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Beobachtungen ber den Effekt des elektrischen Feldes auf Spektrallinien. VI. Polarisierung und Verstrkung einer Serie

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210
aber den Effekt dcs eCc7ctr4schen
Peldee auf Spektrall&fi&en.
PI. PolarWerung wnd VeretCtrkung d n e r 6lerBe;
uon J. Htarb.
4. Beobach&ngen
I n h a l t : Q 1. Einleitung. - Q 2. Methoden. - Q 3. Elektrische
8 4. Elektrische
Versohiebung der G e n der dritten Li-Nebenserie.
Polarisierung der Linien der dritten G-Nebenserie. - Q 5. Verstiirkung
der dritten Li-Nebeneerie durch das elektrische Feld. - 8 6. Anregung
der Emission der dritten Li-Nebenserie. - 8 7. Die d r i t t e Li-Nebeneerie im Lichtbogen. - Q 8. Zur Deutung der neuen Erscheinungen.
-
5 1. Einleitung. - In dieser Mitteilung wird die neue
Erscheinung beschrieben, daB gewisse Serienlinien durch das
elektrische Feld, ohne merklich zerlegt zu werden, teilweise
polarisiert werden. Es seien zuvor kurz die Ideen dargelegt,
welche mich dazu fuhrten, jene Erscheinung zu suchen und,
als sie mir entgegentrat, zu erkennen.
Berzelius hat vor etwa hundert Jahren die Hypothese
aufgestellt, daB ein chemisches Atom positive und negative
elektrische Pole besitze. Diese allgemeine PolaritBtshypothese
von Berzelius ist in der von mir aufgestellten Valenzelektronhypothesel) enthalten ; nach dieser stehen jedenfalls bei gewissen Elementen an der Oberflache der Atonie negative
Elektronen in einer Gleichgewichtslage ausgedehnten positiven
Fliichen 2, gegenuber. GemaB dieser Annahme kann ein chemisches Atom, sei es im neutralen oder ionisierten Zustancl, tbls
ein elektrischer Dipol eine elektrische Hauptachse und ein
elektrisches Moment !JX besitzen ; in einem auBeren elektrischen
Feld von der Stiirke B wird es dann unter der Richtkraft !?X&
1) Vgl. J. S t a r k , Die Elektrizitiit im chemischen Atom. S. Hirzel,
Leipzig 1915. Q 9. I
2) Der Ausdruck ,,positive Fliiche" soll nicht besagen, daB notwendig in der Fliiche selbst positive Elektrizitat liegt, sondern es soll
mit ihm nur ausgedriickt sein, daB durch die Fliiche hindurch nach positiver Ladung in ihrem Inneren zu elektrische Kraftlinien eintreten, welche
von vergleichlich punktformigen Valenzelektronen ausstrahlen.
Der Effekt &s elslctrischen Feldes auf Spektrallinien. VI. 211
seine Hauptachse parallel der Achse des elektrischen Feldes
zu stellen suchen. Ich habe bereits in meiner Schriftl) ,,Die
elektrische Spektralanalyse chemischer Atome" die Bedeutung
der Einstellung der elektrischen Atomachsen fiir die Scharfe
der elektrischen Komponenten von Serienlinien besprochen.
Eine andere fiir das Folgende bedeutsame Idee betrifft
ebenfalls die Struktur und Dynamik des chemischen Atoms.
Kommen namlich in diesem Elektronen in bestimmter Anordnung vor und konnen sie bei Schwingungen in Achsen
von bestimmter Lage zu Hauptachsen des Atoms Licht emittieren, dann diirfen wir mit dem Fall rechnen, dal3 die
emittierten Lichtschwingungen nicht fiir alle Achsen der
Schwingungen gewisser Elektronen die gleiche Intensitat besitzen, sondern dal3 a. B. iiberwiegend nur die Schwingungen
parallel der elektrischen Hauptachse oder die Schwingungen
senkrecht dazu Licht emittieren. Auch diese Idee habe ich
bereits in meiner Schrift ,,Die elektrische Spektralanalyse"
p. 120 im Zusammenhang mit der Zuordnung der elektrischen
Komponenten der Wasserstoffserienlinien besprochen.
Fa& man die zwei vorstehenden Ideen, elektrische Polaritat
des Tragers einer Serienlinie und Anisotropie ihrer Emission
in bezug auf Atomachsen, msammen, so darf man den Sonderfall erwarten, daB durch das elektrisohe Feld in einem Aggregat leuchtender Atome gewisse ihrer Serienlinien teilweise
polarisiert werden, indem die Atome dank ihrem ekektrischen
Moment angenahert parallel gestellt werden und dann die
Zentren jener Serienlinien ebenfalls angenahert nur in Schwingungen parallel der Feldachse Licht emittieren.
In Anbetracht der groBen Bedeutung des Nachweises
einer ,,elektrischen Polarisierung" von Serienlinien fur die
Erforschung der Atomstruktur habe ich von Beginn meiner
Untersuchungen iiber den Effekt des elektrischen Feldes auf
Spektrallinien auf das Verhiiltnis der Intensitaten der parallel
und der senkrecht zum Feld erfolgenden Schwingungen einer
Linie (p- und s-Komponenten) mein Augenmerk gerichtet
gehalten. Es standen einem Erfolg zunlichst folgende Schwierigkeiten und Einschrankungen im Wege.
