Ruotsin kuninkaallisen tiedeakatemian fysiikan Nobel-komitean puheenjohtajan, professori S.A. Arrheniuksen esitelmäpuhe 10. joulukuuta 1922
Teidän Majesteettinne, Teidän Kuninkaalliset Ylhäisyytenne, arvoisat naiset ja herrat
Siitä lähtien, kun Kirchhoffin ja Bunsenin tutkijat ottivat käyttöön spektrianalyysin (1860), tämä erittäin tärkeä apuväline tutkimuksessa on tuottanut hienoimpia tuloksia. Aluksi kerättiin aineistoa ja tutkittiin spektrejä paitsi maanpäällisistä kohteista myös taivaankappaleista. Satoa saatiin loistavasti. Sitten tuli tutkimuksen toinen vaihe. Spektrien rakenteesta yritettiin löytää säännönmukaisuuksia. Aluksi oli luonnollista yrittää verrata hehkuvan kaasun lähettämiä erilaisia spektriviivoja niihin erilaisiin sävyihin, joita värähtelevä kiinteä kappale voisi tuottaa. Tällöin hehkuvan kaasun värähtelevät kappaleet olisivat sen atomeja ja molekyylejä. Tällä tiellä ei kuitenkaan päästy juurikaan eteenpäin. Oli pakko turvautua toiseen menetelmään, nimittäin siihen, että yritettiin laskennallisesti selvittää yhteys niiden eri värähtelyjen välillä, joita kaasu voisi lähettää. Vedyn pitäisi olla kaikista kaasuista yksinkertaisin. Sveitsiläinen Balmer löysi vuonna 1885 yksinkertaisen kaavan tuolloin tunnetun vedyn viivojen väliselle yhteydelle. Sitä seurasi suuri joukko tutkijoita, kuten Kayser ja Runge, Ritz, Deslandres ja erityisesti maanmiehemme Rydberg, jotka etsivät samanlaisia säännönmukaisuuksia muiden kemiallisten alkuaineiden spektreistä. Rydberg onnistui esittämään niiden valovärähtelyt kaavoilla, jotka muistuttivat jossain määrin Balmerin kaavaa. Nämä kaavat sisältävät vakion, joka on sittemmin saanut erittäin suuren merkityksen, ja se on kirjattu fysiikan yleismaailmallisiin ja perustavanlaatuisiin arvoihin nimellä Rydbergin vakio.
Jos nyt olisi mahdollista saada käsitys atomin rakenteesta, se muodostaisi tietenkin hyvän lähtökohdan käsityksen luomiselle mahdollisista valovärähtelyistä, joita vetyatomi voi lähettää. Rutherford, joka on niin poikkeuksellisessa määrin vääntänyt atomeista niiden salaisuudet, oli rakentanut tällaisia ”atomimalleja”. Hänen käsityksensä mukaan vetyatomin tulisi koostua positiivisesta ytimestä, jolla on yksikkövaraus ja joka on erittäin pienikokoinen, ja tämän ympärillä negatiivisesti varautuneen elektronin tulisi kuvata rata. Koska ytimen ja elektronin välillä vaikuttavat todennäköisesti vain sähköiset voimat ja koska nämä sähköiset voimat noudattavat samaa lakia kuin painovoiman vetovoima kahden massan välillä, elektronin radan pitäisi olla ellipsin tai ympyrän muotoinen, ja ytimen pitäisi sijaita joko jossakin ellipsin polttopisteessä tai ympyrän keskellä. Ydin olisi verrattavissa aurinkoon ja elektroni planeettaan. Maxwellin klassisen teorian mukaisesti