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逸事。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α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[2]。
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哪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含义，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）关于锾和钍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，而且法扬斯甚至认为，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α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，而按照麦克斯韦电动力学，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溯过了。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（Laue）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的那种做法的又一种支持；这种做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。众所周知，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做婚后旅行时，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。