Fiir die Feststellung einer elektrischen Polarisierung sind
solche Serienlinien, so diejenigen cles Wasserstoffs, ungeeignet,
1) Erschienen bei
S. Hirzel, Leipzig 1914.
14'
212
J . Stark.
die iiberwiegend von bewegten Kanalstrahlenteilchen selbst
emittiert werden. Denn wie ich zusammen mit Hrn. L u n e lund ') feststellte, ist die Emission bewegter Serienlinien
durch ein Kanalstrahlenbiindel in bezug auf dessen Achse
teilweise polarkiert. Die H-Serienlinien konnten also fiir den
angestrebten Zweck nicht in Betracht kommen, vielmehr nur
solche Linien, wie diejenigen des Heliums, welche von einem
Kanalstrahlenbiindel uberwiegend in ruhender Intensitlit zur
Emission gebracht werden. Noch mehr erschienen die Linien
von Alkalien, insbesondere von Lithium, geeignet, welche dadurch in einem Gasraum zur Emission kommen, daI3 Kanalstrahlen von geniigender kinetischer Energie auf feste Salze
auf f allen.
Die Suche nach der elektrischen Polarisierung ist ferner
bei solchen Serienlinien unmoglich, welche durch das elektrische Feld zerlegt werden, in diesem also mehr als eine pund mehr als eine s-Komponente aufweisen. Es lassen sich ja
die Intensitaten der p-Komponenten auf der photographkchen
Platte nicht addieren und mit der ebensowenig zuganglichen
Sumnie der Intensitaten der s-Komponenten vergleichen. Fiir
die geplante Untersuchung kommen also nur solche Linien in
Betracht, welche im elektrischen Feld nur eine einzige p- und
eine einzige s-Komponente besitzen ; deren Intensitiiten kiinnen
dann auf photogrephischem Wege miteinander verglichen
werden. Hierbei sind die zwei Fiille zuliissig, daI3 die p- und
die s - Kornponente gleiche oder verschiedene Wellenlsngen
besitzen.
Die Grobzerlegung 2, der Li-Linien hatte ich bereits zusammen mit Hrn. K i r s c h b a u m untersucht; das dabei verwandte Konkavgitter war lichtschwach und gestattete nur
eben die Untersuchung der starksten Linien auf ihre elektrische
Zerlegung ; hierauf allein richteten wir unser Augenmerk. Es
ergab sich, daI3 wohl das aweite, dritte und vierte Glied der
ersten Nebenserie in mehrere p- und s-Komponenten serlegt
werden, daI3 dagegen das erste Glied dieser Nebenserie, das
erste und zweite Glied der zweiten Nebenserie und dm erste
der Hauptserie unter den angewandten Versuchsbedingungen
nur eine p - und eine s-Komponente aufweisen. Hieriiber habe
1) J. Stark u. H. Lunelund, Ann. d. Phys. 46. p. 68. 1914.
2) J. Stark u. H. Kirschbaum, Ann. d. Phys. 48. p. 1029. 1914.
Der Effekt des elektrischia FeMes auf Speh?rallir&n. V I . 215
ich bereits Mitteilung gemacht. Ich habe indes in jener Mitteilung nicht erwghnt, daS auf unseren Li-Spektrogrammen
auch awei Linien einer dritten Nebenserie auftraten ;anscheinend
besal3en sie auch nur eine p - und eine s-Komponente im elektrischen Feld. Da diese Linien indes nur sehr schwach hereuskamen, so wollte ich uber sie keine Aussage machen, behielt
mir vielmehr ihre Untersuchung mit verbesserten Hilfsmitteln
\-or.
Nach diesen vorbereitenden Resultaten erschien mir das
Li-Spektrum fiir die Suche nach der elektrischen Polarisierung
von Serienlinien besonders geeignet. Erstens ist die Intensitiit
der Li-Linien unter den von mir angewandten Bedingungen
fast ausschlieBlich ruhend ; zweitens besitzen die ersten Linien
der Hauptserie und der ersten Nebenserie, die Linien der
zweiten und der dritten Nebenserie nur eine p - und eine s-Komponente; es stehen also fiir die Priifung auf elektrische Polarisierung vier verschiedene Linienarten aur Verfiigung. Nachdem ioh darum einen Spektrographen von groSer Lichtsttlrke
zurechtgemecht und eine photographisch-photometrische Methode erprobt hatte, nahm ich die geplante Suche nach der
elektrischen Polarisierung in Angriff. Bereits die ers ten neuen
Aufnahmen lieferten mir die GewiSheit, daS die Li-Linien
der dritten Nebenserie durch das elektrische Feld polarisiert
werden, wahrend die ubrigen Li-Linien diese Erscheinung
jedenfalls nicht in dem gleichen MaBe aeigen. Die genauere
Untersuchung der Hauptserie, der ersten und zweiten Nebenserie ubertrug ich dann Hrn. Liissem, er wird dariiber an
anderer Stelle ausfiihrlich berichten, hier seien nur seine Resultate aum Vergleich herangezogen. Ich selbst fiihrte die eingehende Untersuchung der Linien der dritten Nebenserie
durch; sie ist im nachstehenden mitgeteilt.
