skrive sig ind i historiebøgerne som en af de fem mest betydningsfulde fysikere i verden.

På dette tidspunkt var det blot cirka 10 år siden, man var blevet klar over, at atomer, som gennem 1500 år ellers blev regnet for at være den mindste bestanddel af et grundstof, bestod af endnu mindre dele. Men man vidste ikke hvor mange, hvordan de passede sammen, eller hvilken form de havde. Rutherford mente, at atomet mest af alt bestod af en tæt, positivt ladet kerne i midten og en masse tomrum. I det tomrum forestillede han sig så, at negativt elektrisk ladede elektroner fløj rundt som planeter om en sol.

Men ifølge den kendte fysiks love burde elektronerne afgive energi, mens de drønede rundt om kernen, og derfor ville de til sidst blive opslugt af kernen. Dermed ville atomet ophøre med at eksistere. Bohrs nye teori var, at de almindelige fysiske love ophørte i så lille en skala som et atom. For elektroner udsendte i sig selv ikke energi og tabte den derfor heller ikke. De havde i stedet en fast bane om kernen, der repræsenterede en fast mængde energi. Jo længere væk fra kernen, jo mere energi.

Atomet udsendte kun energi, når elektronen sprang fra en bane med højere energi til en bane med lavere energi - et såkaldt kvantespring. Denne energi var lig med forskellen mellem banernes energi og blev udsendt i form af en tilsvarende mængde lysstråling.

Modtagelsen af Bohrs opdagelse var lunken. For elektronens spring skete tilsyneladende spontant, og det gik stik imod den helt fasttømrede holdning inden for naturvidenskaben: at alle hændelser har en årsag. Teorien besvarede dog flere centrale spørgsmål, ikke mindst hvorfor hvert atom udsender et unikt farvet lys, eksempelvis under opvarmning, og på den måde har sit eget fingeraftryk. Kaster man bordsalt ind i ild, giver det for eksempel et gult skær. Kaster man salt, der indeholder kobber, giver det derimod en blågrøn farve. Og kigger man på det skær gennem et spektroskop, kan man se et helt spektrum af farver. Hver farve repræsenterer en elektron, der springer fra sin bane og udsender stråler af energi. Den mindste variation i energimængden giver et andet lys. Det er sådan, man laver fyrværkeri: Man sammensætter raketten af forskellige grundstoffer fulde af atomer med elektroner, der udsender forskellig lysenergi, når de tilsættes varme og foretager deres kvantespring. Og det er energiudladningerne i disse kvantespring, der eksempelvis får temperaturen til at stige i en mikrobølgeovn.

Bohrs atommodel vandt langsomt genhør og udløste i 1922 en nobelpris i fysik. Nu kunne man blandt andet bestemme fjerntliggende stjerners indhold af grundstoffer alene ved at analysere det lys, stjernen udsendte. Modellen blev samtidig den direkte forløber for kvantemekanikken, der sammen med den klassiske fysik og relativitetsteorien udgør selve grundlaget for fysikkens beskrivelse af naturen.

Hans model viste sig siden at have alvorlige fejl. I 1925 blev det påvist, at essensen i modellen - at elektronerne bevæger sig i bestemte ban-er omkring kernen - er forkert. Elektroner bevæger sig langt mere kompliceret, indtil videre beskrevet som ”bølger bredt fuldstændigt ud i atomet med alle mu-lige afstande til kernen og i alle retninger fra kernen på samme tid”. Bohrs model bliver i dag derfor mest brugt til at forklare principperne bag kvantemekanikken, fordi den intuitivt er nemmere at forstå end den moderne kvanteteori, der siden er beskrevet.