关于原子核科学的奠基人和以他的工作为基础的若干发展的一些回忆
（1958年11月在伦敦物理学会的一次集会上的演讲，1961年完成增订稿。原载《物理学会会刊》（Proceedings
of Physical Society），78，1961。）
接受物理学会的邀请来在“卢瑟福纪念演讲”的序列中作出一点贡献，这对我来说是一种喜悦；多少年来，在这种演讲中，卢瑟福的很多最亲近的合作者曾经评述了他的基本科学成就，并且叙述了关于他的伟大人格的回忆。作为在很年轻时就有幸参加在卢瑟福的启示下进行工作的物理学家集体的一员，作为在连续许多年中如此受惠于他的温暖友情的一个人，我对于重提我最珍贵的某些回忆的任务是欢迎的。因为在单独一次演讲中不可能企图对恩耐斯特·卢瑟福的宏伟的、多方面的终生工作及其深远后果进行概括叙述，我将仅仅谈到我具有个人回忆的那些时期，以及我了解得最清楚的那些发展。
I
我初次得到瞻仰卢瑟福的风采和亲聆卢瑟福的谈吐的伟大经验，是在1911年的秋季；当时，经过在哥本哈根的大学学习之后，我正在剑桥和J．J．汤姆孙（J．J．Thomson）一起工作，而卢瑟福则从曼彻斯特来到剑桥，在开文迪什年度聚餐会上发表演说。虽然在此场合我并没有和卢瑟福发生个人接触，但我对他的性格上的魅力和魄力却得到了深刻的印象；不论在哪儿工作，卢瑟福都曾经通过他的性格完成了几乎难以置信的功绩。聚餐会是在最有风趣的气氛中进行的，它使卢瑟福的许多同道有机会重提当时已经和他的名字联系在一起的很多轶事。在关于他是如何沉浸在他的研究中的各种例证中间，据说有一个开文迪什实验室的助手曾经注意到这样一件事：在多少年来曾经在这一著名实验室中工作过的所有热心的青年物理学家当中，卢瑟福是最能够狠狠地咒骂他的仪器的一个人。
在卢瑟福自己的演说中，我特别记得他对他的老朋友C．T．R．威耳孙（C．T. R．Wilson）的最新成就表示祝贺时的那种热情；那时威耳孙刚刚用天才的云室方法得到了最初的几张。射线径迹的照片，这些照片表明，在通常是显然很直的径迹中，有几条径迹很清楚地有着突然的曲折。当然，卢瑟福是完全熟悉这一现象的；仅仅在几个月以前，这种现象才引导他得到了关于原子核的划时代的发现；但是他却承认，α射线生活史的这样的细节现在竟可以直接用我们的眼睛看到，这真是使他极端高兴的一个惊人事件。联系到这一点，卢瑟福非常赞赏地谈到，当他们在开文迪什协力工作时，威耳孙就已经用越来越精密的仪器坚持不懈地研究云雾的形成了。正如威耳孙后来告诉我的，他对这一优美现象的兴趣是早在年轻时代就已被唤醒了的，那时他曾经注意过，当气流升上苏格兰的山岭而后再下降到山谷中时，云雾就会出现而后又消失。
在开文迪什聚餐会的几个星期以后，我到曼彻斯特去拜访我逝世不久的父亲的一个同事，他也是卢瑟福的一个亲密朋友。在那里，我再次有机会见到卢瑟福，这期间他曾经参加了在布鲁塞尔召开的索耳威会议的开幕式，在那里他初次会晤了普朗克和爱因斯坦。在谈话中，卢瑟福用他所特有的热诚谈到物理科学中很多新的前景，他欣然同意了我的志愿：当我预计在1912年初春结束了在剑桥的学习以后，我将参加在他的实验室中工作的那一集体；在剑桥，我曾经对J．J．汤姆孙关于原子的电子构造的创见深感兴趣。
在那些日子里，很多来自不同国度的年轻物理学家，曾经在卢瑟福作为物理学家的才华和作为科学合作领导人的独一无二的天赋的吸引下，集合在他的周围。虽然卢瑟福总是非常忙于从事他自己的工作的进展，但是，当任何一个青年人觉得自己有了一种那怕是不很高明的想法时，他也总是很耐心地听下去。同时，他有着完全的独立态度，他对于权威很少有什么敬意，而且不能容忍他所谓的那种“夸夸其谈”。在这种场合下，他有时甚至可以用一种孩子气的方式谈到那些年高德劭的同道，但他从来不让自己卷入个人的争端中，而且他经常说：“能够败坏某人名誉的只有一个人，那就是他自己！”
很自然，沿每一方向追索发现原子核所将引起的后果，这就是整个曼彻斯特集体的兴趣中心。在我留在实验室中的头几个星期中，我按照卢瑟福的建议学习了一门关于研究放射性的实验方法的入门课程；这种课程是在盖革（Geiger）、马考沃（Makower）和马斯顿（Marsden）的有经验的教导下为大学生和新的访问者们开设的。但是，我的兴趣很快就转向了新原子模型的一般理论涵义，特别是这种模型所提供的一种可能性，即在物质的物理属性和化学属性中，有可能明确地区分起源于原子核本身的那些属性和主要依赖于受到原子核束缚的电子的分布的那些属性，各该束缚电子到原子核的距离是比原子核的线度大得多的。
尽管放射性蜕变的解释必须到原子核的内在结构中去找，但是，事情很明显，各元素的普通的物理特征和化学特征是表现着周围电子体系的属性的。甚至也已经弄清楚，由于原子核的质量很大而其体积则比整个原子的体积小得多，从而电子体系的结构也就几乎仅仅依赖于核的总电荷了。这种考虑立刻就揭示了一种前景：可以将每种元素的物理属性和化学属性的说明建筑在单独一个数上，这个数表示着作为电荷基元单位之倍数的核电荷，现在大家把它叫做原子序数。
在发展这样一些观点时，我通过和乔治·赫维斯讨论而受到了很大鼓励；在曼彻斯特集体中，他的化学知识是特别广博的。特别说来，早在1911年，他就想出了巧妙的示踪原子法；从那时起，这种示踪原子在化学研究和生物学研究中已经变成如此有力的工具了。正如赫维斯自己很幽默地描述过的，引导他得到这种方法的是一件繁重工作的负结果，这件工作是在卢瑟福的挑战下进行的；卢瑟福告诉他说，“如果他真有本领”，他应该助一臂之力，来从大量的氯化铅中分离出宝贵的镭D，这种氯化铅是从沥青铀矿中提取出来的，并且是由奥地利政府赠送给卢瑟福的。