näiden kiertoratojen liikkeiden pitäisi siis lähettää säteitä ja siten aiheuttaa energiahäviötä, ja elektroni kuvaisi yhä pienempiä ratoja pienenevällä kierrosajalla ja syöksyisi lopulta kohti positiivista ydintä. Rata olisi siis spiraali, ja emittoituvat valonsäteet, jotka vaativat tasaisesti vähenevän värähtelyjakson, vastaisivat jatkuvaa spektriä, mikä on luonnollisesti ominaista hehkuvalle kiinteälle tai nestemäiselle kappaleelle, mutta ei lainkaan hehkuvalle kaasulle. Näin ollen joko atomimallin on oltava väärä tai Maxwellin klassisen teorian on oltava tässä tapauksessa virheellinen. Noin kymmenen vuotta aiemmin ei olisi epäröity valita näiden vaihtoehtojen välillä, mutta atomimalli olisi julistettu soveltumattomaksi. Mutta vuonna 1913, kun Bohr alkoi työstää tätä ongelmaa, suuri berliiniläinen fyysikko Planck oli jo jäljittänyt säteilylainsäädäntönsä, joka voitiin selittää vain olettamalla, joka oli ristiriidassa kaikkien aiempien käsitysten kanssa, että lämpöenergiaa luovutetaan ”kvantteina” eli pieninä lämpöannoksina, aivan kuten aine koostuu pienistä osista eli atomeista. Tämän oletuksen avulla Planck onnistui täysin kokemuksen mukaisesti laskemaan energian jakautumisen hypoteettisesti täysin mustasta kappaleesta lähtevässä säteilyssä. Sen jälkeen (vuosina 1905 ja 1907) Einstein oli täydellistänyt kvanttiteorian ja johtanut siitä useita lakeja, kuten kiinteiden kappaleiden ominaislämmön vähenemisen lämpötilan laskiessa ja valosähköisen ilmiön, josta löydöstä hänelle on tänä päivänä myönnetty Nobel-palkinto.
Näin ollen Bohrin ei tarvinnut epäröidä valintansa suhteen: hän oletti, että Maxwellin teoria ei päde nykyisessä tapauksessa, vaan että Rutherfordin atomimalli on oikea. Elektronit eivät siis säteile valoa liikkuessaan raiteillaan positiivisen ytimen ympärillä, raiteilla, joiden oletamme aluksi olevan ympyränmuotoisia. Valon säteily tapahtuisi, kun elektroni hyppää radalta toiselle. Näin säteilevä energiamäärä on kvantti. Koska Planckin mukaan energiakvantti on valon värähtelyjen lukumäärän ja Planckin vakion, jota merkitään kirjaimella h, tulo, voidaan laskea värähtelyjen lukumäärä, joka vastaa tiettyä radalta toiselle siirtymistä. Balmerin vedyn spektrille havaitsema säännönmukaisuus edellyttää, että eri ratojen säteiden on oltava verrannollisia kokonaislukujen neliöihin, toisin sanoen 1:stä 4:ään 9:ään ja niin edelleen. Bohr onnistuikin ensimmäisessä tätä kysymystä käsittelevässä tutkielmassaan laskemaan Rydbergin vakion muista tunnetuista suureista, nimittäin vetyatomin painosta, Planckin vakiosta ja sähkövarauksen yksikön arvosta. Havaintojen perusteella havaitun arvon ja lasketun Rydbergin vakion arvon välinen ero oli vain yksi prosentti, ja tämä ero on pienentynyt uudemmissa mittauksissa.
