Продолжавшиеся в последующие годы спектроскопические исследования позволили определить многочисленные спектры атомов, у которых был удалён не только один, а даже несколько электронов. В частности, широко известные исследования Боуэна показали, что источники спектров туманностей, обнаруженных Никольсоном, следует искать не в новых гипотетических элементах, а в атомах кислорода и азота, находящихся в высокоионизированном состоянии. В конце концов, некоторые перспективы открылись при анализе процесса, при котором электроны последовательно связываются с ядром; этот анализ проводился для определения связи каждого электрона в основном состоянии Резерфордовского атома. В 1913 г., естественно, экспериментальные данные были ещё слишком скудны, а теоретические методы классификации стационарных состояний были ещё недостаточно развиты, чтобы решить до конца столь сложную задачу.

IV

Тем временем постепенно продвигалась моя деятельность, касающаяся электронного строения атома, и вскоре я снова обратился к Резерфорду за помощью и советом. Так, в июне 1913 г. я оказался в Манчестере со второй статьей, в которой помимо продолжения дискуссии о законе радиоактивного смещения и происхождении излучения Баркла содержалось исследование основных состояний атомов, содержащих по нескольку электронов. Что касается последней проблемы, то я пытался расположить электронные орбиты по замкнутым кольцам, подобно тому как впервые это сделал несколько раньше Дж. Дж. Томсон, когда он строил оболочки, пытаясь объяснить характерные периодические свойства менделеевской таблицы элементов на основе своей модели атома.

В резерфордовской лаборатории в этот раз я повстречался с Хевеши и Панетом, которые рассказали мне об успехе первых систематических исследованиях растворимости сульфида свинца и сульфида хрома методом трассирующего состава (меченых атомов); эти исследования они совместно провели в Вене в начале 1913 г. Повторяющиеся посещения Манчестера всегда были вдохновляющими для меня во всех отношениях и давали благоприятную возможность быть на уровне всей деятельности лаборатории. В это самое время Резерфорд совместно с Робинзоном усиленно занимался анализом спектров β-излучения, а вместе с Андраде исследовал спектр γ-лучей. Кроме того, Дарвин и Мозли чрезвычайно интенсивно проводили очень тонкие теоретические и экспериментальные исследования по дифракции рентгеновских лучей в кристаллах.

Вскоре я вновь получил возможность увидеть Резерфорда на заседании Британской Ассоциации содействия прогрессу в науке, которое состоялось в сентябре 1913 г. в Бирмингаме. На этом заседании, па котором присутствовала мадам Кюри, имела место, в частности, общая дискуссия по вопросам излучения с участием таких известных авторитетов, как Рэлей, Лармор, Лоренц; следует в особенности отметить Джинса, который сделал вводное сообщение, посвящённое приложению квантовой теории к проблеме строения атома. Его ясное изложение фактически было первым проявлением серьёзного интереса со стороны физической общественности к рассмотрению тех проблем, которые за пределами манчестерской группы были встречены в общем весьма скептически.

Один инцидент сильно позабавил Резерфорда и всех нас. Сэр Джозеф Лармор торжественно предложил лорду Рэлею высказаться по поводу последних идей. Немедленный ответ заслуженного ветерана, который в свои молодые годы так много сделал для разъяснения проблем излучения, прозвучал так: «Когда я был молод, я неукоснительно исповедывал некоторые принципы, согласно одному из которых человек, переваливший за шестьдесят, не должен высказываться по поводу новых идей. Хотя я должен признаться в том, что я теперь придерживаюсь его не столь строго, однако всё же в достаточной степени для того, чтобы не принимать участия в этой дискуссии!»

