Mowa prezentacyjna profesora S.A. Arrheniusa, przewodniczącego Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk, 10 grudnia 1922 roku
Wasza Królewska Mość, Panie i Panowie.
Od czasu, gdy Kirchhoff i Bunsen (1860) wprowadzili analizę widmową, ta niezwykle ważna pomoc w badaniach przyniosła najlepsze rezultaty. Na początku zbierano materiały i badano widma nie tylko obiektów ziemskich, ale także ciał niebieskich. Były to wspaniałe zbiory. Potem nastąpił drugi etap badań. Starano się znaleźć prawidłowości w strukturze widm. Na początek naturalna była próba porównania różnych linii widmowych, które są emitowane przez świecący gaz, z różnymi nutami, które mogłyby być wytwarzane przez drgające ciało stałe. Wibrującymi ciałami w świecącym gazie byłyby w tym przypadku jego atomy i molekuły. Ale na tej drodze nie można było zrobić wielkiego postępu. Trzeba było wrócić do innej metody, a mianowicie do próby obliczenia związku między różnymi wibracjami, jakie może emitować gaz. Wodór powinien być najprostszym ze wszystkich gazów. Szwajcar Balmer w 1885 roku znalazł prostą formułę dla wspomnianego połączenia między liniami wodoru, jakie wówczas znano. Następnie duża liczba badaczy, takich jak Kayser i Runge, Ritz, Deslandres, a zwłaszcza nasz rodak Rydberg, którzy szukali podobnych prawidłowości w widmach innych pierwiastków chemicznych. Rydbergowi udało się przedstawić ich lekkie wibracje za pomocą wzorów, które wykazywały pewne podobieństwo do wzoru Balmera. Wzory te zawierają stałą, która później nabrała ogromnego znaczenia i została zapisana wśród uniwersalnych i fundamentalnych wartości fizyki pod nazwą stałej Rydberga.
Teraz, gdyby możliwe było uzyskanie pojęcia o strukturze atomu, oczywiście, stanowiłoby to dobry punkt wyjścia do stworzenia koncepcji możliwych drgań świetlnych, które mogą być emitowane przez atom wodoru. Rutherford, który w tak niezwykłym stopniu wydobył z atomów ich tajemnice, skonstruował takie „modele atomu”. Zgodnie z jego koncepcj±, atom wodoru powinien składać się z dodatniego j±dra o jednostkowym ładunku, o niezwykle małych wymiarach, a wokół niego ujemnie naładowany elektron powinien opisywać orbitę. Ponieważ pomiędzy jądrem a elektronem działają prawdopodobnie tylko siły elektryczne i siły te podlegają temu samemu prawu, co przyciąganie grawitacyjne pomiędzy dwoma masami, droga elektronu powinna być eliptyczna lub kołowa, a jądro powinno znajdować się albo w jednym z ognisk elipsy, albo w środku koła. J±dro można by porównać do słońca, a elektron do planety. Zgodnie więc z klasyczną teorią Maxwella, te ruchy orbitalne powinny emitować promienie i w konsekwencji powodować straty energii, a elektron opisywałby coraz mniejsze tory o malejącym okresie obrotu i w końcu pędziłby w kierunku dodatniego jądra. Tak więc tor byłby spiralny, a emitowane promienie ¶wiatła, wymagaj±ce stale malej±cego okresu drgań, odpowiadałyby widmu ci±głemu, co oczywi¶cie jest charakterystyczne dla ¶wiec±cego ciała stałego lub ciekłego, ale zupełnie nie dla ¶wiec±cego gazu. W związku z tym albo model atomu musi być fałszywy, albo klasyczna teoria Maxwella musi być w tym przypadku błędna. Dziesięć lat lub więcej wcześniej nie byłoby żadnych wątpliwości co do wyboru pomiędzy tymi alternatywami, ale model atomu zostałby uznany za niemożliwy do zastosowania. Jednak w roku 1913, kiedy Bohr zaczął zajmować się tym problemem, wielki fizyk Planck z Berlina opracował swoje prawo promieniowania, które można było wyjaśnić tylko przy założeniu, sprzecznym ze wszystkimi wcześniejszymi poglądami, że energia ciepła jest oddawana w postaci „kwantów”, czyli małych porcji ciepła, tak jak materia składa się z małych porcji, czyli atomów. Przy pomocy tego założenia Planckowi udało się, w całkowitej zgodzie z doświadczeniem, obliczyć rozkład energii w promieniowaniu hipotetycznie całkowicie czarnego ciała. Następnie (w latach 1905 i 1907) Einstein udoskonalił teorię kwantową i wyprowadził z niej kilka praw, takich jak zmniejszanie się ciepła właściwego ciał stałych wraz ze spadkiem temperatury oraz efekt fotoelektryczny, za którego odkrycie otrzymał dziś Nagrodę Nobla.