在和赫维斯谈到在蒙得利耳（Moutreal）和曼彻斯特进行奇妙探险的那些年头时，我的观点取得了更加确切的形式；在那几年中，在贝克勒耳（Becquerel）和居里夫人（Madame
Curie）的发现之后，卢瑟福和他的合作者们通过逐步解决放射性蜕变的次序和相互联系而建立了关于放射性的科学。例如，当我听说已经鉴定下来的稳定元素和衰变元素的数目超过了著名的门捷列夫周期表中可以利用的位置数时，我一下子就想到，这些在化学上无法分离的物质具有相同的核电荷，其不同只在于核的质量和内在结构了；关于这种物质的存在，索迪（Soddy）早就提到过，后来他把这种物质命名为“同位素”。直接可以得到的结论是：和原子量的任何改变完全无关，元素将通过放射性衰变而在周期表中向下移两位或向上移一位，这分别对应于由α射线或β射线的发射而引起的核电荷的减少或增加。
当我找到卢瑟福去听听他对这些见解的反应时，他照例对任何有希望的简单性表示了敏锐的兴趣，但他以特有的慎重提出告诫说，不要过度强调原子模型的意义而从比较贫乏的实验资料进行外推。但是，或许从很多方面都有人提出过的这种观点，在当时的曼彻斯特集体中是曾经讨论得很热闹的，而且，特别是通过赫维斯的以及罗素（Russell）的化学研究，支持这种观点的证据也在迅速出现着了。
特别说来，关于原子序数确定着元素的一般物理属性的这种见解，曾经从罗素和洛西（Rossi）关于缓和处的混合物的光谱研究中得到了有力的支持；这种研究指示了这两种物质的光谱的等同性，尽管它们的放射性及原子量是不同的。依据对当时可用的全部资料的分析，罗素在1912年秋末对化学学会所作的一次演讲中，指出了各别放射过程和所引起的元素原子序数的改变之间的普遍关系。
在这方面很有趣的是，经过进一步的研究，特别是经过富来克（Fleck）的研究，完整形式的放射性位移定律在几个月以后就由在格拉斯哥工作的索迪提出了，同样也由在卡尔斯汝（Karlsruhe）的法扬斯（Fajans）提出了；这些作者并没认识到该定律和卢瑟福原子模型的基本特点之间的密切关系，而且法杨斯甚至认为，显然和原子的电子构造有关的化学属性的改变，是反驳认为。射线和
β射线全都起源于核的那种模型的有力证据。大约就在同时，阿姆斯特丹的范登布略克（Van den Broek）也独立地引入了原子序数的概念，但是，在他的元素分类中，对于每一种稳定的或放射性的物质仍然分别指定了不同的核电荷。
直到那时，在曼彻斯特集体内部，讨论的主要对象还是发现原子核所引起的直接后果。然而，要依据卢瑟福原子模型来解释积累起来的关于物质的普通物理属性和普通化学属性的经验，其一般程序却带来了更加烦难的问题，这些问题是要在后来几年中逐渐澄清的。因此，在1912年，问题只能是当时形势的一般面貌的初步了解而已。
从一开始就很明显，按照卢瑟福模型，原子体系的典型稳定性，是完全不能和经典的力学原理及电动力学原理相容的。事实上，根据牛顿力学，任何的点电荷系都不可能有稳定的静态平衡，而按照安克斯韦电动力学，电子绕核的任何运动又都会通过辐射而引起能量耗散，并伴随着体系的持续收缩，结果，原子核和电子就会结合到一个比原子尺寸小得多的区域中去了。
但是，这种形势并不是过于值得惊奇的，因为，对于经典物理学理论的一种根本性的限制，已由1900年的普朗克普适作用量子的发现揭示了出来；这种发现，特别是经过爱因斯坦的处理，已经在比热和光化反应的说明方面得到了如此有希望的应用。因此，完全独立于原子结构方面的新的实验资料，当时已经存在着一种广泛的期望，认为量子概念可能和物质的原子构造这一整个问题有着决定性的关系了。
例如，正如我后来得知的，A．哈斯（A．Haas）在1910年就曾经企图以汤姆孙的原子模型为基础，用能量和谐振子频率之间的普朗克关系式来确定电子运动的线度和周期。而且，在1912年，J．尼科耳孙（J‘Nicholson）在研究星云光谱和日冕光谱中某些谱线的起源时也曾应用了量子化的角动量。然而，最值得提到的是，遵循着能斯特（Nernst）关于分子的量子化转动的早期概念，N．别尔鲁姆（N．Bjerrum）在1912年已经预言了双原子气体中红外吸收谱线的带结构，而这样他就向着分子光谱的详尽分析迈出了第一步，这种分析是依据后来的量子理论对普遍的光谱并合定律的解释而最终完成的。
在1912年春天，在我停留于曼彻斯特的早期阶段，我已经确信卢瑟福原子的电子构造是彻头彻尾地由作用量子支配着的了。这种观点得到了不止一件事实的支持；这不但是普朗克关系式显得近似地适用于和元素的化学属性及光学属性有关的那些结合得较松的电子，而更重要的是关于原子内部结合得最紧的那些电子的类似关系也被追索过了。由巴克拉（Barkla）发现的特征穿透辐射，就显示着这种关系。例如，当我还在剑桥时，威丁顿（Whiddington）就测量了用电子轰击各种元素来产生巴克拉辐射时所需的能量，这种测量结果显示着一些简单的规律性，这正是依据对最紧密结合电子的结合能的估计所应预期的那种规律性，该电子是沿普朗克轨道绕核转动的，而核的电荷由原子序数来确定。根据最近发表的劳伦斯·布喇格（Lawrence
Bragg）的卢瑟福纪念演讲，我曾经很感兴趣地得知，当时正在黎兹（Leeds）的威廉·布喇格（William Bragg），在他那以劳厄（Lane）的
