S.A. Arrhenius professzor, a Svéd Királyi Tudományos Akadémia Fizikai Nobel-bizottságának elnöke átadó beszéde 1922. december 10-én
Felséged, felséged, hölgyeim és uraim.
Amióta Kirchhoff és Bunsen (1860) bevezette a színképelemzést, ez a rendkívül fontos vizsgálati segédeszköz a legszebb eredményeket hozta. Kezdetben nemcsak földi tárgyakról, hanem égitestekről is gyűjtöttek anyagot és vizsgálták a spektrumokat. Pompás termés volt. Ezután következett a kutatás második szakasza. Megpróbáltak szabályszerűségeket találni a spektrumok szerkezetében. Kezdetben természetes volt, hogy megpróbálják összehasonlítani a különböző színképvonalakat, amelyeket egy izzó gáz bocsát ki, azokkal a különböző hangokkal, amelyeket egy rezgő szilárd test hozhat létre. Az izzó gázban a rezgő testek ebben az esetben az atomok és molekulák lennének. De ezen a pályán kevés előrelépést sikerült elérni. Egy másik módszerhez kellett folyamodni, nevezetesen ahhoz, hogy számításokkal próbáljuk megállapítani a gáz által kibocsátott különböző rezgések közötti kapcsolatot. A hidrogénnek minden gázok közül a legegyszerűbbnek kellett lennie. A svájci Balmer 1885-ben egyszerű képletet talált az akkor ismert hidrogén vonalai között említett kapcsolatra. Ezt követően számos kutató, mint például Kayser és Runge, Ritz, Deslandres és különösen honfitársunk, Rydberg, hasonló szabályszerűségeket kerestek a többi kémiai elem színképében. Rydbergnek sikerült fényrezgéseiket olyan képletekkel ábrázolnia, amelyek bizonyos hasonlóságot mutattak Balmer képletével. Ezek a képletek egy olyan állandót tartalmaznak, amely azután rendkívül nagy jelentőségre tett szert, és a fizika egyetemes és alapvető értékei között Rydberg-állandó néven jegyezték fel.
Nos, ha lehetséges lenne képet kapni az atom szerkezetéről, az természetesen jó kiindulópontot képezne ahhoz, hogy elképzelést alkossunk a lehetséges fényrezgésekről, amelyeket egy hidrogénatom sugározhat. Rutherford, aki olyan rendkívüli mértékben kicsikarta titkaikat az atomokból, ilyen “atommodelleket” épített. Elképzelése szerint a hidrogénatomnak egy pozitív töltésű, egységnyi töltéssel rendelkező, rendkívül kis méretű atommagból kell állnia, amely körül egy negatív töltésű elektron ír le egy pályát. Mivel az atommag és az elektron között valószínűleg csak elektromos erők hatnak, és mivel ezek az elektromos erők ugyanazt a törvényt követik, mint a két tömeg közötti gravitációs vonzás, az elektron pályájának ellipszis vagy kör alakúnak kell lennie, az atommagnak pedig vagy az ellipszis egyik gyújtópontjában, vagy a kör középpontjában kell elhelyezkednie. Az atommag a Naphoz, az elektron pedig egy bolygóhoz lenne hasonlítható. Maxwell klasszikus elméletének megfelelően tehát ezeknek a pályamozgásoknak sugarakat kellene kibocsátaniuk, következésképpen energiaveszteséget okoznának, az elektron pedig egyre kisebb pályákat írna le csökkenő keringési idővel, és végül a pozitív mag felé rohanna. Így a pálya spirális lenne, és a kibocsátott fénysugarak, amelyekhez folyamatosan csökkenő rezgési periódusra van szükség, folyamatos spektrumnak felelnének meg, ami természetesen egy izzó szilárd vagy folyékony testre jellemző, de egy izzó gázra egyáltalán nem. Következésképpen vagy az atommodellnek kell hamisnak lennie, vagy pedig Maxwell klasszikus elméletének kell helytelennek lennie ebben az esetben. Körülbelül tíz évvel korábban nem haboztunk volna e két alternatíva közötti választáson, de az atommodellt alkalmazhatatlannak nyilvánítottuk volna. De 1913-ban, amikor Bohr elkezdett foglalkozni ezzel a problémával, a nagy berlini fizikus, Planck már nyomon követte a sugárzási törvényét, amelyet csak azzal a minden korábbi elképzeléssel ellentétes feltevéssel lehetett magyarázni, hogy a hőenergia “kvantumok”, vagyis kis hődarabok formájában adódik le, ahogyan az anyag is kis részekből, vagyis az atomokból áll. E feltevés segítségével Plancknak a tapasztalatokkal teljes összhangban sikerült kiszámítania az energia eloszlását egy hipotetikusan teljesen fekete test sugárzásában. Ezt követően (1905-ben és 1907-ben) Einstein tökéletesítette a kvantumelméletet, és számos törvényszerűséget vezetett le belőle, például a szilárd testek fajhőjének csökkenő hőmérséklettel való csökkenését és a fotoelektromos hatást, amely felfedezésért ma Nobel-díjat kapott.
