Uitreikingsrede door Professor S.A. Arrhenius, Voorzitter van het Nobelcomité voor de Natuurkunde van de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen, op 10 december 1922
Uwe Majesteit, Koninklijke Hoogheden, Dames en Heren.
Sinds Kirchhoff en Bunsen (1860) de spectraalanalyse introduceerden, heeft dit uiterst belangrijke hulpmiddel bij het onderzoek de mooiste resultaten opgeleverd. Om te beginnen werd materiaal verzameld en werden spectra onderzocht, niet alleen van aardse objecten, maar ook van de hemellichamen. Er was een prachtige oogst. Daarna kwam de tweede fase van het onderzoek. Er werden pogingen ondernomen om regelmatigheden te vinden in de structuur van de spectra. Om te beginnen lag het voor de hand te trachten de verschillende spectraallijnen die door een gloeiend gas worden uitgezonden, te vergelijken met de verschillende tonen die door een trillende vaste stof zouden kunnen worden voortgebracht. De trillende lichamen in een gloeiend gas zouden in dat geval zijn atomen en moleculen zijn. Maar op dit spoor kon weinig vooruitgang worden geboekt. Men moest op een andere methode terugvallen, namelijk door berekening het verband proberen vast te stellen tussen de verschillende trillingen die door een gas konden worden uitgezonden. Waterstof zou de eenvoudigste van alle gassen moeten zijn. De Zwitser Balmer vond in 1885 een eenvoudige formule voor het genoemde verband tussen de lijnen van waterstof zoals die toen bekend waren. Er volgde een groot aantal onderzoekers, zoals Kayser en Runge, Ritz, Deslandres, en vooral onze landgenoot Rydberg, die naar soortgelijke regelmatigheden zochten in de spectra van de andere chemische elementen. Rydberg slaagde erin hun lichttrillingen weer te geven door middel van formules die een zekere gelijkenis vertoonden met de formule van Balmer. Deze formules bevatten een constante die naderhand zeer belangrijk is geworden en die onder de universele en fundamentele waarden van de natuurkunde is opgenomen onder de naam van de Rydberg-constante.
Welnu, als het mogelijk zou zijn een idee te krijgen van de structuur van het atoom, dan zou dat natuurlijk een goed uitgangspunt vormen om een conceptie te maken van de mogelijke lichttrillingen die door een waterstofatoom kunnen worden uitgezonden. Rutherford, die op zo’n buitengewone wijze de geheimen van de atomen heeft ontrafeld, had dergelijke “atoommodellen” geconstrueerd. Volgens zijn opvatting zou het waterstofatoom moeten bestaan uit een positieve kern, met een eenheidslading, van uiterst kleine afmetingen, en daaromheen zou een negatief geladen elektron een baan moeten beschrijven. Aangezien waarschijnlijk slechts elektrische krachten tussen de kern en het elektron werkzaam zijn, en aangezien deze elektrische krachten dezelfde wet volgen als de aantrekkelijkheid van zwaartekracht tussen twee massa’s, zou de baan van het elektron elliptisch of cirkelvormig moeten zijn, en de kern zou of in één van de brandpunten van de ellips of in het centrum van de cirkel moeten zijn gesitueerd. De kern zou vergelijkbaar zijn met de zon en het elektron met een planeet. In overeenstemming met de klassieke theorie van Maxwell zouden deze baanbewegingen dus stralen uitzenden en bijgevolg een verlies van energie veroorzaken, en het elektron zou steeds kleinere banen beschrijven met een afnemende omwentelingsperiode en zich tenslotte in de richting van de positieve kern haasten. Aldus zou het spoor een spiraal zijn, en de uitgezonden lichtstralen, die een gestadig afnemende periode van trilling vereisen, zouden overeenstemmen met een ononderbroken spectrum, dat, natuurlijk, kenmerkend is voor een gloeiend vast of vloeibaar lichaam, maar in het geheel niet voor een gloeiend gas. Bijgevolg moet of het atoommodel vals zijn, of de klassieke theorie van Maxwell moet in dit geval onjuist zijn. Tien jaar eerder zou er geen aarzeling zijn geweest bij de keuze tussen deze alternatieven, maar het atoommodel zou als niet toepasselijk zijn verklaard. Maar in 1913, toen Bohr zich met dit probleem begon bezig te houden, had de grote Berlijnse natuurkundige Planck zijn wet van de straling op het spoor gekomen, die alleen kon worden verklaard op grond van de veronderstelling, die in strijd was met alle voorgaande opvattingen, dat de energie van warmte wordt afgegeven in de vorm van “quanta”, dat wil zeggen kleine porties warmte, net zoals materie bestaat uit kleine porties, dat wil zeggen de atomen. Met behulp van deze veronderstelling slaagde Planck erin, geheel in overeenstemming met de ervaring, de verdeling van energie in straling van een hypothetisch volledig zwart lichaam te berekenen. Daarna (in 1905 en 1907) had Einstein de kwantumtheorie geperfectioneerd en daaruit verschillende wetten afgeleid, zoals de vermindering van de soortelijke warmte van vaste lichamen met dalende temperatuur en het foto-elektrisch effect, voor welke ontdekking hij heden de Nobelprijs heeft gekregen.