1912年的发现为基础的关于X射线谱的初次研究中，就已充分认识到威丁顿的结果同巴克拉辐射及门捷列夫周期表中的元素次序之间的联系很有关系了；这一问题通过莫斯莱（Moseley）在曼彻斯特的工作而很快地得到了非常完备的阐明。
在我停留在曼彻斯特的最后几个月中，我主要从事于物质对α射线及β射线的阻止本领的理论探讨。这一问题最初曾由J．J．汤姆孙依据他自己的原子模型的观点讨论过，而当时则刚刚由达尔文（Darwin）依据卢瑟福模型重新进行了检查。联系到上述那种关于原子中电子结合过程所涉及的频率的考虑，我觉得从射线粒子到电子的能量传递可以仿照辐射的色散和吸收来简单地加以处理。这样就证明，可以把关于阻止本领的测量结果，解释为对赋予氢和氦以原子序数1和2的那种作法的又一种支持；这种作法可以和一般的化学资料相容，特别是和卢瑟福及罗依兹（Royds）的演示相容；他们曾经演示，通过收集从薄壁射气管中逸出的α
粒子，可以形成氦气。对于较重物质的更复杂情况，也和预料的原子序数及电子结合能的估计值达成了近似的符合，但是，理论方法过于原始，以致不能得到更精确的结果。如所周知，利用现代量子力学方法对这一问题加以适当处理，是由H．贝提（H．Bethe）在1930年首次完成的。
虽然卢瑟福当时正在集中精力准备他的巨著《放射性物质及其辐射》，但他还是用持久的兴趣注意了我的工作；这使我得到一个机会知道，他对自己的学生所发表的东西一向是很关心的。在我回到丹麦以后，我在1912年仲夏结了婚，而且，在我们于八月间到英格兰和苏格兰作婚后旅行时，我的妻子和我路过曼彻斯特去拜访卢瑟福，并交出我关于阻止本领问题的论文的完成稿。卢瑟福和他的夫人很热诚地接待了我们，这种热情给多年以来联系着我们两家的亲密友谊打下了基础。
II
在哥本哈根安顿下来以后，我和卢瑟福保持了密切的接触，我定期地向他报告了我在曼彻斯特已经开始的关于一般原子问题的工作进展。卢瑟福的复信总是很鼓舞人的，这些复信的共同点就是当谈到他的实验室中的工作时的那种主动性和兴致勃勃。这事实上是历时25年的长期通信的开始；每当翻阅这些信件时，我都会重新想起卢瑟福对他所开辟的领域中的进步所抱的热诚，以及他对试图在该领域中有所贡献的任何人的努力所感到的热烈兴趣。
我在1912年秋季写给卢瑟福的那些信件，谈到了追寻作用量子在卢瑟福原子的电子结构中所起的作用的持续努力，其中也包括分子键合的问题和辐射效应及磁效应的问题。但是，稳定性问题在所有这些考虑中引起了纠缠不清的困难，这些困难刺激着我们去寻求更坚实的立脚点。然而，经过按更一致的方式来应用量子概念的各式各样的尝试以后，我在1913年的初春才认识到，直接适用于卢瑟福原子的稳定性问题的一个线索，是由支配着元素光谱的惊人简单的定律提供出来的。
在罗兰（Rowland）等人对谱线波长的极端精确的测量的基础上，在巴耳末（Balmer）的贡献和卢瑟福在曼彻斯特的前任教授舒斯特（Schuster）的贡献之后，普遍的光谱定律已由里德伯（Ryd－befg）最巧妙地搞清楚了。彻底分拆线光谱中的主要线系及其相互关系的主要结果，就在于认识到已知元素的光谱中每一谱线的频率。都可以无比精确地写成v=t'-T"，式中T'
和T"是作为元素之特征的许多谱项中的两项。
这一基本的并合定律显然木能有普通的力学解释，而且，可以很有兴趣地回想起，瑞利勋爵（Lord Rayleigh）在这方面曾经怎样恰当地强调过下述事实：一个机械模型的各个简正振动模式的频率之间的任何普遍关系，应该是各该频率的二次式而不是它们的一次式。对于卢瑟福原子来说，我们甚至不能期望有什么线光谱，因为，按照普通的电动力学，伴随着电子运动的辐射，其频率应该随着能量的发射而连续变化。因此，很自然地可以试图将光谱的解释直接建筑在并合定律的基础上。
事实上，接受了爱因斯坦关于能量为hv（h是普朗克恒量）的光量子或光子的概念，人们不免就要假设，原子对辐射的每一发射或吸收，都是由一个能量传递h（T'－T"）所伴随的一次个体过程，并将hT解释为原子的某种稳定状态中或所谓定态中的电子结合能。特别说来，这一假设给线系谱中各发射谱线及吸收谱线的表现奇特性提供了直截了当的解释。例如，在发射过程中，我们看到的是原子从高能级到低能级的跃迁，而在吸收过程中，我们遇到的则一般是原子从具有最低能量的基态到它的一个受激态的跃迁。
在氢光谱这一最简单的情况中，各谱项可以很精确地表为Tn=R／n2，式中n是一个整数而R是里德伯恒量。这样，上述解释就导致氢原子中电子结合能的一系列递减的值；这指示着一种跨步式的过程；通过这种过程，原来离核很远的电子将通过辐射跃迁而进入用越来越低的n值表征着的结合得越来越牢固的定态，直到达到了用n=1来标志的基态为止。此外，将这一定态的结合能和沿着开普勒（KePler）轨道绕核运动的电子的能量相比较，所得到的轨道线度是和由气体属性推得的原子线度具有相同数量级的。
在卢瑟福原子模型的基础上，这一观点也直截了当地为里德伯恒量在其他元素的更复杂光谱中的出现提示了解释。例如，我们得到结论，这儿遇到一些涉及原子受激态的跃迁过程；在这种受激态中，有一个电子被弄到结合在核周围的其他电子所占的区域以外去了，因此这个电子就受到和单位电荷周围的力场相似的一个力场的作用。
探索卢瑟福原子模型和光谱资料之间的更密切的关系，很明显地带来了一些烦难问题。一方面，电子和原子核的电行及质量的定义本身，是完全建筑在依据经典力学原理和经典电动力学原理对物理现象进行分析的基础上。另一方面，认为原子内能的任何改变都是二定态间的完全的跃迁，这种所谓量子公设就排除了按照经典原理来说明辐射过程或说明涉及原子稳定性的任何其他反应的可能性。