0 2. Methoden. - Die in der vorliegenden Untersuchung
angewandten Methoden stimmen in der Hauptsache mit friiher
verwendeten uberein. So wurde die Emission der Li-Linien
wie friiherl) dadurch bewirkt, daJ3 Kanalstrahlen gegen eine
ebene Schicht von Chlorlithium euf einer Hilfselektrode hinter
der Kathode geworfen wurden; &chen dieser und der Hilfselektrode in dem Gebiet der Li-Emission wurde ein starkes
1) Vgl. J. Stark, Elektrisohe Spektralantllyse. p. 25.
J . Stark.
214
elektrisches Feld aufrechterhalten. Die Hilfselektrode war
hierbei positiv; die aus den Kaniilen der Kathode austretenden
Kanals trahlen wurden also, soweit sie positiv geladen waren,
durch das Feld versogert; die in dem Feld selbst erzeugten
Ionen, so die Li-Atomionen, wurden nach der Kathode zu
beschleunigt. Zur Fiillung der Kanalstrahlenrohre diente
Sauerstoff ; dieser wurde besttindig aus Kaliumpermanganat
mittels elektrischer Heizung entwickelt und aus der Rohre
durch eine Punipe in dem MaBe abgesaugt, daB der Gasdruck
in ihr geratle richtig war.
Als Spektrograph diente ein Apparat, der niit einem
Verbundprisma und Objektiven von SO cm Brennweite ausgeriistet ist; ich habe ihn bereits an anderer Stellel) naher
beschrieben. Seine Lichtstiirke ist betriichtlich; seine Dispersion betriigt 3,53 auf 0,l mm bei 14636A, 2,11 bei
14147 A, 1,54 bei 13923 A.
Zum Vergleich der Intensitliten der Komponenten einer
h i e wurde ein ebenfalls bereits erprobtes Verfahren2) angewendet. Das leuchtende, 2,5-3,5 mm lange Spannungsfeld
wurde nlimlich durch eine Wollastonplatte hindurch mittels
eines Objektivs von 5 cm Brennweite auf den Spektrographenspalt abgebildet. Sind nun die normalen Schwhrzungen der
p- und der s-Komponente einer vom elektrischen Feld nicht
beeinflul3ten Linie (S,), und (SJ,, so gilt
Sind S, imd S, die Sahwiirsungen der Komponenten einer
voni Feld polarisierten Linie, so ist deren In tensi tatsverhhl tnis
JPee
( ~ p - 4 b ( S p - S&l
m
J,
Die Differenz (S, - S,), wurde von O-Linien abgenommen,
welche den untersuchten Li-Linien benachbart waren ; sie
zeigten niimlich im Felde Null und in starken Feldern dieselbe
Sohwiirzungsdifferenz.
Zu den photographischen Aufnahmen wurde ausschlieBlich
die Agfaplatte ,,Extra Rapid" verwendet ; sie zeichnet sich
1) Vgl. J. Stark, 1. c. p. 28.
2) J. Stark u. H. Lunelund, Ann. d. Phys. 46. p. 88. 1914.
Der Ejfekt dcs elektrischen Eeldes uuf Spektrullinien. V I . 216
durch GleichmiiBigkeit ihrer Eigenschaften von Platte zu
Platte und von Paket zu Paket aus.
Wegen ihrer geringen photographischen Intensitlit konnte
das erste Glied (3,6240) der dritten Li-Serie nicht untersucht
werden. Dagegen wurden die drei folgenden Glieder dieser
Serie (1 4636 -14147 -3, 3923) eingehend studiert.
5 3. Elektrische Versehiebung der Linien der dritten Li:
Nebenserie. - Das erste Augenmerk hatte dem EinfluB des
elektrischen Feldes auf die Wellenllinge der un tersuchten drei
Linien zu gelten. Dieser erweist sich als sehr einfach. Es
werden n8;mlich die Linien unter den von mir gewlihlten
Bedingungen (Dispersion und Feldstiirke) nicht in mehrere
p- und mehrere s-Komponenten zerlegt, sondern ohne Zerlegung lediglich nach liingeren Wellen verschoben. Bei Anwendung einer Wollastonplatte in der von mir angegebenen
Weise erhdt man also zwar eine p - und eine s-Komponente
von einer jeden Linie; diese liegen aber genau ubereinander,
haben also dieselbe Wellenllinge.
Ich mu6 gestehen, daB ich das vorstehende Resultat
nicht ohne MiBtrauen aufnahm. DaB ich keine,Zerlegung an
der Linie 3,4636 wahrnehmen konnte, durfte mich nicht
wundernehmen; denn die Verschiebung ist so klein, daB ich
sie nur eben feststellen konnte. Es mochte also wohl eine
Zerlegung der h i e statthaben, sich indes der Beobachtung
bei der angewandten Dispersion entziehen. Anders liegt die
Sache bei dem nlichsthoheren Serienglied 3,4147. An ihm
habe ich Verschiebungen bis zu 0,4 mm (9 A) beobachtet.