Ennek megfelelően Bohrnak nem kellett haboznia a választásban: feltételezte, hogy Maxwell elmélete jelen esetben nem állja meg a helyét, de Rutherford atommodellje helyes. Az elektronok tehát nem bocsátanak ki fényt, amikor a pozitív mag körül futó pályáikon mozognak, olyan pályákon, amelyekről először is feltételezzük, hogy kör alakúak. A fénykibocsátásra akkor kerülne sor, amikor az elektron az egyik pályáról a másikra ugrik. Az így kisugárzott energiamennyiség egy kvantum. Mivel Planck szerint az energiakvantum a fényrezgések számának és a h betűvel jelölt Planck-állandónak a szorzata, kiszámítható, hogy egy adott pályáról egy másikra való átmenetnek hány rezgés felel meg. Az a szabályosság, amelyet Balmer a hidrogén spektrumában talált, megköveteli, hogy a különböző pályák sugarai arányosak legyenek az egész számok négyzetével, vagyis 1-től 4-ig 9-ig, és így tovább. És valóban, Bohrnak a kérdésről szóló első értekezésében sikerült kiszámítania a Rydberg-állandót más ismert nagyságokból, nevezetesen egy hidrogénatom súlyából, a Planck-állandóból és az elektromos töltésegység értékéből. A megfigyeléssel talált érték és a Rydberg-állandó kiszámított értéke közötti különbség mindössze 1 százalékot tett ki; és ez az újabb mérésekkel még csökkent is.
Ez a körülmény azonnal felkeltette a tudományos világ csodálkozó figyelmét Bohr munkájára, és előre láthatóvá tette, hogy nagymértékben meg fogja oldani az előtte álló problémát. Sommerfeld kimutatta, hogy a hidrogénvonalak úgynevezett finom szerkezetét, ami alatt azt értjük, hogy az erősen diszpergens spektroszkóppal megfigyelt vonalak több, szorosan egymás mellett elhelyezkedő vonalra oszlanak, Bohr elméletével összhangban a következőképpen lehet megmagyarázni. Az elektronok mozgásának különböző álló pályái – ha a legbelső, a közönséges, “nyugalmi pályának” nevezett pályát figyelmen kívül hagyjuk – nemcsak körkörösek, hanem elliptikusak is lehetnek, amelyeknek nagytengelye megegyezik a megfelelő körpálya átmérőjével. Amikor egy elektron egy elliptikus pályáról egy másik pályára kerül, az energia változása, és következésképpen a megfelelő színképvonalak rezgésszámának változása némileg eltér attól, mint amikor a megfelelő körpályáról a másik pályára kerül. Következésképpen két különböző színképvonalat kapunk, amelyek mégis nagyon közel fekszenek egymáshoz. Mégis csak kisebb számú vonalat figyelünk meg, mint amennyit e felfogás szerint várnunk kellene.”
Az így feltárt nehézségeket azonban Bohrnak sikerült elhárítania az úgynevezett megfelelési elv bevezetésével, amely teljesen új, nagy jelentőségű távlatokat nyitott. Ez az elv bizonyos mértékig közelebb hozza az új elméletet a régi klasszikus elmélethez. Ezen elv szerint bizonyos számú átmenet lehetetlen. A szóban forgó elvnek nagy jelentősége van a hidrogénatomnál nehezebb atomokon belül lehetséges elektronpályák meghatározásában. A héliumatom magtöltése kétszer akkora, mint a hidrogénatomé: semleges állapotban két elektron veszi körül. A hidrogén után ez a legkönnyebb atom. Két különböző változatban fordul elő: az egyiket parhéliumnak nevezik, és ez a stabilabb, a másikat ortohéliumnak – először azt hitték, hogy ezek két különböző anyagot alkotnak. A megfelelési elv szerint a parhéliumban a két elektron nyugalmi pályáján két kör mentén halad, amelyek 60°-os szöget zárnak be egymással. Az ortohéliumban viszont a két elektron pályája ugyanabban a síkban fekszik, az egyik kör alakú, míg a másik elliptikus. A következő, a héliumot nagyságrendileg követő atomtömegű elem a lítium, amelynek három elektronja semleges állapotban van. A megfelelési elv szerint a két legbelső elektron pályája ugyanúgy fekszik, mint a két elektron pályája a héliumban, míg a harmadik elektron pályája elliptikus, és jóval nagyobb méretű, mint a belső pályák.
Hasonló módon Bohr a megfelelési elv segítségével a legfontosabb pontokban képes megállapítani az elektronok különböző pályáinak helyzetét más atomokban. A legkülső elektronpályák helyzetétől függnek az atomok kémiai tulajdonságai, és részben ezen az alapon határozták meg kémiai valenciájukat. E nagyszerű munka jövőbeni fejlődéséhez a legjobb reményeket fűzhetjük.”
Bohr professzor. Ön sikeres megoldásra vitte azokat a problémákat, amelyek a spektrumok kutatói számára felmerültek. Ennek során kénytelen volt olyan elméleti elképzeléseket alkalmazni, amelyek lényegesen eltérnek azoktól, amelyek Maxwell klasszikus tanításain alapulnak. Az Önök nagy sikere megmutatta, hogy megtalálták az alapvető igazságokhoz vezető helyes utakat, és ezzel olyan elveket fektettek le, amelyek a legpompásabb előrelépésekhez vezettek, és bőséges gyümölcsöt ígérnek a jövő munkája számára. Legyen számodra biztosítva, hogy még hosszú ideig művelhesd a kutatás javára azt a széles munkaterületet, amelyet megnyitottál a tudomány előtt.