正如我们今天所知道的，这种问题的解决要求发展一种数学表述形式，其恰当诠释蕴涵了对无歧义地应用基本物理概念的基础的根本修正，蕴涵了对于在不同实验条件下观察到的各种现象之间的互补关系的认识。但是，在当时，仍可利用经典物理图景来在定态的分类方面取得某种进步，这种分类是以关于谐振子能态的普朗克原始假设为基础的。特别说来，更仔细地比较频率已定的振子和电子以依赖于结合能的公转频率而绕核进行的开普勒运动，就能得到一个分类的出发点。
事实上，正如在诸振子情况下一样，简单的计算表明，对于氢原子的每一定态来说，可以令在电子的一个轨道周期中求出的作用量积分等于nh，这一条件在圆形轨道的情况下和角动量以h／2π。为单位的量子化相等效。这种相等关系使我们可以用电子电荷e、电子质量m和普朗克恒量将里德伯恒量表示出来，所遵循的公式是：R=2π2me4/h3 在当时可用的e、m和h的测量结果的精确范围内，我们发现这一结果和R的经验值是一致的。
虽然这种一致性指示了应用力学模型来把定态形象化的适用范围，但是，量子概念和普通力学原理的任何结合都会涉及的那些困难当然还是存在着的。因此，最令人放心的就在于发现了下述事实：光谱问题的全部处理方式，满足一种明显的要求，即它可以包括经典描述，作为所涉及的作用量够大以致可以忽略单个量子的那种极限情况。这种考虑确实提供了所谓对应原理的初次指示，该原理的目的在于将量子物理学的本质上是统计性的说明，表示成经典物理描述的合理推广。
例如，在通常的电动力学中，从一个电子体系发出的辐射的成分，应该取决于将体系的运动分解成谐振动时所能得到的那些频率和振幅。当然，在电子绕重核的开普勒运动和由体系定态间的跃迁所发射的辐射之间，是不存在这样的简单关系的。然而，在一种极限情况，即对于量子数n的两个值远大于它们的差数的那种跃迁，却可以证明，作为一些无规的个体跃迁过程的结果而出现的辐射，其成分话线的频率是和电子运动的谐振动分量的频率渐近地重合的。而且，在开普勒轨道中，不同于简谐振动，除了公转频率以外还会出现较高的泛频，这一事实就提供了给氢光谱中各谱项的任意并合寻求一种经典类例的可能性。
但是，卢瑟福原子模型和光谱资料之间的关系的明确证实，却在一段时间内受到一种奇特情况的阻碍。早在二十年前，匹克灵（Pickering）就曾经在遥远星体的光谱中观察到一个线系，其中各谱线的波长和普通氢光谱中的波长显示着很密切的数值关系。因此，这些谱线一般被认为属于氢，甚至里德伯也这样认为，其目的是要消除氧光谱的简单性和包括最接近氢光谱的碱金属光谱在内的其他元素光谱的复杂性之间的明显对立。连杰出的光谱学家A．否勒也持有这一观点，当时他刚刚在用完有氢氦混合气体的放电管作的实验室实验中观察到了匹克灵线及新的有关线系。
然而，匹克灵谱线和否勒谱线不能包括在适用于红光谱的里德伯公式中，除非允许谱项表示式中的数n既可以取整数值又可以取半整数值；但是，这种假设却将明显地破坏向能量和光谱频率间的经典关系的渐近式的趋近。另一方面，这种对应性对于另一种体系的光谱却是仍然适用的，该体系由一个电子和一个电荷为Ze的核组成，其定态由相同的一些作用量积分值nh来确定。事实上，这种体系的谱项应表为Z2R／n2
，这一表示式在Z=
2的情况下将和在里德伯公式中引用半整数n值时得出相同的结果。于是，很自然地可以认为，匹克灵谱线和否勒谱线属于被星体中或否勒所用放电管中的强烈热骚动所电离了的氦。事实上，如果这种结论得到证实，那就是已经向着依据卢瑟福模型来建立不同元素的属性之间的定量关系迈出了第一步。
III
当我在1913年3月间写信给卢瑟福并附寄我的一篇关于原子结构的量子理论的论文底稿时，我强调了解决匹克灵谱线的起源问题的重要性，并借此机会询问了以此为目的的实验能否在他的实验室中进行；在那里，从舒斯特时代起就有了适当的光谱学仪器了。我接到了即时的复信；这封信如此典型地显示了卢瑟福的敏锐的科学判断和助人为乐的对人态度，因此我愿将此信的全文引出如下：
3月 20日，
1913年亲爱的玻尔博士，您的论文已安全收到，我抱着很大兴趣读过了，但是，俟有余暇，我要再仔细地读一读。您关于氢光谱起源方式的想法是很巧妙的，而且看来是很合用的；但是，普朗克概念和旧式力学的混合却使人很难对什么是它的基础得到一个物理概念。在我看来，您的假说中有一个严重困难，我毫不怀疑，您也充分意识到了这种困难；那就是，当一个电子从一个定态转入另一定态时，它怎样决定它将以什么频率振动呢？在我看来，您似乎不得不假定电子事先就知道它将在什么地方停下来。
在论文的布局方面，我愿提出一点较次要的批评。我想，当您力图作到叙述清楚时，您有一种将文章写得太长的倾向，也有一种在文章的不同部分重复您的叙述的倾向。我认为您的文章实在应该加以精练，而且我认为这是在清楚性方面不作任何牺牲就可以作到的。我不知道您是否注意到这样一件事实：长篇的论文可以将读者吓倒，他们感到自己没有时间泡到这种论文中去。我愿意很仔细地阅读您的论文，并将我对于各个细节的意见告诉您。我将很高兴地把它转给Phil．Mag．，但是如果它的篇幅能够精简到适当的分量我就更高兴了。无论如何，我将在英文方面对它作一切必要的修改。我很愿意看到您继续写出的论文，但是，望您牢牢记住我的劝告，并在不影响清楚的条件下将它们写得尽量地简单一些。听到您以后要到英国来我很高兴，当您来曼彻斯特时我们将非常愿意见到您。