Wiirde sie eine Zerlegung erfahren, so hiitte sie merkbar werden
miissen. Freilich dachte ich anfangs, eine etwaige kurzwellige
p- und s-Komponente sei nur infolge geringer Intensittit nicht
sichtbar auf meinen Aufnahmen geworden. Indes wurden
neben der einzigen langwelligen p - und s-Komponente auch
dann keine weiteren Komponenten sichtbar, als jene stark
uberlichtet wurden.
Nun konnte bei der dritten Nebenserie wie bei der ersten
Nebenserie die Zahl der Komponenten mit steigender Gliednummer zunehmen. Wenn also 14147 nicht zerlegt wird, so
mag dies bei dem nlichsthoheren Glied 13923 der Fall sein.
Nun ist freilich 14147 schon drittes Glied, aber auch fiir das
vierte - Glied 3, 3923 komme ich 'bei Erwagung aller Umstlinde
J . Stark.
216
zu dem Resultat, dal3 es von dem elektrischen Feld nur verschoben, nicht zerlegt wird. Entsprechend seiner hoheren
Nummer und infolge der geringen Lichtstarke des verwendeten
Spektrographen in der Gegend von 3,3923 kommt zwar die
Linie 13923 in ihrer p- und s-Komponente nur sehr schwach
heraus ;sie wiirde indes uberhaupt unsichtbar bleiben, wenn sie
in mehrere p- und s-Komponenten zerlegt wiirde; dies schliefie
ich aus demvergleich ihrer Schwarmg mit derjenigen von 14147.
Um die Abhiingigkeit der Verschiebung der untersuchten
Linien von der Feldstiirke zu untersuchen, verfuhr ich ifi
folgender Weise. Da die Linien aul3erhalb des elektrischen
m
*
I 0.70 -
f
3
0.30-
'
'
'
'
0.60 0.80 1.W L.aO
0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.
Abstand der gun. p-Komp.ron 14133 in mm.
Abstand der au0.p-Komp.ron 14195 In mm.
o*')O
0,20 0.40
Fig. 1.
Fig. 2.
Feldes nicht intensiv und nicht scharf erhalten werden konnten,
so war es nicht moglich, den Abstand ihrer p - und s-Komponenten von ihren unbeeinflul3ten Wellenlangen direkt zu
messen. So maS ich den Abstand der elektrkch verschobenen
Linien von solchen anderen benachbarten Wellenliingen, die
vom elektrischen Feld nicht merklich verschoben werden,
namlich den Abstand der Linie 14147 von der mittleren
s-Komponente der Li-Linie 3,4133 und den Abstand der Linie
13923 von der Al-Linie A 3944. Als Ma13 der Feldstarke wahlte
ich fiir eine jede derartige Messung den Abstand der au13eren
pKomponenten der Li-Linie 3, 4133 auf der jeweiligen Platte.
Indem ich so diesen Abstand als Abszisse, den Abstand der
Linie 14147 bzw. 13923 von der angegebenen benachbarten
Linie als Ordinate antrug, erhielt ich die Punkte in den
Figg..l und 2. Anfiinglich schien es mir, als ob die Beziehung
Der Effekt des elektrischen FeMes nuf bSpektrallinien. V I . 217
zwischen der elektrischen Verschiebung der Linien und der
Zerlegung der Linie 14133 linear sei. Weitere Messungen
brachten mich aber wenigstens fiir die Linie A4147 zu der
Uberzeugung, daB diese Auffassung nicht zutrifft, dal3 also
die elektrische Verschiebung von 14147 und A 3923 eine andere
Funktion der Feldstiirke ist als die p-Zerlegung der Linie
14133. Nachdem Liissem fiir eine Reihe von Abstiinden der
8uDeren p-Komponenten dieser Linie die zugehorigen Feldstiirken ermittelt hatte, konnte auf Grund hiervon und der
Fig. 1 die Kurve in Fig. 8 konstruierf werden. Sie stellt die
Feldatiirke in 1W Volt, x em-'.
Fig. 3.
Beziehung zwischen der Verschiebung der Linie 4147 und der
Feldstarke dar und liiBt erkennen, daB die Verschiebung
rascher mit der Feldstarke anwiichst, als einer linearen Beziehung entsprechen wurde ; ob sie proportional dem Quadrat
der Feldstarke ist, liiBt die Genauigkeit der bis jetzt vorliegenden Messungen nicht entscheiden.
Fiir eine Feldstiirke von 80000 Volt xc5-f erreicht die
Verschiebung von 14147 den Betrag von 7,8,4, diejenige von
A3923 den Betrag von 16A.
Extrapoliert man in den obigen Figuren den Abstand
der betrachteten zwei Linien auf die Feldstiirke Null (Abstand
der BuBeren p-Komponenten von A4123 gleich Null), so 18Bt
sich aus ihm die Wellenliinge der Linien auBerhalb des elektrischen Feldes berechnen. In der nachstehenden Tabelle I
St(67k.
J ; St(67k.
218
sind die so erhaltenen Wellenlangen
Wellenlangen und die von anderen
Be0 bachtern gefundenen Werte zusammengestellt. Der auffallende Umstand, daB die von mir fiir die Feldstiirke Null
erhaltenen Werte merklich kleiner sind als die Wellenliingen
im Lichtbogen, wird weiter unten besprochen werden.
