Niels Bohr

Lebenslauf

Niels Henrik David Bohr wurde als Sohn eines Physiologieprofessors am 7. Oktober 1885 in Kopenhagen geboren. Sein Bruder Harald wurde später ein bekannter Mathematiker, außerdem hatte er noch ein Schwester. Die Bohrs wuchsen in einem liberalen Elternhaus auf, in dem oft ausführlich über Physiologie, Physik und Philosophie diskutiert wurde. Beide Brüder durchliefen eine solide Schulkarriere. Auch sportlich waren die Brüder sehr fit, beide spielten leidenschaftlich gerne Fußball, wobei es Harald bis in die dänische Nationalmannschaft schaffte, während Niels lieber Torwart war. Ab 1903 studierte Niels Bohr an der Universität Kopenhagen Physik und weitere verwandte Fächer wie Chemie und Philosophie, 1911 schloss er das Studium mit seiner Doktorarbeit ab. Schon während dem Studium erhielt er Auszeichnungen. Im gleichen Jahr erhielt er eine Stelle im Cavendish-Laboratorium in Cambridge/England, das damals unter der Leitung von Joseph John Thomson (1856-1940) stand. Ein Jahr später wechselte er nach Manchester in das Labor von Ernest Rutherford. Während dieser Zeit reiste er nach Dänemark und heiratete Margarete Noerlund, das Paar sollte fünf Söhne bekommen.

Ab 1914 arbeitete er als Dozent in Manchester und Kopenhagen, ab 1916 als Professor an der Universität in Kopenhagen. 1921 eröffnete er ein eigenes Institut: das Institut für Theoretische Physik an der Universität Kopenhagen. Die zu dieser Zeit gehaltenen Vorträge in Göttingen ("Bohr-Festspiele") machten ihn sehr populär und stellten den Kontakt zu Werner Heisenberg (1901-1976) her. 1922 erhielt er den Nobelpreis für Physik. Sein im gleichen Jahr geborener Sohn Aage Niels Bohr erhielt übrigens ebenfalls den Nobelpreis für Physik im Jahr 1975.

Während der Besatzung Dänemarks durch die Deutschen im Zweiten Weltkrieg beteiligte er sich am passiven Widerstand und gab gefährdeten Personen eine Arbeitsstelle in seinem Institut. Mit der Zeit wurde es für Bohr zu gefährlich und er floh zusammen mit seiner Frau in einer abenteuerlichen Flucht in einem kleinen Boot nach Schweden. Dadurch widersetzte er sich einer drohenden Verhaftung. Die Söhne folgten auf dem gleichen Weg. Die Familie Bohr konnte nicht in Dänemark bleiben, weil seine Frau aus einer jüdischen Familie stammte. In Schweden setzte sich Niels Bohr beim Schwedischen König für die Aufnahme von 7000 dänischen Juden ein und war an deren Rettung daher maßgeblich beteiligt.

Die Engländer verhalfen dann zur Flucht in die USA. 1943 erfuhr Bohr in London vom Atombombenprojekt der Allierten. Unter einem Decknamen wurde er zusammen mit seinem Sohn Aage nach Los Alamos in die USA geschickt. Bohr war entsetzt, wie weit die Alliierten mit dem Projekt schon waren. In Los Alamos arbeitete er jedoch nur wenig an der technischen Entwicklung der Atombombe, vielmehr versuchte er, die Politiker zu überzeugen, dass das Projekt aufgegeben werde sollte. Diese hatten aber nur wenig Verständnis.

Nach Ende des Krieges setzte Bohr die Arbeit an seinem Institut in Kopenhagen wieder fort. 1950 schrieb er einen offenen Brief an die Vereinten Nationen, um vor dem Missbrauch der Atomenergienutzung zu warnen. Daher erhielt er 1957 den Preis "Atoms for Peace Award". Am 17. November 1962 legte er sich am Nachmittag zu einem kurzen Schläfchen hin und wachte nicht mehr auf.