附带说到，我对于您在否勒光谱方面的思索深感兴趣。我在这里对伊万士（Evans）谈了一下，他告诉我，他也对此深感兴趣，而且，我想，当他在下学期回到这里时，我们完全可能尝试着就此问题作一些实验。一般的工作进行得很好，但我因为发现α粒子的质量比应有的值颇大一些而暂时受阻了。如果这是对的，它就是如此重要的一个结论，以致我非到在每一点上都肯定其精确性时是不能发表它的。实验要用去大量的时间，而且必须以很大的精确度来进行。您的最忠诚的E．卢瑟福
再者，我想您并不反对我按照自己的判断，在您的论文中删去我认为不必要的材料吧？盼复。
卢瑟福的第一点意见肯定是很恰当的，它接触到即将在后来的长期讨论中成为中心的一个问题。正如我于1913年10月在丹麦物理学会一次集会上发表的演讲中所表示的，当时我自己的观点是：正是量子公设中所涉及的那种和对物理解释的习见要求的根本分歧，就应该自动地给在适当时期将新假设纳入逻辑一致的方案中的可能性留下足够的余地。联系到卢瑟福的意见，特别有兴趣的是想到下述事实：爱因斯坦在他1917年关于推导温度辐射的普朗克公式的著名论文中，也采取了有关光谱起源的同一出发点，他并且指出了支配着自发辐射过程之发生的统计定律与早在1903年已由卢瑟福和索迪表述出来的放射性衰变基本定律之间的类似性。事实上，这条使他们一举而解决了当时所知形形色色的天然放射性现象的定律，也被证实为理解后来观察到的自发衰变过程中的奇特分支现象的一个线索。
卢瑟福来信中如此强调提出的第二点意见，使我陷入了十分为难的窘境。事实上，在接到卢瑟福的复信的前几天，我曾经给他寄去了上次稿件的经过相当扩充的修订本，增加的内容特别涉及了发射光谱和吸收光谱之间的关系以及同经典物理学理论的渐近对应关系。因此，我感到解决问题的唯一方法，就是立刻赶往曼彻斯特去同卢瑟福本人当面谈清楚。虽然卢瑟福是像往常一样忙碌的，但他却对我表示了几乎是天使般的耐心，而且，经过很多长长的夜晚的争论，他在争论中宣称从来没有想到我竟会那样地顽固，后来他终于同意把一切新旧论点全都保留在最后的论文中了。当然，不论是风格还是文字，都在卢瑟福的帮助和建议下得到了重大的改进，而且我常常有机会想到，他在反对颇为复杂的表达方面，特别是反对因谈到早先的文献而引起的很多重复方面是何等地正确。因此，此次卢瑟福纪念演讲给了我一个很可欢迎的机会，使我能够更加简练地说明一下当年那些论点的实际发展情况。
在后来的几个月中、关于被指定给氦离子的光谱的起源的争论，发生了一次戏剧性的转变。首先，伊万士已经能够在极纯氦的放电过程中得到否勒谱线，这里连普通氢谱线的一点痕迹也看不到。但是，否勒仍然不完全信服，他强调了光谱在混合气体中可能表现的那种虚假方式。最重要的是他注意到，他对匹克灵谱线波长的精确测量结果，和令Z=
2时从我的公式算出的波长不能精确地相符。然而，这后一问题的答案很容易就被找到了，因为很明显，在里德伯恒量的表示式中，质量m不应被看成自由电子的质量而应被看成所谓的约化质量mM（m＋M
）-1，此处M是核的质量。事实上，将这一改正考虑在内，所预言的氢光谱和氦离子光谱之间的关系就和一切测量结果完全一致了。这一结果立刻受到了否勒的欢迎，他借此机会指出了这样一件事实：在其他元素的光谱中也观察到了一些线系，在那些线系中，普通的里德伯恒量必须乘上一个接近于4的数。通常称为电火花光谱的这种线系光谱，现在可以认为是起源于受激离子的了，这和起源于受激中性原子的所谓弧光谱是不同的。
在后来的几年中，继续进行的光谱学研究又揭示了许多原子光谱，这些原子不是失去了一个电子而是甚至失去了多个电子。特别说来，玻文（Bowen）的众所周知的研究导致了这样的认识：尼科耳孙所讨论过的星云光谱的起源，不应该到新的假说性的元素中去找，而应该到高度电离状态下的氧原子和氮原子中去找。后来，终于出现了这样的前景：通过分析电子一个一个地受到核的键合的那些过程，可以对每一电子在卢瑟福原子的基态中的键合情况得到一个概观。当然，在1913年，实验资料还太不充分，而用来对定态进行分类的理论方法也还没有发展到足以应付这一野心勃勃的工作的地步。
IV
这期间，关于原子的电子构造的工作也在逐渐进行，；不久以后，我就又去请求卢瑟福的帮助和劝告了。于是，在1913年6月，我带着第二篇论文到了曼彻斯特；这篇论文除继续讨论放射性位移定律以及巴克拉辐射的起源以外，还处理了包含着多个电子的原子的基态。关于这一问题，我尝试着企图将一些电子轨道排列成类似于壳层结构的闭合圈；J．J．汤姆孙在早期企图依据他的原子模型来说明门捷列夫元素表中的周期性特点时，就首次地引入了这种壳层结构。
在卢瑟福的实验室中，这一次我遇到了赫斯和潘内特（Paneth）；他们告诉我，初步利用示踪原子法来系统地研究硫化铅和铅酸铅的熔度已经成功，这种研究是他们在那一年的年初在维也纳共同进行的。在每一方面来说，这些对曼彻斯特的反复访问是一种巨大的鼓舞，而且使我有宝贵的机会和实验室中的工作保持密切联系。那时，卢瑟福正在鲁滨孙（Robinson）的协助下忙于分析β射线的发射，并且正和安得雷德（Andrade）合作研究γ射线谱。此外，达尔文和莫斯莱当时正紧张地忙于有关晶体中X射线衍射的精细的理论探讨和实验探讨。
由于大英科学促进协会于1913年9月在伯明翰召开会议，我不久就又得到了再次见到卢瑟福的一个特殊的机会。在这次有居里夫人参加的会议上，特别开展了关于辐射问题的一般讨论，参加讨论的有瑞利、拉摩尔（Joseph
