Вплоть до этого времени доминирующим вопросом всех дискуссий манчестерской группы был вопрос о непосредственных следствиях открытия атомного ядра. Общая программа интерпретации имеющихся экспериментальных данных, касающихся обычных физических и химических свойств вещества, на основе резерфордовской модели атома представляла собой значительно более сложную проблему, которая лишь постепенно прояснялась в последующие годы. Таким образом, в 1912 г. мог лишь ставиться вопрос о предварительной ориентации в общей ситуации.
С самого начала было очевидно, что если принять резерфордовскую модель атома, характерная устойчивость атомных систем никакими способами не может быть согласована с классическими принципами механики и электродинамики. Действительно, согласно механике Ньютона никакая статическая система точечных зарядов не может находиться в устойчивом равновесии, а любое движение электронов вокруг ядра — согласно электродинамике Максвелла — связано с диссипацией энергии через излучение; диссипация энергии в свою очередь ведёт к постоянному уменьшению размеров системы; в конце концов это приводит к тесному сближению ядра и электронов внутри области, размеры которой значительно меньше, чем размеры самого атома.
Однако такая ситуация не была слишком неожиданной. Существенная ограниченность классических теорий физики была уже в 1900 г. обнаружена Планком, когда им был открыт универсальный квант действия; это открытие, в особенности в работах Эйнштейна, нашло весьма перспективные приложения в теории теплоемкостей и фотохимических реакций. Поэтому совершенно независимо от новых экспериментальных данных, касающихся строения атома, существовало широко распространённое убеждение в том, что квантовые представления могут иметь решающее значение для всей проблемы атомного строения вещества.
Как я узнал позже, А. Гааз пытался на основе атомной модели Томсона определить пределы и периоды движения электронов с помощью соотношения Планка между энергией и частотой гармонического осциллятора. Далее, Дж. Никольсон в 1912 г. использовал квантованный момент импульса с целью найти причину появления некоторых линий звёздных туманностей и солнечной короны. Кроме того, заслуживает упоминания, что, следуя высказанным значительно ранее идеям Нернста относительно квантования вращения молекул, Н. Бьеррум уже в 1912 г. предсказал полосатую структуру инфракрасных линий поглощения в двухатомных газах. Тем самым был сделан первый шаг к детальному анализу молекулярных спектров, в конечном счёте завершённому на основе общего спектрального комбинационного закона, установленного квантовой теорией.
В самом начале моего пребывания в Манчестере весной 1912 г. я пришёл к убеждению, что электронное строение атома Резерфорда определяется с помощью кванта действия. В пользу этого взгляда говорило не только то, что соотношения Планка представлялись примерно правильными в применении к относительно слабо связанным электронам, определяющим химические и оптические свойства элементов, но особенно и то, что действие подобных соотношений может быть обнаружено у наиболее сильно связанных электронов в атоме; это было обнаружено на примере характеристического проникающего излучения, исследованного Баркла. Например, измерения энергии, необходимой, чтобы вызвать излучение, наблюдавшееся Баркла с помощью электронной бомбардировки у различных элементов (эти измерения были выполнены Уиддингтоном, когда я находился в Кембридже), обнаружили очень простые закономерности; эти закономерности следовало ожидать, если произвести оценку энергии наиболее сильно связанных электронов, вращающихся по планковским орбитам вокруг ядра, заряд которого определяется его атомным номером. Из недавно опубликованной Резерфордовской лекции Лоуренса Брэгга я с большим интересом узнал, что Уильям Брэгг, работавший тогда в Лидсе, в своих первых исследованиях рентгеновских лучей, основанных на открытии Лауэ 1912 г., полностью отдавал себе отчёт в значении результатов Уиддингтона для установления связи между излучением Баркла и расположением элементов в таблице Менделеева; эта проблема в результате работ Мозли в Манчестере вскоре получила исчерпывающую ясность.