Als Bohr 1912 nach Manchester zu Rutherfords Labor wechselte, erzählten ihm die Mitarbeiter Rutherfords von einem Problem: Sie hatte experimentell herausgefunden, dass Bleiatome um drei Masseneinheiten leichter waren als das "Radium D". Chemisch unterschieden sich diese beiden Stoffe jedoch überhaupt nicht. Blei und "Radium D" saßen im Periodensystem jedoch an unterschiedlichen Stellen und aufgrund der gleichen chemischen Eigenschaften wurde der Wert des Mendelejewschen Periodensystems in Frage gestellt. Bohr erkannte aber relativ schnell, dass die chemischen Eigenschaften nicht durch den Atomkerm bestimmt werden, sondern durch die Elektronen in der Hülle.

Niels Bohr war ein Jahr lang Assistent im Labor des Nobelpreisträgers. Unter Bohrs Anleitung bewies das Team in Rutherfords Labor experimentell, dass ein Wasserstoffatom 1 Elektron und ein Heliumatom 2 Elektronen in der Hülle enthalten. Damit erwies sich Rutherfords Modell als anwendbar. Da sich Bohr jedoch intensiv mit den Ergebnissen der theoretischen Physik auseinandergesetzt hatte, erkannte er auch die Fehler. In einem Gespräch mit Ernest Rutherford diskutierte er die Unzulänglichkeit des Modells und verwies auf die Bedeutung der aufkommenden Quantentheorie. Bohr bezog sich vor allem auf die Quantentheorie von Albert Einstein (1879-1955) und Max Planck (1858-1947). Rutherford war zunächst skeptisch, aber das Rutherfordsche Modell stand im Widerspruch zu der Maxwellschen Elektrodynamik. Demnach müssten die in Kreisbahnen laufenden Elektronen Energie abstrahlen und allmählich in den Atomkern hineinstürzen.

Aus den nachfolgenden Arbeiten Bohrs sollte das Bohrsche Atommodell hervorgehen: Im Jahr 1913 erhielt Bohr Besuch von seinem Studienfreund Hans Marius Hansen. Dieser arbeitete in Deutschland intensiv an der Spektroskopie von Gasen. Er schilderte Bohr das bekannte Phänomen, dass ein Prisma Sonnenlicht in seine Spektralfarben zerlegt, dass aber zum Leuchten angeregter Wasserstoff nur einzelne Linien verschiedener Farben im Spektroskop zeigt. Dabei berichtete Hansen von dem Zahlengesetz des Schweizer Lehrers Johann Jakob Balmer (1825-1898). Dieses Zahlengesetz konnte man auf den Abstand der Spektrallinien beim Wasserstoff anwenden. Erhält die rote, im sichtbaren Bereich liegende Spektrallinie des Wasserstoffs den Zahlenwert n=2 und nummeriert man die weiteren Linien durch, so nehmen die Abstände exakt quadratisch mit zunehmenden n ab. "In dem Moment, in dem ich Balmers Formel sah, wurde mir alles klar", bemerkte Bohr später einmal dazu. Bohr entwickelte daraus sein Atommodell: Die Elektronen laufen auf bestimmten Bahnen mit festgelegten Abständen. Beim Abgeben oder Aufnehmen von Strahlung springen die Elektronen zwischen diesen "Schalen". Beim Sprung von einem Elektron einer äußeren Schale auf eine weiter innen liegende, gibt es Energie ab und sendet diese als Licht aus. Das Atom wechselt dabei von einem energiereichen, stationären Zustand in einen energieärmeren Zustand. "Der Abstand der Bahnen und damit die Energie des ausgesandten Lichtpaketes ist eindeutig und ausschließlich durch das Plancksche Wirkungsquantum sowie die Wellenlänge des Lichts festgelegt. Diese Quantensprünge sind im Lichte der klassischen Physik völlig unerklärlich" (Zitat nach Thomas Bürke, Newtons Apfel, München 1997).