T a b e l l e I.
Dritte Nebenaerie
des Lithiums
Drittes Glied . .
Viertes Glied . .
Wellenliinge
im Felde
.
4146,'l
,
3923,2
1
Wellenllinge im Lichtbogcn
nach
'
nach
Ronenu. Hagenbachl Paunders
I
4149,l
3924
41 48,2
-
5 4. Elektrische Pokrisierung der Linien der dritten LiNebenserie. - Die Linien A4636, 14147 und A3923 werden
durch das elektrische Feld zum Teil polarisiert. Wenn also
fiir solche Linien wie diejenigen des Sauerstoffs oder der aweiten
Li-Nebenserie, welche durch das elektrische Feld nicht polerisiert werden, die Schwiiraung (S,,),, der p-Komponente infolge
der Einstellung des Spektrographen etwas kleiner ist als diejenige (SJ0 der s-Komponente, so erscheint die Sohwiirzung
(8,)der p-Komponente einer der genannten Li-Linien merklich groBer als diejenige (S,) der s-Komponente. Der Unterschied S,-S, ist so groB, daB er dem freien Auge auf den
ersten Blick aufflillt. Zum Verstgndnis der nachstehenden
Tabellen ist au beachten, daJ3 die Differena (S9--SJ0 von der
Einstellung der Optik der Versuchsanordnung abhiingt ; diese
wurde von einer Versuchsreihe zu einer anderen etwas geandert.
Die Genauigkeit der in den Tabellen I1 und I11 angegebenen
Intensitiitsverhiiltnisse ist nicht groB, die Fehler mogen bis zu
20 Pros. der angegebenen Werte betragen. Gleichwohl steht
die Erscheinung der elektrischen Polarisierung der untersuchten
Li-Linien ganz auSer Frage.
T a b e l l e 11. il 4636 b.
Tabelle
FeldaMrke
Voltxcm-1
.
P'
_____
1,11
1,81
I I 1
0,67
0,67
- 0,06
- 0,14
0,63
2,7
4 7 1 I3,O
11
2,85
.Der E'ffekt des elektrischen Feldes nu/ Spektralliwien. V I . 219
Tabelle 111. 1 4147
A.
Feldstiirke
Volt x cm10 800
14 300
18800
-26900
5oOOo
67 200
1,91 1,53
1,32 1,Ol
1,58 1,27
0,38
0,31
0,31
- 0,04
- 0,03
0,42
- 0,19
0,50
0,34
2,O
1,7
2,2
}
136
Zur Wertung der vorstehenden Zahlen ist fiir den Fernerstehenden folgende Bemerkung w machen. Das Bereich der
normalen Schwiirmg mit konstantem Intensitiitsexponenten m
liegt fiir die bis zur Schleierung entwickelten Agfaplatte Extra
rapid ungefahr zwischen 1,20 und 2,OO. Einige der oben angewendeten Schwiirwngen fallen darum aus diesem Bereich
heraus und die fiir m = 0,64 berechneten Intensitatsverhiiltnisse sind deshalb in diesen Fiillen etwas zu klein.
Vergleicht man die Werte des Intensitatsverhiiltnisses
Ja/JI bei groBer und bei kleiner Feldstarke, so ergibt sich
f iir beide Linien eine Zunahme der Polarisierung mit wachsender
Feldstiirke. Bei Wiirdigung dieser Tatsache hat man die Begleiterscheinung zu beachten, daB mit wachsender Feldstiirke
ciie Temperatur in dem leuchtenden Gasraum zwischen Kathode
und Hilfselektrode und vor allem auch die Tempercltur des
von Kanal- und Kathodenstrahlen getroffenen Li-Salzes zunimmt, soweit fiir diese Ekdingungen der Temperaturbegriff
uberhaupt noch anwendbar ist. Mit wachsender Feldstiirke
nimmt jcl die im leuchtenden Gasraum entbundene elektrische
Leistung zu; Tatsache ist jedenfalls, daS bei groSerer Feldstarke das Li-Salz bis zum Schmelzen sich erwiirmt, so daB
zur Verhinderung desselben die Strombelastung der Kanalstrahlenrohre etwas kleiner als fur kleine Feldstiirke gewlihlt
werden muB.
Interessant ist noch der Vergleich der Polarisierungen der
zwei Serienglieder 14636 und 24147. Sie besitzen m a r angenahert denselben Betrag; immerhin aber sprechen meine
Zahlen dafiir, dal3 das zweite Glied (14636) etwas stiirker
polarisiert wird als das dritte Glied (14147). So sind die
280
J . Stark.
Schwiirzungen fiir die Feldstlrke 50000 Volt Xcm-l bei beiden
Linien normal und nahezu gleich; J , hat in diesem Falle fiir
14636 den Wert 2,7, fiir 14147 den Wert 1,7.
SchlieBlich sei noch bemerkt, daB auch das vierte Serienglied 1 3923 elektrisch polarisiert wird, insofern auf allen Aufnahmen S, deutlich groBer als S, ist. Indes sind beide Schwiirzungen unternurmal und lassen darum keine genaue Messung
und keine Berechnung des Intensitiitsverhaltnisses Jp/J8 zu.
