Tale af professor S.A. Arrhenius, formand for Nobelkomiteen for fysik under Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi, den 10. december 1922
Herre Majestæt, Deres Kongelige Højheder, Mine damer og herrer.
Lige siden Kirchhoff og Bunsen (1860) introducerede spektralanalyse, har dette yderst vigtige hjælpemiddel til undersøgelser givet de fineste resultater. Til at begynde med blev der indsamlet materiale og undersøgt spektrer ikke kun fra jordiske objekter, men også fra himmellegemer. Der var en pragtfuld høst. Derefter kom den anden fase af forskningen. Man forsøgte at finde regelmæssigheder i spektrernes struktur. Til at begynde med var det naturligt at forsøge at sammenligne de forskellige spektrallinjer, som udsendes af en glødende gas, med de forskellige toner, som kunne frembringes af et vibrerende fast stof. De vibrerende legemer i en glødende gas ville i så fald være dens atomer og molekyler. Men der kunne kun gøres få fremskridt på dette spor. Det var nødvendigt at falde tilbage på en anden metode, nemlig at forsøge ved beregning at fastslå sammenhængen mellem de forskellige vibrationer, der kunne udsendes af en gas. Brint burde være den enkleste af alle gasser. Schweizeren Balmer fandt i 1885 en simpel formel for den nævnte forbindelse mellem de linjer af brint, som man dengang kendte. Herefter fulgte et stort antal forskere, såsom Kayser og Runge, Ritz, Deslandres og især vores landsmand Rydberg, som søgte efter lignende regelmæssigheder i de andre kemiske grundstoffers spektrer. Det lykkedes Rydberg at repræsentere deres lysvibrationer ved hjælp af formler, der havde en vis lighed med Balmers formel. Disse formler indeholder en konstant, som efterfølgende har fået meget stor betydning og er blevet optaget blandt fysikkens universelle og fundamentale værdier under navnet Rydberg-konstanten.
Hvis det nu var muligt at få en idé om atomets struktur, ville det naturligvis være et godt udgangspunkt for at skabe en forestilling om de mulige lysvibrationer, der kan udsendes af et brintatom. Rutherford, som i så usædvanlig høj grad har vredet atomernes hemmeligheder ud af dem, havde konstrueret sådanne “atommodeller”. Ifølge hans forestilling skulle hydrogenatomet bestå af en positiv kerne med en enhedsladning af ekstremt små dimensioner, og omkring denne skulle en negativt ladet elektron beskrive en bane. Da det sandsynligvis kun er elektriske kræfter, der virker mellem kernen og elektronen, og da disse elektriske kræfter følger samme lov som tyngdekraften mellem to masser, burde elektronens bane være elliptisk eller cirkulær, og kernen skulle være placeret enten i et af ellipsens brændpunkter eller i midten af cirklen. Kernen ville være at sammenligne med solen og elektronen med en planet. I overensstemmelse med Maxwells klassiske teori skulle disse kredsløbsbevægelser derfor udsende stråler og dermed forårsage et energitab, og elektronen ville beskrive mindre og mindre baner med en aftagende omdrejningsperiode og til sidst styrte ind mod den positive kerne. Banen ville således være en spiral, og de udsendte lysstråler, som vil kræve en stadigt aftagende vibrationsperiode, ville svare til et kontinuerligt spektrum, hvilket naturligvis er karakteristisk for et glødende fast eller flydende legeme, men slet ikke for en glødende gas. Følgelig må enten atommodellen være forkert, eller også må Maxwells klassiske teori være forkert i dette tilfælde. Ti år eller deromkring tidligere ville man ikke have tøvet med at vælge mellem disse alternativer, men man ville have erklæret atommodellen for uanvendelig. Men i 1913, da Bohr begyndte at arbejde med dette problem, havde den store fysiker Planck fra Berlin optegnet sin strålingslov, som kun kunne forklares ud fra den antagelse, som var i strid med alle tidligere forestillinger, at varmeenergien afgives i form af “kvanta”, dvs. små portioner varme, ligesom materien består af små portioner, dvs. atomerne. Ved hjælp af denne antagelse lykkedes det Planck i fuld overensstemmelse med erfaringerne at beregne fordelingen af energien i strålingen fra et hypotetisk fuldstændig sort legeme. Efterfølgende (i 1905 og 1907) havde Einstein perfektioneret kvanteteorien og udledt flere love heraf, såsom mindskelsen af den specifikke varme for faste legemer med faldende temperatur og den fotoelektriske effekt, for hvilken opdagelse han i dag har modtaget Nobelprisen.