Larmor）和洛伦兹（Ixirentz）这样的权威人土，特别是金斯（Jeans），他作了关于量子理论对原子结构问题之应用的介绍性的叙述。他那明晰的论述，事实上是对那些在曼彻斯特集体之外通常受到很多怀疑的见解第一次公开地表示了严肃的兴趣。
使卢瑟福和我们大家都感到很好玩的一次意外事件是瑞利勋爵的发言。当约瑟夫·拉摩尔爵士很郑重地请他对最近的发展表示自己的意见时，这位在早年曾经对阐明辐射问题有过如此决定性贡献的伟大的老前辈很快地回答道：“我在年轻的时候很强烈地保持过许多看法，其中一种看法就是，一个过了六十岁的人不应该对摩登的见解表示他自己的看法。虽然我必须承认，今天我的看法不再那么强烈了，但是我仍然足够强烈地保持着它，因而我不能参加这种讨论！”
当我在六月间访问曼彻斯特时，就曾经和达尔文及莫斯莱讨论过按照元素的原子序数来排列它们的适当顺序的问题，而且那时我第一次得知了莫斯莱的计划，他要用劳厄一布喇格方法系统地测量各元素的高频辐射谱，以期解决这一问题。通过莫斯莱的非凡精力和有目的地进行实验的才能，他的工作进展得惊人地迅速，而早在1913年11月我就已经从他那里得到了一封最有兴趣的来信，信中说明了他得到的一些重要结果，并且关于如何按照已被证实为适用于光谱的那些路线来解释这些结果提了一些问题。
莫斯莱发现的简单定律，可以根据任一元素的高频辐射谱来不含糊地走出它的原子序数；在近代的物理学史和化学史中，很少有什么事件像莫斯莱的发现一样从一开始就吸引了如此普遍的兴趣。不但对于卢瑟福原子模型的决定性支持一下子就得到了承认，而且，引导门捷列夫，使他在自己的周期表中某些位置上脱离开原子量的递增顺序的那种直觉，也突出地显示了出来。特别说来，事情很明显，莫斯莱定律提供了一种明确无误的指南，可以借以寻求尚未发现的元素，将它们纳入原子序数顺序的空位中去。
关于原子中的电子组态问题，莫斯莱的工作也引起了重要的进步。在原子的最内部，原子核对个体电子的引力超过各电子的相互斥力；这种优势肯定地提供了一个基础，可以理解莫斯莱谱和人们预料某一体系所应有的另一些辐射谱之间的惊人类似性；该体系由一个**的核和一个束缚电子组成。然而，更仔细的比较却带来了关于原子中电子构造的壳层结构的新知识。
不久以后，考塞耳（Kossel）就对这一问题作出了重要贡献；他指出，一个电子从核周围的一系列圈或壳层中的某一壳层中被取走，可以看作K型、L型及M型巴克拉辐射的起源。特别说来，他把莫斯莱谱中的Kα成份线和Kβ成分线归因于一些个体的跃迁过程，通过这种过程，K壳层中的一个电子空额将分别被L壳层或M壳层中的一个电子所补充。按照这种方式进行下去，考塞耳就能够在莫斯莱对谱线频率的测量结果中间找出进一步的关系；这就使他能够将一种元素的整个高频辐射谱表示为一个并合方案，在这种方案中，任一谱项和普朗克恒量的乘积，被认为等同于从原子的一个壳层中将一个电子移到一切壳层之外时所需的能量。
此外，考塞耳的观点也给另一事实提供了解释，那就是：波长渐增的穿透性辐射的吸收，实际上是从一个吸收界限开始的，这个界限代表着电子从对应壳层中一下子就完全离开的过程。中间受激态的不出现，被认为是由于原子基态中的一切壳层都已被占满。如所周知，通过泡利（Wolfgang
Pauli）在
1924年对适用于电子结合态的普遍不相容原理的表述，这一观点终于得到了最后的表示形式；泡利的表述曾受到斯后愕（Stoner）的启示，他依据对光谱规律性进行的分析，推导了卢瑟福原子的壳层结构的精致细节。
V
在1913年的秋天，斯塔克（Stark）的发现在物理学家中间引起了另一次轰动；他发现了电场对氢谱线结构的惊人巨大的效应。卢瑟福按照对物理科学中一切进步的无休止的注意，当从普鲁士科学院收到斯塔克的论文时，他立刻就给我写了信：“我认为时机已到，您现在应该针对塞曼效应和电效应写一些东西，如果有可能将这些效应和您的理论调和一致的话。”我响应了卢瑟福的挑战，尝试着仔细考察了这个问题，而且很快地我就弄清楚，在电场的效应和磁场的效应中，我们必须处理两种很不相同的问题。
关于塞曼（Zeeman）在1896年得到的著名发现，洛仑兹和拉摩尔的解释的精髓就在于：这种发现直接指示着作为线光谱起源的电子运动，其方式大致地不依赖于有关原子中电子健合机制的特殊假设。即使光谱的起源被认为是由于定态间的个体性的跃迁，按照拉摩尔的普遍定理，人们也会在对应原理的引导下，预期电子所发射的一切谱线都显示正常的塞曼效应，如果这些电子是像在卢瑟福原子中一样键合在一个中心对称的场中的话。而所谓反常塞曼效应的出现却带来一些新的疑难；只有在十多年以后，当线系谱中各谱线的复杂结构被追根到一种内禀性的电子自旋时，这些疑难才算得到了解决。不同的方面都对这一发展有过重要的贡献；关于这一发展的一种最有兴趣的历史叙述，可以在最近出版的一本纪念泡利的众所周知的书中找到。
然而，在电场的情况下，不能预期谐振子发射的辐射显示任何正比于电场强度的效应，从而斯塔克的发现就肯定地排除了将电子的弹性振动看成线光谱的起源的那种通常见解。但是，对于电子绕核的开普勒运动来说，即使是比较弱的外电场也会通过久期微扰而使轨道形状及轨道取向发生相当大的变化。通过研究轨道在外场中仍为纯周期性的那种特例，有可能应用和适用于未受扰氢原子之定态的那种论证类型相同的论证，来推求斯塔克效应的数量级，特别是解释该效应在氢光谱线系中从一条谱线到下一条谱线的迅速增大。但是，这些考虑很显然地表明，为了解释现象的更精致的细节，原子体系的定态分类方法还是发展得不够的。
