Ключ к пониманию проблемы стабильности атомов и природы линейчатых спектров был найден лишь с открытием универсального кванта действия, к которому пришёл в начале нашего века Планк в результате искусного анализа явлений теплового излучения. Как известно, спустя несколько лет вслед за этим Эйнштейн указал, что формула Планка E=nh, представляющая возможные значения энергии гармонического осциллятора с частотой колебаний , позволяет не только объяснить наблюдавшиеся при низких температурах аномалии в поведении теплоемкости различных веществ, но что характерные особенности атомного фотоэффекта также требуют представления о том, что излучение и поглощение света с частотой =c происходит в виде так называемых световых квантов или фотонов с энергией h. Хотя более глубокий анализ этих явлений в рамках привычных представлений был невозможен, как это было особенно ясно видно из связанной с понятием фотона дилеммы о структуре излучения, было очевидно, что здесь мы имеем дело с существенными особенностями атомных процессов в целом, особенностями, совершенно чуждыми представлениям классической физики.
На этой основе сама собой напрашивалась идея о том, что при любом изменении энергии атома мы сталкиваемся с процессом перехода между двумя стационарными квантовыми состояниями и что любое излучение, участвующее в таком процессе перехода, проявляется в форме фотона. В самом деле, так называемые квантовые постулаты сразу же позволяли дать интерпретацию комбинационного принципа, отождествив численные значения каждого спектрального терма, умноженные на hc, с энергией возможного стационарного состояния атома. Более того, было указано решение казавшейся загадочной случайной природы явлений избирательного поглощения и излучения света атомами. При обычных условиях атом находится в своем нормальном состоянии с наименьшей энергией, соответствующей наибольшему значению спектрального терма, величина которого задавалась пределом главной серии. Понятно поэтому, что в процессе избирательного поглощения проявляется только эта серия, в частности, в пределе наступает поглощение в непрерывном спектре, которое, очевидно, соответствует удалению электрона из атома. Вскоре эти выводы были непосредственно подтверждены знаменитыми опытами Франка и Герца по возбуждению спектральных линий электронными соударениями. Эксперименты показали, что любой возможный обмен энергией между электроном и атомом соответствует переходу атома из нормального состояния в более высокое стационарное состояние и что минимальная энергия, необходимая для ионизации атома, как раз равна умноженному на hc значению волнового числа, соответствующего пределу главной серии.
Вспоминая оживлённые дискуссии тех лет, быть может, интересно рассказать о беседе между Эйнштейном и Хевеши, которым я, как один из учеников Резерфорда, в то время сообщал о новых взглядах и перспективах. Когда Эйнштейна спросили о его отношении к этим идеям, он ответил, что они не абсолютно чужды его образу мыслей, но добавил в шутку, что он чувствует, что, если бы они были восприняты всерьёз, это означало бы конец физики. Оглядываясь назад, можно признать это высказывание справедливым. В самом деле, нам ведь пришлось пересмотреть все наши представления о том, что следует понимать под физическим объяснением. Между тем оказалось возможным шаг за шагом в ещё большей степени использовать спектроскопические данные для расширения наших знаний о строении атома. Достижение этой цели, как мы знаем, потребовало развития соответствующего математического аппарата, существенно отличавшегося от аппарата классической физики. Но для начала следовало подойти к решению проблем, попытавшись использовать более простые методы. Руководящим принципом при этом оказался в первую очередь так называемый принцип соответствия, который характеризовала попытка применить к рассмотрению всех явлений обычные физические представления, не вступая непосредственно в противоречие с квантовым постулатом.
Первым шагом было установление формулы
R
=
22e4m
ch3
,
(8)
выражающей постоянную Ридберга через массу m и заряд e электрона и фундаментальные константы c и h. В самом деле, можно было показать, что это соотношение является необходимым условием того, чтобы частоты линий спектра атома водорода асимптотически стремились к некоторым пределам, как и частоты вращения электрона по кеплеровским орбитам вокруг тяжёлого ядра с единичным зарядом. Подобные представления одновременно давали простое объяснение появления постоянной Ридберга в описании спектров других элементов, если принять, что рассматриваемые серии возникают в результате перехода между стационарными состояниями, в которых один из атомных электронов связан с ядром менее сильно, чем другие, и что поэтому силы, оказываемые на него со стороны ионного остова, по крайней мере на больших расстояниях имеют очень большое сходство с силами, действующими на электрон в атоме водорода.