0 5. Verstarkung der dritten Li-Nebenserie durch das e2ekirische Fe2d. - Findet bereits die elektrische Polarisierung der
Linien der dritten Li-Serie in einem MaSe statt, dab sie bei
einiger Sorgfalt in der Beobachtung auch ungesucht auffallen
muI3, so zeigt sich an diesen Linien eine andere neue Erscheinung in noch vie1 aufdringlicherer Weise. Es ist dies die
Vergrol3erung ihrer Intensitat durch das elektrische Feld.
Zwar nimmt auch die Intensitiit der Hauptserie und der ersten
und zweiten Nebenserie mit steigender Feldstarke etwa-s zu ;
dies ruhrt daher, daB mit stiirker werdendem Feld die Zahl
der Li-Atomionen zunimmt, welche von ihm von der Salzoberflache weg in den Gasraum hinein getrieben werden. Indes
steht in keinem Verhiiltnis hierzu die Verstarkung der dritten
Li-Nebenserie durch das elektrische Feld. So kam in meinen
Versuchen die Li-Linie 14273 von der zweiten Nebenserie in
einem Felde von der Stlrke Null nach einer Stunde Belichtung
in normaler Schwlrzung heraus; die Linien 14636 und 1 4147
blieben un ter denselben Versuchsbedingungen auch nach zehnstiindiger Belichtung noch unsichtbar. Eine Feldstiirke von
14000 Volt xcm-1 verlangte eine zehnstiindige Belichtung,
wenn die Linien 14636 und 14147 eben normal geschwarzt
erscheinen sollten; die benachbarte Linie 14273 der zweiten
Nebenserie war dann natiirlich weit uberlichtet. Anders lag
das Verhhltnis bei einer Feldstiirke von 80000 Volt xcm-l.
Infolge verminderter Belastung der Kanalstrahlenrohre kam
nach einer Stunde Belichtung die Linie 14273 eben normal
geschwarzt heraus, dagegen erschienen nunmehr die Linien
A 4636 und 14147 nahezu uberlichtet.
Es liegt auch bei dieser Erscheinung die Rage nahe, ob
die aufeinander folgenden Glieder der dritten Li-Nebenserie in
demselben Verhaltnis mit wachsender Feldstiirke an Intensitat
zunehmen, ob also ihr Intensitatsverhaltnis von der Feld-
Der Effekt des ekktrhchen Feldes auf Spsktrallinien. V I . 221
stiirke abhiingt. Auf diese Frage kann ich nur eine vorliiufige
Antwort geben. Die von mir angewandten Versuchsmittel
lassen keine zuverlassige Antwort zu; es nimmt niimlich die
Lichtstiirke des von mir verwendeten Spektrographen stark
a b von 14636 nach 13923. Dam erscheint die Linie 13923
infolge der unvermeidlichen Schw-ankungen der Feldstarke
wegen ihrer groBeren Verschiebung bei groBer Feldstilrke im
Vergleich zu 14636 etwas verbreitert, so daB ihre Lichtmenge,
auf ein groBeres Fliichenstiick der Platte ausgebreitet, ver1iilltnismiiBig eine w kleine Schwiirzung liefert. Trotz dieser
Schwierigkeit halte ich es bei Abwiigung aller Beobachtungen fiir moglich, daB das zweite Serienglied (A4636) mit
wachsender Feldstarke rascher Intensitat gewinnt als das
dritte Serienglied (14147). So erschien bei kleiner FeldstSirke
I4147 auf meinen Spektrogrammen intensiver als 14636, obwohl bei jener Linie mein Spektrograph lichtschwiicher ist als
bei dieser. Diese Erscheinung, da8 das hohere Serienglied
intensiver ist als das vorausgehende niedrigere, stiinde im Gegensatz zu dem Verhalten der Hauptserie und der ersten und
zweiten Nebenserie. h i groBer Feldstarke (80000 Volt xcm-l)
b m in meinen Aufnahmen umgekehrt 14636 intensiver heraus
als I4147; es scheint somit, daB bei sehr groBer Feldstiirke
das Intensitiitsverhaltnis der Glieder der dritten Nebenserie
demjenigen in der ersten und zweiten Nebenserie iihnlich wird.
Die Frage nach dem Intensitatsverhiiltnis der Glieder der
dritten Li-Nebenserie bedarf nach dieser vorlilufigen unzuverIiiwigen Antwort einer besonderen Untersuchung. Hierzu ist
ein lichtstarkes Konhvgitter von 50 cm Radius au verwenden.
5 6. Anregung der Emission der dritten Li-Nebenserie. Fur den Zweck der Deutung der beschriebenen neuen Erscheinungen ist es notwendig, sich den Ursprung der Emission
der dritten Li-Nebenserie klarzumachen. Folgende Beobachtung macht sehr wahrscheinlich, daB sie auf dieselbe Art angeregt wird wie die Emission der Hauptserie und der ersten
und zweiten Nebenserie.
Der leuchtende Gasraum zwischen der Kathode und der
Hilfselektrode wird, wie bereits bemerkt wurde, in der von
mir angegebenen Weise durch ein Objektiv auf den Spalt
cles Spektrographen scharf abgebildet, so daR die Oberflache
cler Li-Salaschicht im Bild als Linie senkrecht zum Spalt.
