Tal av professor S.A. Arrhenius, ordförande i Kungliga Vetenskapsakademiens Nobelkommitté för fysik, den 10 december 1922
Herre majestät, Ers kungliga högheter, mina damer och herrar.
Ända sedan Kirchhoff och Bunsen (1860) introducerade spektralanalysen, har detta ytterst viktiga hjälpmedel för undersökningar gett de finaste resultaten. Till att börja med samlades material in och spektrum undersöktes inte bara från jordiska objekt utan även från himlakroppar. Det blev en strålande skörd. Sedan kom det andra steget i forskningen. Man försökte hitta regelbundenheter i spektrernas struktur. Till att börja med var det naturligt att försöka jämföra de olika spektrallinjer som avges av en glödande gas med de olika toner som kan produceras av en vibrerande fast substans. De vibrerande kropparna i en glödande gas skulle i så fall vara dess atomer och molekyler. Men det gick inte att göra några större framsteg på detta spår. Man var tvungen att falla tillbaka på en annan metod, nämligen att genom beräkning försöka fastställa sambandet mellan de olika vibrationer som skulle kunna avges av en gas. Vätgas borde vara den enklaste av alla gaser. Schweizaren Balmer hittade 1885 en enkel formel för det nämnda sambandet mellan linjerna i väte som man då kände till. Därefter följde ett stort antal forskare, såsom Kayser och Runge, Ritz, Deslandres och särskilt vår landsman Rydberg, som sökte efter liknande regelbundenheter i de andra kemiska grundämnenas spektrum. Rydberg lyckades representera deras ljusvibrationer med hjälp av formler som uppvisade en viss likhet med Balmers formel. Dessa formler innehåller en konstant som senare har fått extremt stor betydelse och som har registrerats bland fysikens universella och grundläggande värden under namnet Rydbergkonstanten.
Om det nu vore möjligt att få en uppfattning om atomens struktur skulle detta naturligtvis utgöra en bra utgångspunkt för att skapa en föreställning om de möjliga ljusvibrationer som kan sändas ut av en väteatom. Rutherford, som i så utomordentligt hög grad har utvunnit atomernas hemligheter, hade konstruerat sådana ”atommodeller”. Enligt hans föreställning skulle väteatomen bestå av en positiv kärna, med en enhetsladdning, med extremt små dimensioner, och runt denna skulle en negativt laddad elektron beskriva en omloppsbana. Eftersom troligen endast elektriska krafter verkar mellan kärnan och elektronen, och eftersom dessa elektriska krafter följer samma lag som gravitationens dragningskraft mellan två massor, bör elektronens bana vara elliptisk eller cirkulär, och kärnan bör befinna sig antingen i ett av ellipsens brännpunkter eller i cirkelns centrum. Kärnan skulle kunna jämföras med solen och elektronen med en planet. I enlighet med Maxwells klassiska teori skulle därför dessa omloppsrörelser avge strålar och följaktligen orsaka en energiförlust, och elektronen skulle beskriva allt mindre spår med en minskande omloppsperiod och slutligen rusa in mot den positiva kärnan. Spåret skulle alltså vara en spiral, och de utsända ljusstrålarna, som kräver en stadigt minskande vibrationsperiod, skulle motsvara ett kontinuerligt spektrum, vilket naturligtvis är karakteristiskt för en glödande fast eller flytande kropp, men inte alls för en glödande gas. Följaktligen måste antingen atommodellen vara felaktig eller så måste Maxwells klassiska teori vara felaktig i detta fall. Tio år eller så tidigare skulle det inte ha funnits någon tvekan i valet mellan dessa alternativ, men atommodellen skulle ha förklarats vara olämplig. Men 1913, när Bohr började arbeta med detta problem, hade den store fysikern Planck i Berlin spårat upp sin strålningslag, som endast kunde förklaras utifrån antagandet, som stod i strid med alla tidigare föreställningar, att värmeenergin avges i form av ”kvanta”, det vill säga små portioner värme, på samma sätt som materien består av små portioner, det vill säga atomerna. Med hjälp av detta antagande lyckades Planck, helt i enlighet med erfarenheten, beräkna energifördelningen i strålningen från en hypotetiskt helt svart kropp. Därefter (1905 och 1907) hade Einstein fulländat kvantteorin och härlett flera lagar ur den, såsom minskningen av den specifika värmen hos fasta kroppar med sjunkande temperatur och den fotoelektriska effekten, för vilken upptäckt han i dag har tilldelats Nobelpriset.