Das Ergebnis von Bohrs Arbeit erschien im Jahre 1913 als Trilogie im Philosophical Magazine. Bohr gab das Manuskript an Rutherford. Dieser hatte zahlreiche Einwände und wollte es kürzen. Bohr verteidigte sein Manuskript vehement Wort für Wort. Rutherford gab dem Drängen des "eigensinnigen" Bohrs nach und sandte die Arbeit trotz der "wilden Ideen" an den Verlag. Zunächst fand die Arbeit nur wenig Anklang, aber einige Physiker wie Arnold Sommerfeld (1868-1951) äußersten sich sehr positiv darüber. Sommerfeld verfeinerte das Modell später und konnte damit die Feinstruktur der Spektrallinien erklären. Auch wenn das Bohrsche Atommodell durch die Quantenphysik überholt wurde, galt es als Meilenstein, da es den Weg für die weiteren Entwicklungen ebnete. Als Albert Einstein (1879-1955) erfuhr, dass das Modell die Wasserstoff- und Heliumspektren erklären konnte, sagte er "Dann ist es eine der größten Entdeckungen".

Das von Niels Bohr gegründete Forschungsinstitut an der Universität Kopenhagen wurde zu einer Begegnungsstätte für viele Physiker. In den 1920iger und 1930iger Jahren verweilten dort beispielsweise Erwin Schrödinger (1887-1961) und Werner Heisenberg (1901-1976). Bohr hatte Heisenberg 1922 in Göttingen kennengelernt. Heisenberg kam zu Bohr nach Dänemark und lernte dafür sogar extra dänisch. Die Gespräche mit Heisenberg sind als "Kopenhagener Deutung der Quantenphysik" in die Geschichte eingegangen. Sie führten Bohr zum Komplementaritätsprinzip: Ausgangspunkt war der scheinbar unvereinbare Widerspruch, dass das Licht in bestimmten Experimenten Teilchenstruktur und in anderen Experimenten Wellenstruktur zeigt. Nach der Kopenhagener Auslegung verhalten sich die beiden scheinbaren Widersprüche komplementär, also "sowohl-als-auch". Es kommt lediglich auf die Experimentalanordnung und damit auf die "Betrachtungsweise" (Heisenberg) an, ob sich die Teilchenstruktur oder die Wellenstruktur des Lichts zeigt. Heisenberg führten die Diskussionen mit Bohr - und mit Albert Einstein - zu seiner Unschärferelation (Anmerkung: nach Heisenberg eigentlich "Unbestimmtheitsrelation"). Danach lassen sich zwei Messgrößen eines Elektrons wie Ort und Impuls nicht gleichzeitig bestimmen.

"Wir hatten ja immer leichthin gesagt: die Bahn des Elektrons in der Nebelkammer kann man beobachten. Aber vielleicht war das, was man wirklich beobachtet, weniger. Vielleicht konnte man nur eine diskrete Folge von ungenau bestimmten Orten des Elektrons wahrnehmen. Tatsächlich sieht man ja nur einzelne Wassertröpfchen in der Kammer, die sicher sehr viel ausgedehnter sind als ein Elektron. Die richtige Frage musste also lauten: Kann man in der Quantenmechanik eine Situation darstellen, in der sich ein Elektron ungefähr - das heißt mit einer gewissen Ungenauigkeit - an einem gegebenen Ort befindet und dabei ungefähr - das heißt wieder mit einer gewissen Ungenauigkeit - eine vorgegebene Geschwindigkeit besitzt, und kann man diese Ungenauigkeiten so gering machen, dass man nicht in Schwierigkeiten mit den Experimenten gerät? Eine kurze Rechnung nach der Rückkehr ins Institut bestätigte, dass man solche Situationen mathematisch darstellen kann und dass für die Ungenauigkeiten jene Beziehungen gelten, die später als Unbestimmtheitsrelationen der Quantenmechanik bezeichnet worden sind." (Zitat Werner Heisenberg aus: Der Teil und das Ganze, München 1969)

Diese Auslegung ging Albert Einstein zu weit. Er konnte nicht akzeptieren, dass es "grundsätzlich unmöglich sein sollte, alle für eine vollständige Determinierung der Vorgänge notwendigen Bestimmungsbruchstücke zu kennen" (Zitat Heisenberg). Der "liebe Gott würfelt nicht", war die Antwort von Albert Einstein auf Heisenbergs Theorie.

1997 erhielt das 1981 erstmals künstlich hergestellte Element Nr. 107 den offiziellen Namen Bohrium (Bh). Damit wollte man Niels Bohr zusammen mit seinem Sohn Aage Niels Bohr (geb. 1922), also beide Nobelpreisträger ehren.

Empfehlenswerte Literaturquellen