Prøv avisen

Modellen, der revolutionerede vores forståelse af verden

Illustration: Rasmus Juul.

Det er 100 år siden, fysikeren Niels Bohr offentliggjorde den atommodel, som helt grundlæggende skulle ændre forståelsen af atomer og bane vej for den kvantemekanik, som er forudsætningen for vores smartphones og den øvrige informationsteknologi, vi er blevet så afhængige af. Men hvad går modellen ud på, og hvorfor fik den så stor betydning?

Der skal gode grunde til ikke at være rigtigt til stede på sin bryllupsrejse, og det var der også. Niels Bohr havde fået en idé.

Det var ikke en pludselig indskydelse, men resultatet af den erkendelse, han var kommet til et år tidligere, mens han arbejdede for den verdenskendte fysiker Ernest Rutherford. Rutherford havde i 1910 opdaget, at et atom bestod af en positivt ladet kerne og negativt ladede elektroner, der kredsede omkring kernen. Men ifølge de klassiske fysiske love kunne sådan et system ikke fungere, indså Bohr og gik i gang med at udvikle en ny atommodel. Og det var den model, han i 1912 mente at have fundet løsningen på, og derfor blev bryllupsrejsen lige så meget en faglig rejse, der året efter gjorde ham i stand til at offentliggøre de tre afhandlinger, som skulle revolutionere fysikkens verden og gøre ham til det 20. århundredes måske mest betydningsfulde forsker ved siden af Albert Einstein.

I år er det så 100 år siden, Niels Bohrs berømte atommodel blev offentliggjort. En offentliggørelse, der blev lunkent modtaget, og en model, der senere viste sig at være grundlæggende forkert, men ikke desto mindre blev Bohrs arbejde helt afgørende for forståelsen af livets mindste byggeklodser, atomerne, og for udviklingen af kvantemekanikken den gren af fysikken, som beskæftiger sig med stofs egenskaber på atomart niveau. Bohr og atommodellen bliver derfor fejret på alle ledder og kanter for tiden, dels herhjemme, men måske endnu mere internationalt.

LÆS OGSÅ: Manden, der blev ved

Men lad os lige bakke lidt. For skal man forstå Bohrs atommodel og dens betydning, er man nødt til at kende sammenhængen. I begyndelsen af 1900-tallet var man netop blevet klar over, at atomer, der 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.

I 1910 opdagede Rutherford så, 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.

Der var dog et alvorligt problem ved modellen. 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.

Bohr, der i 1912 var assistent hos Rutherford, satte sig for at finde løsningen på problemet. Og det var lige omkring brylluppet med Margrethe Nørlund, at han var klar til at præsentere sin opsigtsvækkende teori: 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, sagde Bohr. 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.

LÆS OGSÅ: Bohr-fejring: Hvor er de folkelige begivenheder?

Forskerverdenen var forvirret. For elektronens spring skete tilsyneladende spontant, og det gik stik imod den helt fasttømrede holdning inden for naturvidenskaben: at alle hændelser har en årsag. Og hvad bestemte i øvrigt, hvilken bane elektronen sprang til? Bohrs teori blev derfor mødt med udbredt mistro. Den lød usandsynlig, men den var alligevel ikke sådan at afvise. For den besvarede flere 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 grøn-blå 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 får temperaturen til at stige i en mikrobølgeovn.

Bohrs atommodel vandt langsomt genhør og udløste i 1922 en nobelpris i fysik. Naturligvis ikke, fordi man nu kunne forklare fyrværkeri, men fordi modellen gav afgørende ny viden om de atomer, som alting består af. Nu kunne man blandt andet bestemme fjerntliggende stjerners indhold af grundstoffer alene ved at analysere det lys, stjernen udsendte. Eller for den sags skyld sammensætningen af stoffer i alt fra forurenet vand til giftig røg. Faktisk havde man allerede bevist, at alle grundstoffer har deres unikke fingeraftryk i form af lys, men Bohr forklarede hvorfor.

Med den viden kunne man nu udvikle laserteknologien. For laserlys frembringes ved kvantespring. Det er eksempelvis nyttigt i en cd-afspiller, der netop bruger laserlys til at aflæse musikken. Og da bestemte grundstoffer har bestemte energiniveauer og derfor udsender lys med en bestemt frekvens og bølgelængde, kan kvantespringene bruges til at måle tid meget præcist. Det er nyttigt til helt generelt at fastlægge tid og længde så præcist som overhovedet muligt. Ved hjælp af et såkaldt atomur er et sekund således defineret som varigheden af 9.192.631.700 svingninger i den stråling, der opstår i springet mellem de to laveste energitilstande i grundstoffet cæsium. Hvordan man så er kommet frem til det, er en helt anden historie.

Man kan blive ved med at liste betydningsfulde konsekvenser af Bohrs model op, men det afgørende er, at den gav os forståelsen af, at det er elektronernes placering i atomet, der afgør deres egenskaber og dermed atomets egenskaber. Ikke mindst hvorvidt og hvornår atomet har lyst til at finde sammen med andre atomer. Tag metallerne: De metaller, hvor elektronerne sidder tæt fast til kernen af atomet, er dårlige til at lede strøm, mens de metaller, hvor elektronerne sidder mere løst og derfor nemmere kan komme i bevægelse, er gode. Det afgør eksempelvis, hvilke metaller det giver bedst mening at bruge teknologisk.

Modellen blev på den måde den direkte forløber for kvantemekanikken, der sammen med den klassiske fysik og relativitetsteorien udgør selve grundlaget for fysikkens beskrivelse af naturen. Uden kvantemekanikken ville vi end ikke forstå særlig meget af, hvordan noget så alment som en mobiltelefon fungerer, forklarer lektor i fysik på Aarhus Universitet Helge Knudsen:

Kvantemekanikken er basis for forståelsen af, hvordan elektroner opfører sig, og det er elektroner, der bevæger sig rundt i meget små kredsløb, som hjælper med til at føre viden fra en del af telefonen til en anden. Og det er deres evne til at have bestemte energier, der gør, at stof både kan isolere og lede, være tændt eller slukket. Kvantemekanikken er det eneste, der beskriver denne proces korrekt.

Dermed dog ikke sagt, at Bohr kan tage æren for den teknologiske udvikling. Hans atommodel viste sig nemlig snart at have alvorlige fejl. Det er stadig rigtigt, at atomer har bestemte energitilstande og kan udsende lys, men i 1925 blev det påvist, at essensen i modellen at elektronerne bevæger sig i bestemte baner omkring kernen er forkert. Elektroner bevæger sig langt mere kompliceret, indtil videre beskrevet som bølger bredt fuldstændigt ud i atomet med alle mulige 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. Og som bruges til egentlige målinger og analyser.

Bohr ændrede ved selve måden, vi tænker og beskriver videnskaben på, forklarer adjunkt Jacob Sherson fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

Hans model og de tanker, der lå bag, revolutionerede simpelthen vores verdensforståelse. Og så er det faktisk mindre vigtigt, at modellen havde fejl. Det var hans evne til at tænke i helt nye baner, der blev afgørende.