恰恰是在这一方面，在以后几年中，通过引入标志着角动量分量及其他作用量积分的量子数而得到了巨大的进展。这些方法是由W．威耳孙（W．Wilson）在1915年初次提议的，他对氢原子中的电子轨道应用了这些方法，然而，按照牛顿力学，每一轨道在这种情况下都是单周期的，其公转频率仅仅依赖于体系的总能量，由于这种情况，任何物理效应都没有被揭示出来。但是，爱因斯坦的新力学所预言的电子质量对速度的依赖性，却消除了运动的简并性，并通过开普勒轨道远核点的不断的缓慢进动而在运动的谐振分量中引入了第二个周期。事实上，正如1916年索末菲（Sommerfeld）在他的著名论文中所证明的，角动量和径向运动作用量的分别量子化，就使我们可以详细地解释所观察到的氢原子光谱和氦离子光谱中各谱线的精细结构了。
不仅如此，索末菲和艾普斯坦（Epstein）还处理了磁场和电场对氢光谱的效应；通过熟练地应用多周期体系的量子化方法，他们已经能够完全符合于观察结果地通过并合而得出氢谱线的分解的谱项。这种方法和爱伦菲斯特（Ehrenfest）为了适应热力学的要求而在1914年表述的定态浸渐不变性原理是相容的，这种相容性得到了下述情况的保证：各个量子数按照古典力学而关涉到的作用量积分，并不会因外场的改变而改变，如果这种外场的改变比体系的特征周期变化要慢的话。
这种处理方式的有效性的进一步证据，是从对应原理对多周期体系所发射的辐射的应用中得出的，这种应用可以得出关于不同跃迁过程的相对几率的一些定性结论。这些考虑同样得到克喇摩斯（Kramers）的肯定，他解释了氢谱线的斯塔克效应成分线的表观上没有规律的强度变化。我们甚至发现可以用对应论证来说明其他原子中某种类型的跃迁的不出现；这些跃迁不属于鲁滨诺维兹（Rubinowicz）所指出的那些通过对原子和辐射之间的反应应用能量守恒定律和角动量守恒定律就能够排除掉的跃迁。
借助于迅速增长的关于复杂光谱的结构的实验资料，同样也借助于席格班（Sieghahn）及其合作者们关于高频辐射谱较精细规律性方面的方法论的寻求，多电子原子中束缚态的分类不断地得到了进展。特别说来，通过研究电子被原子核逐次键合而建成原子基态的那种方式，导致了对于原子中电子组态的壳层结构的逐渐阐明。就这样，虽然当时还木知道例如电子自旋之类的重要解释要素，但是，大约在卢瑟福发现原子核后的十年之内，就已经有可能对于门捷列夫元素表中许多最突出的周期性特点得到一种总结性的解释了。
然而，整个的处理方式还是带有很大的半经验性质的，而且，人们很快就清楚地认识到，为了详尽无遗地说明各元素的物理属性和化学属性，必须以根本上新的方式脱离开经典力学，以便将量子公设纳入一种逻辑上无矛盾的方案中去。下面我们还有机会谈到这一众所周知的发展，现在我先接着讲我对卢瑟福的回忆。
VI
第一次世界大战的爆发，几乎使曼彻斯特集体完全解体，但是我很幸运地仍然和卢瑟福保持了密切的接触，他在1914年的春天曾经约我接替达尔文的舒斯特数理物理学讲席的职位。当我们在早秋时节经过一次绕过苏格兰的有风暴的航行而到达曼彻斯特时，我的妻子和我受到了少数几个老朋友的最热情的接待；在外国的合作者们已经离开而大多数的英国同事也都参了军之后，留在实验室中的就只有那几个老朋友了。卢瑟福和他的夫人当时还在美国，他们正在到新西兰探亲的归途中，而且无庸赘言，当几星期后他们安全地回到曼彻斯特时，我们大家都如释重负地高兴地祝贺了他们。
卢瑟福本人很快地就被吸收参加了军事设计工作；他特别致力于发展追踪潜艇的声学方法，而教学生的工作则几乎完全留给了伊万士、马考沃和我。但是，卢瑟福仍然抽一些时间来继续进行他自己的开创性的工作，这种工作在战争结束之前就已经得出了如此伟大的结果；同时，他仍然一贯地对同事们的努力表示了同样的热烈兴趣。至于原子结构的问题，在1914年发表的弗朗克（Franck）和赫兹（Hertz）用电子碰撞来激发原子的那些著名实验，也给这种问题带来了新的冲击。
一方面，用汞蒸汽作的这些实验给原子过程中阶梯式的能量传递提供了最显著的证据；另一方面，实验在表观上指示出来的汞原子电离能的值，却比依据汞光谱的解释所预期的电离能的一半还要小。因此，这就引导我们猜想，所观察到的电离并不是直接和电子碰撞有关，而是起源于电极上的一种伴随着的光电效应，这种效应是由汞原子当从第一受激态回到基态时所放出的辐射引起的。在卢瑟福的鼓励下，马考沃和我计划了一些实验来探索这一问题，而且，在本实验室的有能耐的德籍玻璃工人的协助下，制成了一个有着各式电极及各式栅栏的复杂的石英仪器；这个玻璃工人从前曾经替卢瑟福吹制过研究氨的形成问题的精致的α射线管。
卢瑟福曾经以其自由主义的人道态度，试图替这个玻璃工人申请批准、让他能够在战时留在英国继续工作，但是，这个人的脾气在他这一行匠人中也不是少见的，他发表了一些激烈的高度爱国的言论，后来终于被英国官方拘留了。于是，当我们的精致仪器在一次事故中因支架起火而损坏时，就没有人帮我们再制造一个了，而且，当马考沃不久也自愿参了军以后，这种实验就被放弃了。我几乎不用再说，这一问题已由大卫（Davis）和高西叶（Gauthier）于1918年在纽约作的光辉实验完全独立地解决了，他们得到了预期的结果；我提到我们的无结果的尝试，只是为了说明当时曼彻斯特实验室的工作所遇到的那种困难，这些困难很像妇女们居家过日子时所要应付的那种缺米无柴的情况。