В течение последнего месяца моего пребывания в Манчестере я был занят главным образом теоретическими исследованиями тормозящей силы (stopping power) вещества для α- и β-излучения. Эта проблема впервые рассматривалась Дж. Дж. Томсоном с точки зрения его собственной атомной модели, а затем к ней снова вернулся Дарвин, уже на основе модели Резерфорда. В связи с упоминавшимися выше представлениями, рассматривающими частоты, соответствующие связанным в атоме электронам, мне пришло в голову, что передача энергии от частиц к электронам может быть весьма просто рассмотрена по аналогии с дисперсией и поглощением излучения. На этом пути оказалось возможным интерпретировать результаты измерения тормозящей силы как дополнительное доказательство того, что водороду и гелию следует приписать атомные номера 1 и 2, в полном соответствии с общими химическими данными и в особенности с опытами Резерфорда и Ройда, доказывающими образование газообразного гелия из α-частиц; α-частицы выходили через тонкостенную трубку, содержащую эманацию, и собирались в другой трубке. Также и в более сложных случаях для тяжёлых веществ было обнаружено приблизительное согласие с ожидаемыми атомными номерами и полученными значениями для энергии связи электронов; однако теоретические методы были слишком примитивны, чтобы получить более точные результаты. Как это хорошо известно, соответствующее рассмотрение проблемы методами современной квантовой механики было впервые проведено Бете в 1930 г.
Хотя Резерфорд именно в это время был сильно занят подготовкой своей большой книги «Радиоактивные вещества и их излучение» («Radioactive Substances and Their Radiation»), он тем не менее с постоянным интересом следил за моей работой; это дало мне возможность узнать, как много заботы и внимания проявлял он к публикациям своих учеников. После моего возвращения в Данию летом 1912 г. я женился, и во время свадебного путешествия в августе в Англию и Шотландию мы с женой, проезжая через Манчестер, посетили Резерфорда; я передал ему законченную рукопись своей работы о тормозящей силе. Как Резерфорд, так и его жена приняли нас с большой теплотой; эта встреча положила начало тесной дружбе, которая в течение многих лет связывала наши семьи.
II
Обосновавшись в Копенгагене, я продолжал поддерживать постоянный контакт с Резерфордом; я регулярно сообщал ему о продолжении своих работ по исследованию общих проблем атома, начатых мною ещё в Манчестере. Очень характерными для ответов Резерфорда, которые всегда были весьма ободряющими, были непосредственность и увлечение, с которыми он рассказывал о работах своей лаборатории. Фактически это было начало длительной переписки, которая продолжалась свыше двадцати пяти лет; эта переписка каждый раз, когда я обращался к ней, вновь воскрешала в моей памяти энтузиазм Резерфорда к дальнейшему развитию области, которая была открыта его работами, и его сочувственный интерес, который возникал у него ко всякому, кто пытался внести свой вклад в эти исследования.
Мои письма к Резерфорду, написанные осенью 1912 г., посвящены продолжавшимся усилиям выяснить роль кванта действия в электронном строении атома Резерфорда, включая сюда проблему молекулярной связи, а также вопросы излучения и магнитные эффекты. Однако вопросы устойчивости, неизбежно возникающие при таких рассмотрениях, резко увеличивали трудности и вынуждали искать более надёжную основу для решения проблемы. После многочисленных попыток использовать квантовые идеи в более строгой форме ранней весной 1913 г. мне пришло в голову, что ключом к решению проблемы атомной устойчивости, непосредственно приложимым к атому Резерфорда, являются изумительно простые законы, определяющие оптический спектр элементов.
На основе чрезвычайно точных измерений длин волн спектральных линий Роулэндом и другими и после работ Бальмера и Шустера (предшественника Резерфорда в Манчестерском отделении) общие спектральные законы чрезвычайно остроумным способом были систематизированы Ридбергом. Основным результатом тщательного анализа видимой серии линейчатых спектров и их взаимоотношений было установление того факта, что частота ν каждой линии спектра данного элемента может быть представлена с необыкновенной точностью формулой ν=𝑇'-𝑇'', где 𝑇' и 𝑇'' — какие-то два члена из множества спектральных термов 𝑇, характеризующих элемент.