J . Stark.
222
.erscheint. Der Oberflache der Salzschicht entspricht also das
eine Ende einer Li-Linie auf der photographischen Platte,
die folgenden Punkte einer jeden Li-Linie sind die spektralen
Bildpunkte der Ebenen im leuchtenden Gasraum parallel ziir
Salzflache in den aufeinander folgenden Abstanden von dieser.
Am intensivsten erscheint nun die Schwarzung im Bildpunkt
der unmittelbar uber der Saldlache liegenden Ebene im Gasraum, von da weg nimmt sie entlang einer jeden Li-Linie bis
zum Bildpunkt der unmittelbar vor der Ruckseite der Kathode
liegenden Ebene ab. Diese Abnahme der Intensitat der Emission
einer Li-Linie entlang der Senkrechten zur Salzfliiche erklart
sich daraus, daB die Zahl der leuchtenden Li-Atome in den
diinnen, gleich dicken Schichten mit wachsendem Abstand
vor der Salzfliiche abnimmt, von der ja die Li-Atome unter
.dem StoB der auffallenden Kanalstrahlen nach allen Seiten
fortfliegen.
Vergleicht man nun die Verteilung der Schwarzung langs
der Linie A4636 mit derjenigen langs der Linie 14603 (erste
Nebenserie) oder diejenige langs der Linie 14147 rnit derjenigtn kings der Linie 14273 (zweite Nebenserie), so findet
man, soweit sich dies mit bloBem Auge beurteilen lBBt, vollige
Ubereinstinmung mischen den verglichenen Linien. Hieraus
laBt sich schlieBen, daB die Emission der Linien der dritten
Nebenserie auf ciieselbe Art wie diejenige der ersten und
meiten Nebenserie angeregt wird.
Ehe dieser SchluB rioch weiter gepriift wird, sei zunachst
die Erregung der Emission der ersten und zweiten Li-Yebenserie unter den von mir gewiihlten Versuchsbedingungen zergliedert. Der gro13te Teil dieser Emission kommt dadurch
zustande, daB durch den StoB der Kanalstrahlen Li-Atomianen
in leuchtendem Zustand und mit mal3iger Geschwindigkeit
a m der festen Salzflache heraus nach allen Richtungen in den
Gasraum hineingeworfen werden, mie ich dies bereits an anderer
Stellel) ausfiihrlich dargelegt habe.
Ein kleinerer Teil der Emission wird durch den StoB
\-on Kanalstrahlen auf leuchtende oder nichtleuchtende LiAtome oder Salzteilchen im Gasraum selbst erzeugt.
Diesen zwei Hauptquellen entstammt die Emission cier
Li-Linien, mag auf derri Gasraum vor der Salzflache ein dek1)
J. Stark u. G. Wendt, Ann.
d. Phys. 38. p. 009. 1912.
Der E f f e k t des elektrischen E'eldss nu/ SpekfraEli&n. V I . 223
trisches Feld liegeri oder nicht. Zu ihnen treten dann noch
zwei weitere, erheblich schwiichere Quellen, wenn ~ ein .den
obigen Beobachtungen im Gasraum zwischen der Salzfliiche als
Anode und der Kanalstrahlenelektrode a h Kathode ein starkes
elektrisches Feld liegt. Einmal werden namlich dann die
positiven Li-Atomionen vom elektrischen Feld erfaSt, nach
der Kathode zu beschleunigt und so zu mehr oder minder
schnellen Li-Kanalstrahlen gemacht ; infolge ihrer Zusammenstolje mit Gasteilchen auf ihrein Wege regen sie sich dann
zur Emission bewegter Intensitat an. Andererseits werden
die Elektronen, welche im Gasraum vor der Salzflache infolge
von Ionisierung frei werden, von dem elektrischen Feld nach
der Salzflache zu beschleunigt und zu Kathodenstrahlen gemacht; als solche konnen sie dann durch ihren StoS Li-Atome,
die ihnen begegnen, zu Lichtemission anregen. Es liegt auf
der Hand, daS diese letzte Art der Anregung vie1 weniger
wirksain ist als diejenige durch den StoS der Li-Kanalstrahlen;
denn wie bekannt ist, machen Kanalstrahlen unter gleichen
Umstanden vie1 zahlreichere ZusammenstoBe als Kathodenstrahlen.
Wir haben somit (vier Ursachen der Emission von LiLinien unter den von mir gewiihlten Versuchsbedingungen ins
Auge zu fassen: StoB der primaren Kanalstrahleii (in unserem
Falle 0-Strahlen) auf das feste Li-Salz, StoB der 0-Strahlen
im Uasraum auf Li-Atome, StoB sekundarer Li-Kanals trahlen,
StoB sekundiirer Kathodenstrahlen auf Li-Atorne im Gasmum. DaB die zwei letzten Ursachen, die durch das elektrische
Feld bedingt werden, nur einen kleinen Bruchteil der LiErnission liefern, laSt sich aus folgender Beo bachtung schlieben.