但是，卢瑟福的坚持不懈的乐观主义对他周围的人们仍然起了最大的鼓舞作用，而且我还记得，在战争受到严重挫折时，卢瑟福曾经引证过据说是来源于拿破仑的一种说法，那就是说不可能战胜美国人，因为他们太蠢，以致连自己什么时候已经打输都不能理解。对我来说，被接受加入卢瑟福个人的一群朋友中间的每月讨论会，也是一种最可喜和最有启发性的经验；这些人包括哲学家亚历山大（Aexander）、历史学家陶特（Tout）、人类学家伊里亚特·斯密士（Elliot
Smith）和化学家开姆.外兹曼（Chaim WeiZmann）；三十年后，外兹曼成了以色列的第一任总统，卢瑟福对他的杰出人格是评价很高的。
1915年莫斯莱在加里波里战役中不幸牺牲的可悲消息，对于我们大家是一次可怕的打击；他的死使全世界的物理学家感到了深切的哀痛，卢瑟福更是伤心得厉害，他本来曾经努力争取将莫斯莱从前线调到较安全的职位上的。
在1916年夏天，我的妻子和我离开曼彻斯特回到了丹麦；在那里，我被任命为新设立的哥本哈根大学理论物理学教授。尽管邮政通信越来困难越多，我和卢瑟福还是保持了不断的通信。在我这方面，我报告了和原子结构之量子理论的更普遍表示有关的工作进展，这种工作当时更加受到了前面已经提到的定态分类方面的发展的刺激。在这方面，卢瑟福对于我所能从欧洲大陆方面报道的任何新闻都很感兴趣，特别是我和索末菲及爱伦菲斯特的初次个人接触。在他自己的信中，卢瑟福也生动地描述了他怎样在与日俱增的困难和其他负担的压力下，尽力继续进行他在各方面的研究，例如，在1916年秋季，卢瑟福描写了他对有关硬γ射线吸收的某些可惊异结果的强烈兴趣，这种γ射线是由当时刚刚能够使用的高电压管产生的。
在次一年，卢瑟福越来越忙于研究利用高速α射线来产生核蜕变的可能性了，而在1917年12月9日的一封信中他已经写道：
“我有时也抽出半日余暇来搞几个自己的实验，而且我想我已经得到了一些终于会证实为具有巨大重要性的结果。我很愿意您在这里，以便详谈。我正在探测并计数被α粒子碰得动了起来的较轻的原子，而且我想，所得的结果在很大程度上暴露了核附近的力的性质和分布。我也在试图用这种方法把原子打破。在一件事例中，结果似乎是有希望的，但是要确定下来还得作大量的工作。凯意（Kay）协助我，他现在是一个熟练的计数者了。”
一年以后，在1918年11月17日，卢瑟福用他的特有方式宣布了更进一步的进展：
“我很愿意有您在这儿，以便和您讨论我在核碰撞方面所得某些结果的意义。我已经得到了某些我想是颇为惊人的结果，但是，要得到我的推论的肯定证明却还是一件烦重而冗长的工作。数那些微弱的闪灼对于老年人的眼睛是很费劲的，但是，还是在凯意的协助下，我在过去四年间的空闲时间里仍然搞了大量的工作。”
在卢瑟福在1919年的（智学杂志）上发表的著名论文中，包括了关于他在受控核蜕变方面的基本发现的说明；他在文中提到了他的老同事思耐斯特·马斯顿于1918年11月到曼彻斯特的访问，马斯顿是在停战日在法国退伍的。在他在曼彻斯特和盖革合作的过去岁月里，马斯顿曾经完成过引导卢瑟福发现了原子核的一些实验；利用他在闪灼实验方面的伟大经验，马斯顿协助卢瑟福澄清了高速质子的统计分布中的某些表观上的反常，这种质子是在用α射线轰击氮时被放出的。马斯顿从曼彻斯特回新西兰担任他自己的大学职务去了，但是，多少年来他仍和卢瑟福保持着密切的接触。
在1919年7月，当在停战日以后旅行又成为可能时，我到曼彻斯特去看卢瑟福。并且更详细地了解了他关于受控核增变或所谓人为核嬗变的伟大的新发现；通过这种发现，他创立了他喜欢称呼的“近代炼金术”，而且这种发现在时间过程中要在人对自然力的掌握方面引起如此惊人的后果。卢瑟福当时几乎是独自一个留在实验室中的。而且正如他在信中告诉我的，除了马斯顿的短期访问以外，对他那基本研究的唯一帮助就只有他那忠实的助手威廉·凯意了；多年以来，凯意因他的善良和帮助而受到了实验室中每一个人的喜爱。在我的访问中，卢瑟福也谈到了他必须作出的巨大决定，他被邀请担任因J．J．汤姆孙辞职而出缺的剑桥大学开文迪什教授。当然，在曼彻斯特过了这么多丰富的年月之后，决定离开这地方对卢瑟福来说是并不容易的，但是，他当然应该响应召唤，去把独一无二的开文迪什教授系列接续下去。
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从一开始，卢瑟福就在开文迪什实验室中在自己周围聚集了一大群杰出的研究工作者。一个最可注意的人物就是阿斯顿（As．ton），他多年以来就和J．J．汤姆孙在一起工作，而且在战时就已开始发展质谱仪方法了，这种发展后来导致了几乎每一种元素都有同位素存在的证实。给卢瑟福原子模型提供了如此有说服力的证据的这一发现，并不是完全出人意料的。人们在曼彻斯特的早期已经理解到，当按照化学属性排列元素次序时看到的原子量顺序中的表现不规则性就暗示着，甚至对于稳定元素说来，也不可能预期核电荷和核质量有一种单值的关系。在1920年1月间和2月间写给我的信中，卢瑟福表示了对阿斯顿的工作，特别是关于氯的同位素的工作的喜爱，这种工作如此清楚地显示了化学原子量对整数的偏差的统计特性。他也很幽默地评论了阿斯顿的发现在开文迪什实验室中引起的关于不同原子模型之相对优缺点的活跃争论。
属于往日的曼彻斯特集体的杰姆士·查德维克（James ChadWick），从一开始就参加了卢瑟福所领导的开文迪什实验室的工作，他刚刚从德国的长期拘留中回国，在战争爆发时他是在柏林和盖革一起工作的；不论对于卢瑟福关于原子核的构造及蜕变的开创性工作的继续，还是对于这一巨大实验室的管理来说，查德维克的