Во время моего посещения Манчестера в июне я обменивался мнениями с Дарвином и Мозли по вопросу о том, что правильное последовательное расположение элементов должно происходить согласно их атомному номеру, и впервые услышал тогда от Мозли, что он намерен выяснить этот вопрос систематическими измерениями высокочастотных спектров элементов методом Лауэ—Брэгга. Поразительная энергия Мозли и его редкий дар ставить эксперименты с ясно поставленной целью обусловили удивительно быстрое продвижение его работ; уже в ноябре 1913 г. я получил от него очень интересное письмо с описанием важнейших результатов и несколькими вопросами, касающимися их интерпретации на основе соображений, которые оправдались в применении к оптическим спектрам.

В истории современной физики и химии лишь немногие события с самого начала вызывали всеобщий интерес, как это случилось с Мозли, когда он открыл простой закон, позволяющий однозначно приписать атомный номер любому элементу на основании его высокочастотного спектра. Этот закон сразу же дал не только убедительное свидетельство в пользу атомной модели Резерфорда, но вместе с тем обнаружил потрясающую интуицию Менделеева, который в определённых местах своей таблицы отошёл от правильной последовательности возрастания атомных весов. В частности, сразу было очевидно, что закон Мозли является безошибочным ориентиром при поисках ещё не открытых элементов, соответствующих вакантным местам в последовательности атомных номеров.

Что касается проблемы электронной конфигурации атома, то и для неё работа Мозли послужила началом существенного прогресса. Конечно, преобладание во внутренних частях атома притяжения, обусловленного ядром и действующим на отдельные электроны, над их взаимным отталкиванием даёт основу для понимания бросающегося в глаза сходства между спектром Мозли и ожидаемым спектром системы, состоящей из отдельного электрона, связанного с «голым» ядром. Более подробное сравнение даёт новую информацию, касающуюся оболочечной структуры электронного строения атомов.

Существенный вклад в эту проблему был сделан вскоре после этого Косселем, который, рассматривая механизм возникновения излучения Баркла 𝐾-, 𝐿- и 𝑀-типов, указал на процесс удаления электрона из какого-либо кольца или оболочки, последовательно окружающих ядро. В частности, он приписал 𝐾_α- и 𝐾_β- компоненты спектра Мозли отдельным процессам перехода, в которых электрон, недостающий в 𝐾-оболочке, замещается одним из электронов, ранее находившихся в 𝐿- и 𝑀-оболочках соответственно. На этом пути Коссель смог проследить дальнейшие связи между различными спектральными частотами, измеренными Мозли; эти связи позволили ему представить полный высокочастотный спектр элемента в виде комбинационной схемы, в которой произведение любого из термов на постоянную Планка может быть приравнено энергии, необходимой для удаления электрона из какой-либо оболочки атома на такое расстояние от ядра, когда он находится уже за пределами любой из оболочек.

Кроме того, идеи Косселя позволяли объяснить тот факт, что поглощение проникающего излучения по мере возрастания длины волны практически начинается на краю поглощения, соответствующего полному удалению электрона из какой-либо оболочки за один прием. Отсутствие промежуточных возбуждённых состояний было отнесено за счёт того, что в основном состоянии атома все оболочки полностью заполнены. Как это хорошо известно, указанная точка зрения в конце концов нашла свое окончательное выражение в 1924 г., когда Паули сформулировал общий принцип исключения для электронов в связанных состояниях; формулировка Паули была навеяна выводами Стонера, касающимися тонких деталей структуры оболочек в атоме Резерфорда, полученными из анализа закономерностей оптического спектра.

V

Осенью 1913 г. новый переполох среди физиков был вызван открытием Штарка, обнаружившего неожиданно сильное действие электрического поля на структуру линий водородного спектра. Всегда очень внимательный ко всем достижениям физики, Резерфорд, получив от Прусской академии статью Штарка, немедленно написал мне: «Я думаю, что в настоящее время скорее всего Вам следует написать что-нибудь по поводу эффекта Зеемана и действия электрического поля, если эти эффекты возможно согласовать с Вашей теорией». Откликнувшись на призыв Резерфорда, я попытался разобраться в сути вопроса и мне вскоре стало ясно, что, рассматривая действие электрического и магнитного полей, мы по существу имеем дело с двумя совершенно различными проблемами.