Följaktligen behövde Bohr inte tveka i sitt val: han utgick från att Maxwells teori inte håller i det aktuella fallet, men att Rutherfords atommodell är korrekt. Elektronerna avger alltså inte ljus när de rör sig i sina spår runt den positiva kärnan, spår som vi börjar med att anta att de är cirkulära. Ljuset skulle avges när elektronen hoppar från ett spår till ett annat. Den energimängd som på så sätt avges är ett kvantum. Eftersom energikvantet enligt Planck är produkten av antalet ljusvibrationer med den planckska konstanten, som betecknas med bokstaven h, är det möjligt att beräkna det antal vibrationer som motsvarar en viss övergång från en bana till en annan. Den regelbundenhet som Balmer fann för vätgasspektrumet kräver att radierna för de olika banorna är proportionella mot kvadraterna av de hela talen, det vill säga som 1 till 4 till 9 och så vidare. Och Bohr lyckades faktiskt i sin första avhandling om denna fråga beräkna Rydbergkonstanten utifrån andra kända storheter, nämligen vikten av en väteatom, den planckska konstanten och värdet av den elektriska laddningsenheten. Skillnaden mellan det genom observation funna värdet och det beräknade värdet av Rydbergkonstanten uppgick till endast 1 procent, och denna skillnad har minskat genom nyare mätningar.
Denna omständighet väckte genast den vetenskapliga världens beundrande uppmärksamhet på Bohrs arbete och gjorde det möjligt att förutse att han i stor utsträckning skulle lösa det problem som låg framför honom. Sommerfeld visade att det som kallas vätgaslinjernas finstruktur, med vilket menas att de linjer som observeras med ett starkt dispergerande spektroskop är uppdelade i flera tätt intilliggande linjer, kan förklaras i enlighet med Bohrs teori på följande sätt. De olika stationära banorna för elektronernas rörelse – om vi bortser från den innersta, som är den vanliga och kallas ”vilobana” – kan vara inte bara cirkulära utan även elliptiska, med en huvudaxel som är lika stor som diametern på motsvarande cirkulära bana. När en elektron passerar från en elliptisk bana till en annan bana är förändringen av energin, och följaktligen antalet vibrationer för de motsvarande spektrallinjerna, något annorlunda än vad den är när den passerar från den motsvarande cirkulära banan till den andra banan. Följaktligen får vi två olika spektrallinjer som ändå ligger mycket nära varandra. Ändå observerar vi bara ett mindre antal linjer än vad vi borde förvänta oss enligt denna syn på saker och ting.
De svårigheter som på detta sätt avslöjades lyckades Bohr emellertid undanröja genom att införa den så kallade korrespondensprincipen, som öppnade helt nya perspektiv av stor betydelse. Denna princip för i viss mån den nya teorin närmare den gamla klassiska teorin. Enligt denna princip är ett visst antal övergångar omöjliga. Principen i fråga är av stor betydelse när det gäller att fastställa vilka spår av elektroner som är möjliga inom atomer som är tyngre än väteatomen. Heliumatomens kärnladdning är dubbelt så stor som väteatomens: i neutralt tillstånd omges den av två elektroner. Det är den lättaste atomen efter väteatomen. Den förekommer i två olika varianter: den ena kallas parhelium och är den stabilare, och den andra kallas orthohelium – dessa antogs först vara två olika ämnen. Korrespondensprincipen säger att de två elektronerna i parhelium i sina vilospår löper längs två cirklar som bildar en vinkel på 60° med varandra. I ortohelium däremot ligger de två elektronernas spår i samma plan, där den ena är cirkulär, medan den andra är elliptisk. Det följande grundämnet med en atomvikt som ligger närmast efter helium är litium, med tre elektroner i neutralt tillstånd. Enligt korrespondensprincipen ligger spåren av de två innersta elektronerna på samma sätt som spåren av de två elektronerna i parhelium, medan spåret av den tredje är elliptiskt och har mycket större dimensioner än de inre spåren.
På ett liknande sätt kan Bohr med hjälp av korrespondensprincipen på de viktigaste punkterna fastställa läget för de olika spåren av elektroner i andra atomer. Det är av de yttersta elektronspårens positioner som atomernas kemiska egenskaper beror, och det är på denna grund som deras kemiska valör delvis har kunnat bestämmas. Vi kan hysa de bästa förhoppningar om den framtida utvecklingen av detta stora arbete.
Professor Bohr. Ni har framgångsrikt genomfört de problem som har presenterat sig för spektralforskare. Därvid har ni tvingats använda er av teoretiska idéer som väsentligt avviker från dem som bygger på Maxwells klassiska doktriner. Er stora framgång har visat att ni har hittat de rätta vägarna till grundläggande sanningar, och därigenom har ni fastställt principer som har lett till de mest fantastiska framsteg och som lovar riklig frukt för framtidens arbete. Måtte det bli er beviljat att under ännu lång tid framöver, till forskningens fördel, odla det breda arbetsfält som ni har öppnat upp för vetenskapen.