Bohr behøvede derfor ikke at tøve i sit valg: han gik ud fra, at Maxwells teori ikke holder i det foreliggende tilfælde, men at Rutherfords atommodel er korrekt. Elektronerne udsender således ikke lys, når de bevæger sig i deres spor rundt om den positive kerne, spor, som vi til at begynde med antager at være cirkulære. Lysudsendelsen ville finde sted, når elektronen hopper fra et spor til et andet. Den energimængde, der således udstråles, er et kvantum. Da energikvantet ifølge Planck er produktet af antallet af lysvibrationer med Planck-konstanten, som betegnes med bogstavet h, er det muligt at beregne det antal vibrationer, der svarer til en given overgang fra en bane til en anden. Den regelmæssighed, som Balmer fandt for spektret af hydrogen kræver, at radius af de forskellige baner skal være proportionale med kvadrater af hele tal, dvs. som 1 til 4 til 9 osv. Og faktisk lykkedes Bohr i sin første afhandling om dette spørgsmål at beregne Rydberg-konstanten ud fra andre kendte størrelser, nemlig vægten af et atom af brint, Planck-konstanten og værdien af den elektriske enhed af ladning. Forskellen mellem den værdi, der blev fundet ved observation, og den beregnede værdi af Rydberg-konstanten udgjorde kun 1 procent; og denne forskel er blevet formindsket ved nyere målinger.
Denne omstændighed tiltrak straks den videnskabelige verdens beundrende opmærksomhed på Bohrs arbejde og gjorde det muligt at forudse, at han i vid udstrækning ville løse det problem, der lå foran ham. Sommerfeld viste, at den såkaldte finstruktur af brintlinjerne, hvormed menes, at de linjer, der observeres med et stærkt dispergerende spektroskop, er opdelt i flere tætliggende linjer, kan forklares i overensstemmelse med Bohrs teori på følgende måde. De forskellige stationære baner for elektronernes bevægelse – hvis vi ser bort fra den inderste, som er den almindelige, og som kaldes “hvilebanen” – kan ikke blot være cirkulære, men også elliptiske, med en storakse, der er lig med diameteren af den tilsvarende cirkulære bane. Når en elektron passerer fra en elliptisk bane til en anden bane, er ændringen i energien, og dermed antallet af vibrationer for de tilsvarende spektrallinjer, noget anderledes end når den passerer fra den tilsvarende cirkulære bane til den anden bane. Vi får derfor to forskellige spektrallinjer, som dog ligger meget tæt på hinanden. Alligevel observerer vi kun et mindre antal linjer, end vi skulle forvente ifølge denne opfattelse af tingene.
De således afslørede vanskeligheder lykkedes det imidlertid Bohr at fjerne ved at indføre det såkaldte korrespondanceprincip, som åbnede helt nye perspektiver af stor betydning. Dette princip bringer til en vis grad den nye teori tættere på den gamle klassiske teori. I henhold til dette princip er et vist antal overgange umulige. Det pågældende princip er af stor betydning for bestemmelsen af de spor af elektroner, som er mulige inden for atomer, der er tungere end brintatomet. Heliumatomets kerneladning er dobbelt så stor som hydrogenatomets: i neutral tilstand er det omgivet af to elektroner. Det er det letteste atom efter brintatomet. Det forekommer i to forskellige modifikationer: den ene kaldes parhelium og er den mest stabile, og den anden kaldes orthohelium – man antog i begyndelsen, at der var tale om to forskellige stoffer. Korrespondanceprincippet siger, at de to elektroner i parhelium i deres hvilespor løber langs to cirkler, som danner en vinkel på 60° med hinanden. I orthohelium derimod ligger de to elektroners spor i samme plan, idet den ene er cirkulær, mens den anden er elliptisk. Det følgende grundstof med en atomvægt, der er næststørst efter helium, er lithium med tre elektroner i neutral tilstand. Ifølge korrespondanceprincippet ligger sporene af de to inderste elektroner på samme måde som sporene af de to elektroner i parhelium, mens sporet af den tredje er elliptisk og har langt større dimensioner end de inderste spor.
På lignende måde er Bohr i stand til ved hjælp af korrespondanceprincippet på de vigtigste punkter at fastslå situationen af de forskellige spor af elektroner i andre atomer. Det er af de yderste elektronsporers positioner, at atomernes kemiske egenskaber afhænger, og det er på denne baggrund, at deres kemiske valens delvis er blevet bestemt. Vi kan nære de bedste forhåbninger om den fremtidige udvikling af dette store arbejde.
Professor Bohr. De har ført til en vellykket løsning af de problemer, der har stillet sig til spektralforskere. I den forbindelse har De været tvunget til at gøre brug af teoretiske ideer, som afviger væsentligt fra dem, der er baseret på de klassiske doktriner fra Maxwell. Deres store succes har vist, at De har fundet de rigtige veje til grundlæggende sandheder, og dermed har De fastlagt principper, som har ført til de mest strålende fremskridt og lover rigelige frugter for fremtidens arbejde. Måtte det være Dem tilladt at dyrke det brede arbejdsfelt, som De har åbnet for videnskaben, endnu længe til gavn for forskningen.