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Laudatio von Professor S.A. Arrhenius, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften, am 10. Dezember 1922

Ihre Majestät, Ihre Königlichen Hoheiten, meine Damen und Herren.

Seit Kirchhoff und Bunsen (1860) die Spektralanalyse eingeführt haben, hat dieses äußerst wichtige Hilfsmittel der Forschung die besten Ergebnisse hervorgebracht. Zunächst wurde Material gesammelt und Spektren nicht nur von irdischen Objekten, sondern auch von Himmelskörpern untersucht. Die Ausbeute war prächtig. Dann kam die zweite Phase der Forschung. Es wurde versucht, Regelmäßigkeiten in der Struktur der Spektren zu finden. Zunächst war es naheliegend, die verschiedenen Spektrallinien, die ein glühendes Gas aussendet, mit den verschiedenen Tönen zu vergleichen, die ein schwingender Festkörper erzeugen kann. Die schwingenden Körper in einem glühenden Gas wären in diesem Fall die Atome und Moleküle. Doch auf diesem Weg konnten nur wenige Fortschritte erzielt werden. Man musste auf eine andere Methode zurückgreifen, nämlich zu versuchen, durch Berechnung den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Schwingungen herzustellen, die von einem Gas ausgehen können. Wasserstoff sollte das einfachste aller Gase sein. Der Schweizer Balmer fand 1885 eine einfache Formel für den erwähnten Zusammenhang zwischen den damals bekannten Linien des Wasserstoffs. Es folgten zahlreiche Forscher, wie Kayser und Runge, Ritz, Deslandres und vor allem unser Landsmann Rydberg, die nach ähnlichen Gesetzmäßigkeiten in den Spektren der anderen chemischen Elemente suchten. Rydberg gelang es, deren Lichtschwingungen durch Formeln darzustellen, die eine gewisse Ähnlichkeit mit der Balmerschen Formel aufwiesen. Diese Formeln enthalten eine Konstante, die in der Folgezeit sehr große Bedeutung erlangt hat und unter dem Namen Rydberg-Konstante zu den universellen und fundamentalen Werten der Physik gezählt wird.

Wenn es nun möglich wäre, eine Vorstellung von der Struktur des Atoms zu erhalten, wäre dies natürlich ein guter Ausgangspunkt, um eine Vorstellung von den möglichen Lichtschwingungen zu entwickeln, die von einem Wasserstoffatom ausgesendet werden können. Rutherford, der den Atomen in so außergewöhnlichem Maße ihre Geheimnisse abgerungen hat, hatte solche „Atommodelle“ konstruiert. Nach seiner Vorstellung sollte das Wasserstoffatom aus einem positiven Kern mit einer Einheitsladung von extrem kleinen Abmessungen bestehen, um den ein negativ geladenes Elektron eine Umlaufbahn beschreiben sollte. Da zwischen dem Kern und dem Elektron wahrscheinlich nur elektrische Kräfte wirken und diese elektrischen Kräfte dem gleichen Gesetz folgen wie die Anziehungskraft zwischen zwei Massen, müsste die Bahn des Elektrons elliptisch oder kreisförmig sein, und der Kern müsste sich entweder in einem der Brennpunkte der Ellipse oder im Zentrum des Kreises befinden. Der Kern wäre dann mit der Sonne und das Elektron mit einem Planeten vergleichbar. Nach der klassischen Theorie von Maxwell müssten diese Bahnbewegungen also Strahlen aussenden und folglich einen Energieverlust verursachen, und das Elektron würde immer kleinere Bahnen mit abnehmender Umlaufzeit beschreiben und schließlich auf den positiven Kern zustürzen. Die Bahn wäre also eine Spirale, und die ausgesandten Lichtstrahlen, die eine stetig abnehmende Schwingungsdauer erfordern, entsprächen einem kontinuierlichen Spektrum, das natürlich für einen glühenden festen oder flüssigen Körper, aber keineswegs für ein glühendes Gas charakteristisch ist. Folglich muss entweder das Atommodell falsch sein, oder aber die klassische Theorie von Maxwell muss in diesem Fall falsch sein. Etwa zehn Jahre zuvor hätte man ohne zu zögern zwischen diesen beiden Alternativen wählen können, aber das Atommodell wäre für unanwendbar erklärt worden. Aber 1913, als Bohr begann, sich mit diesem Problem zu befassen, hatte der große Berliner Physiker Planck sein Strahlungsgesetz aufgestellt, das sich nur unter der allen bisherigen Vorstellungen widersprechenden Annahme erklären ließ, dass die Energie der Wärme in Form von „Quanten“, also kleinen Wärmeportionen, abgegeben wird, so wie die Materie aus kleinen Portionen, den Atomen, besteht. Mit Hilfe dieser Annahme gelang es Planck in völliger Übereinstimmung mit der Erfahrung, die Verteilung der Energie in der Strahlung eines hypothetisch völlig schwarzen Körpers zu berechnen. Danach (1905 und 1907) hatte Einstein die Quantentheorie vervollkommnet und daraus mehrere Gesetze abgeleitet, wie die Abnahme der spezifischen Wärme fester Körper mit abnehmender Temperatur und den photoelektrischen Effekt, für dessen Entdeckung er heute den Nobelpreis erhalten hat.