W związku z tym, Bohr nie musiał się wahać w swoim wyborze: założył, że teoria Maxwella nie ma racji bytu w tym przypadku, ale że model atomu Rutherforda jest poprawny. Tak więc elektrony nie emituj± ¶wiatła, gdy poruszaj± się po swoich torach wokół dodatniego j±dra, torach, które na pocz±tku zakładamy jako kołowe. Emisja światła miałaby miejsce, gdyby elektron przeskakiwał z jednego toru na drugi. Ilość energii, która jest w ten sposób wypromieniowywana jest kwantem. Ponieważ według Plancka kwant energii jest iloczynem liczby drgań światła i stałej Plancka, oznaczanej literą h, można obliczyć liczbę drgań, jaka odpowiada danemu przejściu z jednej orbity na drugą. Regularność, jaką Balmer znalazł dla widma wodoru, wymaga, by promienie różnych orbit były proporcjonalne do kwadratów liczb całkowitych, czyli jak 1 do 4 do 9 itd. I rzeczywiście Bohr zdołał, w swojej pierwszej rozprawie na ten temat, obliczyć stałą Rydberga z innych znanych wielkości, a mianowicie masy atomu wodoru, stałej Plancka i wartości jednostki ładunku elektrycznego. Różnica pomiędzy wartością stwierdzoną przez obserwację a obliczoną wartością stałej Rydberga wynosiła tylko 1 procent; i została ona zmniejszona przez nowsze pomiary.
Ta okoliczność od razu przyciągnęła podziw świata naukowego do pracy Bohra i pozwoliła przewidzieć, że w dużym stopniu rozwiąże on stojący przed nim problem. Sommerfeld wykazał, że to, co znane jest jako drobna struktura linii wodoru, przez co rozumie się, że linie obserwowane w silnie rozproszonym spektroskopie dzielą się na kilka ściśle przylegających do siebie linii, można wyjaśnić zgodnie z teorią Bohra w następujący sposób. Różne stacjonarne tory ruchu elektronów – jeśli pominiemy ten najbardziej wewnętrzny, który jest zwykłym torem i nazywany jest „orbitą spoczynkową” – mogą być nie tylko kołowe, ale i eliptyczne, z osią główną równą średnicy odpowiadającej im orbity kołowej. Kiedy elektron przechodzi z orbity eliptycznej na inny tor, zmiana energii, a w konsekwencji liczby drgań dla odpowiadających mu linii widmowych, jest nieco inna niż w przypadku przejścia z odpowiadającej mu orbity kołowej na inny tor. W konsekwencji otrzymujemy dwie różne linie widmowe, które jednak leżą bardzo blisko siebie. A jednak obserwujemy tylko mniejszą liczbę linii, niż powinniśmy się spodziewać zgodnie z tym poglądem na rzeczy.
Ujawnione w ten sposób trudności udało się jednak Bohrowi usunąć przez wprowadzenie tego, co znane jest jako zasada korespondencji, która otworzyła zupełnie nowe perspektywy o wielkim znaczeniu. Zasada ta w pewnym stopniu zbliża nową teorię do starej teorii klasycznej. Zgodnie z tą zasadą, pewna liczba przejść jest niemożliwa. Zasada ta ma ogromne znaczenie w określeniu torów elektronów, jakie są możliwe w atomach cięższych od atomu wodoru. Ładunek jądrowy atomu helu jest dwukrotnie większy od ładunku atomu wodoru: w stanie obojętnym jest on otoczony przez dwa elektrony. Jest to najlżejszy atom obok atomu wodoru. Występuje w dwóch różnych modyfikacjach: jedna z nich nazywa się parhelium i jest bardziej stabilna, a druga ortohelium – początkowo sądzono, że są to dwie różne substancje. Zasada korespondencji mówi, że dwa elektrony w parhelium w swoich torach spoczynku biegną wzdłuż dwóch okręgów, które tworzą kąt 60° względem siebie. W ortohelu natomiast tory obu elektronów leżą w tej samej płaszczyźnie, przy czym jeden z nich jest kołowy, a drugi eliptyczny. Następnym pierwiastkiem o masie atomowej zbliżonej do helu jest lit, posiadający trzy elektrony w stanie obojętnym. Zgodnie z zasadą korespondencji, tory dwóch najbardziej wewnętrznych elektronów leżą tak samo jak tory dwóch elektronów w parhelu, podczas gdy tor trzeciego jest eliptyczny i ma znacznie większe wymiary niż tory wewnętrzne.
W podobny sposób Bohr jest w stanie, z pomocą zasady korespondencji, ustalić w najważniejszych punktach położenie różnych torów elektronów w innych atomach. To właśnie od położenia najbardziej zewnętrznych ścieżek elektronowych zależą właściwości chemiczne atomów i to właśnie na tej podstawie częściowo określono ich wartościowość chemiczną. Możemy żywić najlepsze nadzieje co do przyszłego rozwoju tej wielkiej pracy.
Profesor Bohr. Przeprowadziłeś do pomyślnego rozwiązania problemów, które przedstawiały się dla badaczy widm. Czyniąc to, został Pan zmuszony do wykorzystania koncepcji teoretycznych, które w znacznym stopniu odbiegają od tych, które opierają się na klasycznych doktrynach Maxwella. Twój wielki sukces pokazał, że znalazłeś właściwe drogi do podstawowych prawd, a czyniąc to, ustanowiłeś zasady, które doprowadziły do najwspanialszych postępów i obiecują obfite owoce dla pracy w przyszłości. Oby zostało wam udzielone prawo do kultywowania jeszcze przez długi czas, z korzyścią dla badań, szerokiego pola pracy, które otworzyliście dla nauki.