Tämä seikka kiinnitti heti tiedemaailman ihailevan huomion Bohrin työhön ja antoi mahdollisuuden ennakoida, että hän tulisi suurelta osin ratkaisemaan edessään olevan ongelman. Sommerfeld osoitti, että niin sanottu vedyn viivojen hienorakenne, jolla tarkoitetaan sitä, että voimakkaasti hajoavalla spektroskoopilla havaitut viivat jakautuvat useisiin lähekkäisiin viivoihin, voidaan Bohrin teorian mukaisesti selittää seuraavalla tavalla. Elektronien liikkumisen eri paikallaan olevat radat – jos jätämme huomiotta sisimmän, tavanomaisen radan, jota kutsutaan ”leporadaksi” – voivat olla paitsi ympyränmuotoisia myös ellipsinmuotoisia, ja niiden pääakseli voi olla yhtä suuri kuin vastaavan ympyräradan halkaisija. Kun elektroni siirtyy elliptiseltä radalta toiselle radalle, energian muutos ja näin ollen vastaavien spektriviivojen värähtelyjen määrä on jonkin verran erilainen kuin silloin, kun se siirtyy vastaavalta ympyräradalta toiselle radalle. Näin ollen saadaan kaksi erilaista spektriviivaa, jotka ovat kuitenkin hyvin lähellä toisiaan. Silti havaitsemme vain pienemmän määrän viivoja kuin tämän näkemyksen mukaan olisi pitänyt odottaa.
Näin paljastuneet vaikeudet Bohr onnistui kuitenkin poistamaan ottamalla käyttöön niin sanotun vastaavuusperiaatteen, joka avasi aivan uusia, erittäin tärkeitä näkymiä. Tämä periaate tuo uuden teorian jossain määrin lähemmäksi vanhaa klassista teoriaa. Tämän periaatteen mukaan tietty määrä siirtymiä on mahdottomia. Kyseisellä periaatteella on suuri merkitys määriteltäessä niiden elektronien ratoja, jotka ovat mahdollisia vetyatomia raskaammissa atomeissa. Heliumatomin ydinvaraus on kaksi kertaa suurempi kuin vetyatomin: neutraalissa tilassa sitä ympäröi kaksi elektronia. Se on vetyatomin jälkeen kevyin atomi. Sitä esiintyy kahtena eri muunnoksena: toista kutsutaan parheliumiksi, ja se on vakaampi, ja toista ortoheliumiksi – näitä pidettiin aluksi kahtena eri aineena. Vastaavuusperiaatteen mukaan parheliumin kaksi elektronia kulkevat lepotilassaan kahta ympyrää pitkin, jotka muodostavat 60°:n kulman toisiinsa nähden. Ortoheliumissa taas kahden elektronin radat kulkevat samassa tasossa, toinen on ympyränmuotoinen ja toinen elliptinen. Seuraava alkuaine, jonka atomipaino on suuruusluokaltaan heliumia seuraava, on litium, jossa on kolme elektronia neutraalissa tilassa. Vastaavuusperiaatteen mukaan kahden sisimmän elektronin radat sijaitsevat samalla tavalla kuin parheliumin kahden elektronin radat, kun taas kolmannen elektronin rata on elliptinen ja huomattavasti sisempiä ratoja suurempi.
Vastaavalla tavalla Bohr pystyy vastaavuusperiaatteen avulla selvittämään tärkeimmissä kohdissa elektronien eri ratojen tilanteen muissa atomeissa. Juuri uloimpien elektroniraitojen sijainnista riippuvat atomien kemialliset ominaisuudet, ja tällä perusteella on osittain määritetty atomien kemiallinen valenssi. Voimme toivoa parasta tämän suuren työn tulevaa kehitystä.
Professori Bohr. Olette vieneet onnistuneesti ratkaistavaksi ongelmat, joita spektrien tutkijoille on tullut vastaan. Näin tehdessänne olette joutuneet käyttämään teoreettisia ajatuksia, jotka poikkeavat olennaisesti niistä, jotka perustuvat Maxwellin klassisiin oppeihin. Suuri menestyksenne on osoittanut, että olette löytäneet oikeat tiet perustavanlaatuisiin totuuksiin, ja näin tehdessänne olette luoneet periaatteet, jotka ovat johtaneet mitä loistavimpiin edistysaskeliin ja lupaavat runsaasti hedelmää tulevaisuuden työlle. Olkoon teille suotu, että voitte vielä pitkään viljellä tutkimuksen eduksi sitä laajaa työkenttää, jonka olette avannut tieteelle.