Dementsprechend brauchte Bohr bei seiner Wahl nicht zu zögern: Er nahm an, dass die Maxwellsche Theorie im vorliegenden Fall nicht zutrifft, sondern dass das Atommodell von Rutherford richtig ist. Demnach strahlen die Elektronen kein Licht ab, wenn sie sich auf ihren Bahnen um den positiven Kern bewegen, Bahnen, die wir zunächst als kreisförmig annehmen. Die Emission von Licht würde stattfinden, wenn das Elektron von einer Bahn zur anderen springt. Die Energiemenge, die dabei abgestrahlt wird, ist ein Quantum. Da das Energiequant nach Planck das Produkt aus der Anzahl der Lichtschwingungen und der Planckschen Konstante ist, die mit dem Buchstaben h bezeichnet wird, lässt sich die Anzahl der Schwingungen berechnen, die einem bestimmten Übergang von einer Bahn zur anderen entspricht. Die Regelmäßigkeit, die Balmer für das Spektrum des Wasserstoffs gefunden hat, setzt voraus, dass die Radien der verschiedenen Bahnen proportional zu den Quadraten der ganzen Zahlen sind, d.h. 1 bis 4 bis 9 und so weiter. Und tatsächlich gelang es Bohr in seiner ersten Abhandlung zu dieser Frage, die Rydberg-Konstante aus anderen bekannten Größen zu berechnen, nämlich dem Gewicht eines Wasserstoffatoms, der Planckschen Konstante und dem Wert der elektrischen Ladungseinheit. Der Unterschied zwischen dem durch Beobachtung gefundenen Wert und dem berechneten Wert der Rydberg-Konstante betrug nur 1 Prozent; und dieser Unterschied hat sich durch neuere Messungen verringert.

Dieser Umstand zog sofort die bewundernde Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Welt auf Bohrs Arbeit und ermöglichte es, vorauszusehen, dass er das vor ihm liegende Problem zu einem großen Teil lösen würde. Sommerfeld zeigte, dass die so genannte Feinstruktur der Wasserstofflinien, d.h. die Aufteilung der mit einem stark streuenden Spektroskop beobachteten Linien in mehrere eng benachbarte Linien, nach der Bohrschen Theorie folgendermaßen erklärt werden kann. Die verschiedenen stationären Bahnen, auf denen sich die Elektronen bewegen, können nicht nur kreisförmig, sondern auch elliptisch sein, mit einer Hauptachse, die dem Durchmesser der entsprechenden Kreisbahn entspricht, wenn man die innerste, gewöhnliche Bahn, die „Ruhebahn“, außer Acht lässt. Wenn ein Elektron von einer elliptischen Bahn auf eine andere Bahn übergeht, ist die Energieänderung und damit die Anzahl der Schwingungen für die entsprechenden Spektrallinien etwas anders als beim Übergang von der entsprechenden Kreisbahn auf die andere Bahn. Folglich erhalten wir zwei unterschiedliche Spektrallinien, die jedoch sehr nahe beieinander liegen. Dennoch beobachten wir nur eine geringere Anzahl von Linien, als wir nach dieser Sicht der Dinge erwarten sollten.

Die so aufgedeckten Schwierigkeiten konnte Bohr jedoch durch die Einführung des so genannten Korrespondenzprinzips beseitigen, das ganz neue Perspektiven von großer Bedeutung eröffnete. Dieses Prinzip bringt die neue Theorie in gewisser Weise näher an die alte klassische Theorie heran. Nach diesem Prinzip ist eine bestimmte Anzahl von Übergängen unmöglich. Dieses Prinzip ist von großer Bedeutung für die Bestimmung der Elektronenbahnen, die in Atomen möglich sind, die schwerer sind als das Wasserstoffatom. Die Kernladung des Heliumatoms ist doppelt so groß wie die des Wasserstoffatoms: Im neutralen Zustand wird es von zwei Elektronen umschlossen. Es ist das leichteste Atom nach dem des Wasserstoffs. Es kommt in zwei verschiedenen Modifikationen vor: die eine wird Parhelium genannt und ist die stabilere, die andere wird Orthohelium genannt – man nahm zunächst an, dass es sich um zwei verschiedene Substanzen handelt. Das Korrespondenzprinzip besagt, dass die beiden Elektronen im Parhelium in ihren Ruhebahnen entlang zweier Kreise laufen, die einen Winkel von 60° zueinander bilden. Im Orthohelium hingegen liegen die Bahnen der beiden Elektronen in der gleichen Ebene, wobei die eine kreisförmig und die andere elliptisch ist. Das nächste Element mit dem dem Helium nächsthöheren Atomgewicht ist das Lithium mit drei Elektronen im neutralen Zustand. Nach dem Korrespondenzprinzip liegen die Bahnen der beiden innersten Elektronen in der gleichen Weise wie die Bahnen der beiden Elektronen im Helium, während die Bahn des dritten elliptisch ist und weit größere Ausmaße hat als die inneren Bahnen.

In ähnlicher Weise kann Bohr mit Hilfe des Korrespondenzprinzips die Lage der verschiedenen Elektronenbahnen in anderen Atomen in den wichtigsten Punkten feststellen. Von der Lage der äußersten Elektronenbahnen hängen die chemischen Eigenschaften der Atome ab, und auf dieser Grundlage ist auch ihre chemische Wertigkeit teilweise bestimmt worden. Wir dürfen die besten Hoffnungen auf die künftige Entwicklung dieses großen Werkes setzen.

Professor Bohr. Sie haben die Probleme, die sich den Spektralforschern gestellt haben, mit Erfolg gelöst. Dabei waren Sie gezwungen, sich theoretischer Ideen zu bedienen, die wesentlich von denen abweichen, die auf den klassischen Lehren von Maxwell beruhen. Ihr großer Erfolg hat gezeigt, dass Sie die richtigen Wege zu den grundlegenden Wahrheiten gefunden haben, und dabei haben Sie Grundsätze aufgestellt, die zu den großartigsten Fortschritten geführt haben und reiche Früchte für die Arbeit der Zukunft versprechen. Möge es Ihnen vergönnt sein, das weite Arbeitsfeld, das Sie der Wissenschaft eröffnet haben, noch lange zum Vorteil der Forschung zu pflegen.