Bohr hoefde dus niet te aarzelen bij zijn keuze: hij ging ervan uit dat de theorie van Maxwell in het onderhavige geval niet opgaat, maar dat het atoommodel van Rutherford juist is. De elektronen zenden dus geen licht uit wanneer zij zich in hun banen rond de positieve kern bewegen, banen waarvan wij in eerste instantie aannemen dat zij cirkelvormig zijn. De emissie van licht zou plaats vinden wanneer het elektron van het ene spoor naar het andere springt. De hoeveelheid energie die aldus wordt uitgestraald is een quantum. Aangezien, volgens Planck, het quantum van energie het product is van het aantal lichttrillingen met de Planckiaanse constante, die wordt aangeduid met de letter h, is het mogelijk het aantal trillingen te berekenen dat overeenkomt met een gegeven overgang van de ene baan naar de andere. De regelmatigheid die Balmer vond voor het spectrum van waterstof vereist dat de stralen van de verschillende banen evenredig zijn met de kwadraten van de gehele getallen, d.w.z. als 1 tot 4 tot 9, enzovoort. En inderdaad is Bohr er in zijn eerste verhandeling over dit vraagstuk in geslaagd de Rydbergconstante te berekenen uit andere bekende grootheden, namelijk het gewicht van een waterstofatoom, de Planckiaanse constante en de waarde van de elektrische ladingseenheid. Het verschil tussen de door waarneming gevonden waarde en de berekende waarde van de Rydbergconstante bedroeg slechts 1 procent; en dit is door meer recente metingen kleiner geworden.
Deze omstandigheid trok meteen de bewonderende aandacht van de wetenschappelijke wereld voor het werk van Bohr en maakte het mogelijk te voorzien dat hij het probleem dat voor hem lag voor een groot deel zou oplossen. Sommerfeld toonde aan dat wat bekend staat als de fijne structuur van de waterstoflijnen, waarmee wordt bedoeld dat de lijnen die met een sterk dispergerende spectroscoop worden waargenomen, worden opgedeeld in verschillende dicht bij elkaar liggende lijnen, op de volgende manier kan worden verklaard in overeenstemming met de theorie van Bohr. De verschillende stationaire banen voor de beweging van de elektronen – als we de binnenste buiten beschouwing laten, die de gewone baan is en de “baan van rust” wordt genoemd – kunnen niet alleen cirkelvormig zijn, maar ook elliptisch, met een hoofdas die gelijk is aan de diameter van de overeenkomstige cirkelbaan. Wanneer een elektron van een ellipsbaan overgaat naar een andere baan, is de verandering in de energie, en bijgevolg het aantal trillingen voor de overeenkomstige spectraallijnen, enigszins anders dan wanneer het van de overeenkomstige cirkelbaan naar de andere baan overgaat. Dientengevolge krijgen wij twee verschillende spectraallijnen, die niettemin zeer dicht bij elkaar liggen. Toch nemen we slechts een kleiner aantal lijnen waar dan we volgens deze opvatting zouden moeten verwachten.
De moeilijkheden die aldus aan het licht kwamen, heeft Bohr echter weten op te heffen door de invoering van het zogenaamde correspondentieprincipe, dat geheel nieuwe perspectieven van groot belang heeft geopend. Dit principe brengt de nieuwe theorie tot op zekere hoogte dichter bij de oude klassieke theorie. Volgens dit principe is een bepaald aantal overgangen onmogelijk. Het principe in kwestie is van groot belang voor de bepaling van de elektronensporen die mogelijk zijn binnen atomen die zwaarder zijn dan het waterstofatoom. De kernlading van het heliumatoom is tweemaal zo groot als die van het waterstofatoom: in neutrale toestand is het omringd door twee elektronen. Het is het lichtste atoom na dat van waterstof. Het komt voor in twee verschillende modificaties: de ene heet parhelium, en is het meest stabiel, en de andere heet orthohelium – deze werden aanvankelijk verondersteld twee verschillende stoffen te zijn. Het principe van overeenkomst stelt dat de twee elektronen in parhelium in hun rustsporen langs twee cirkels lopen, die een hoek van 60° met elkaar vormen. In orthohelium daarentegen liggen de sporen van de twee elektronen in hetzelfde vlak, waarbij de ene cirkelvormig is, terwijl de andere elliptisch is. Het volgende element met een atoomgewicht dat in grootte gelijk is aan dat van helium is lithium, met drie elektronen in een neutrale toestand. Volgens het correspondentieprincipe liggen de sporen van de twee binnenste elektronen op dezelfde manier als de sporen van de twee elektronen in parhelium, terwijl het spoor van de derde elliptisch is en van veel grotere afmetingen dan de binnenste sporen.
Op soortgelijke wijze is Bohr in staat, met behulp van het correspondentieprincipe, op de belangrijkste punten de situatie van de verschillende sporen van elektronen in andere atomen vast te stellen. Het is van de posities van de buitenste elektronensporen dat de chemische eigenschappen van de atomen afhangen, en het is op deze grond dat hun chemische valentie gedeeltelijk is bepaald. We mogen de beste hoop koesteren voor de toekomstige ontwikkeling van dit grote werk.
Professor Bohr. U hebt de problemen die zich voordeden aan onderzoekers van spectra tot een succesvolle oplossing gebracht. Daarbij hebt u gebruik moeten maken van theoretische ideeën die wezenlijk afwijken van die welke zijn gebaseerd op de klassieke leerstellingen van Maxwell. Uw grote succes heeft aangetoond dat u de juiste wegen naar fundamentele waarheden hebt gevonden, en daarbij hebt u beginselen vastgelegd die tot de prachtigste vorderingen hebben geleid, en overvloedige vruchten beloven voor het werk van de toekomst. Moge het u gegund zijn het brede werkterrein dat u voor de wetenschap hebt ontsloten nog lange tijd te cultiveren ten bate van het onderzoek.1453