Wie sich mit dem blol3en Auge abschatzen liiSt, nimmt die
Lichtstarke im Gasraum vor der Salzflache beim Anlegen des
elektrischen Feldes zwar deutlich au (um 10-80 Proz.), indes
nicht etwa auf das Doppelte.
Wie nun bereits oben bemerkt wurde, ist die Emission
der Linien der dritten Li-Nebenserie ohne die Mithilfe des
elektrischen Feldes unmerklirh. Ich habe diese Tatsache
durch mehre-e Aufnahmen gepridt,. Urn eine g r o h r e Intensitat zu erhalten, habe ich auch einige Aufnahnren ohne Zerlegung der Linien in eine p - und eine s-Komponente durch
Zwischenschaltung einer Wollas tonplatte geniach t ; o bwohl auf
224
J . Stark.
ihnen die Linien der zweiten Nebenserie stark uberlichtet
sind, zeigt sich noch nicht eine Andeutung der Linien der
dritten Nebenserie.
Es liegt zunachst nahe, dieses Fehlen der Emission der
dritten Li-Nebenserie bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes
aus dem, Fehlen der im Feld allein wirksamen Ursachen der Anregung erklgren zu wollen. Man kann also vermuten, daB die
Linien der dritten Nebenserie m a r weder durch den StoB von
0-Strahlen auf das feste Li-Salz, noch durch den StoS von
0-Strahlen auf Li-Atome im Gasraum, wohl aber durch den
StoB von Li-Kanalstrahlen auf Gasmolekule oder durch den
StoB von schnellen Kathodenstrahlen auf Li-Atome zur Emission
gebracht werden. Diese Vermutung galt es eingehend zu priifen.
Zunachst ist die Annahme abzuweisen, daB die Emission
der dritten Li-Nebenserie durch den StoB von Li-Kanalstrahlen
angeregt wird. Denn wiire dies der Fall, dann m a t e die
Intensitat der Linien 14656 und 14147 von dem Bildpunkt
der Selzfliiche weg nach dem Bildpunkt der Kathodenruckseite zu anwachsen, da ja in dieser Richtung die Zahl und
Cfischwindigkeit der Li-Kanalstrahlen anwlichst. In Wirklichkeit nimmt aber umgekehrt die Intensitiit jener Linien in
dieser Richtung ab, genau wie bei den Linien der ersten und
zweiten Nebenserie. Dagegen ist diese Verteilung der Intensitiit liings dem Weg mischen Kathode und Saldliiche mit
der Annahme vertriiglich, daB die Emission der dritten Nebenserie durch die sekundaren Kathodenstrahlen angeregt wird ;
deren Zahl und Geschwindigkeit nimmt ja auch in der Richtung
von der Kathode nach der Salzflache zu. Darum galt es,
diese Annahme durch besondere Beobachtungen zu priifen.
Die Priifung, welche ich anstellte, ging von folgender
Uberlegung aus. Wird die dritte Nebenserie wirklich uberwiegend nur durch die von dem elektrischen Feld erzeugten
Kathodenstrahlen angeregt, so muB sie sich auch dann e h stellen, wenn schnelle Kathodenstrahlen auBerhalb eines elektrischen Feldes in dem Gasraum vor einer Li-Saldliiche, auf
welche Kanalstrahlen fallen, zum Verlauf gebracht werden.
Bur Priifung dieser Uberlegung benutste ich folgende Versuchsanordnung. Die mit Li-Salz bedeckte Hilfselektrode
wurde bis auf 6 cm Abstand von der Kanalstrahlenelektrode
fortgeschoben und mit der Anode der Kanalstrahlenrohre ver-
Der Effekt des elektrischen FeUes auf Spektrallinien. V I . 225
bunden. Es konnte sich somit der Glimmstrom, der die Kanalstrahlen erzeugte, nach m e i Anoden teilen; auf jeder Seite
der Kathode bildete sich ein Dunkelraum; &us diesem traten
nach jeder zugehorigen Anode zu Kathodenstrahlen &us und
fielen auf diese auf, und gleichzeitig kamen durch die h n i i l e
der Kathode von deren anderer Seite Kanalstrahlen in jeden
Dunkelraum, durchliefen diesen zum Teil und fielen auf eine
jede Anode auf. Auf diem Weke wnrde also die Li-Salafliiche
gleichzeitig von Kathoden- und hnalstrahlen getroffen und
da sie sich auSerhalb des Kathodendunkelraums befand, so
war das elektrische Feld vor ihr im Gasraum aehr schwach.
Dieser wurde, wie mvor der Raum des elektrischen Feldes
zwischen Hilfselektrode und Kathode, ohne Zwischenschaltung
einer Wollastonplatte auf den Spektrographenspalt abgebildet.
Im Spektrogremm erschienen unter diesen Bedingungen
wiederum iiberlichtet die Linien der ersten und zweiten LiNebenserie, aber unsichtbar blieben die Linien der dritten
Nebenaerie.
Dieses Resultat macht anch die Annahme hinfiillig, daS
die Emission der dritten Li-Nebenserie ansschlieBlich ihren
Ursprung in dem StoB schneller Kathodenstrahlen hat.
Halten wir uns nach dieaer Feststellung die Tatsache vor
Angen, daI3 die Intensitlitsverteilung entlang den Linien der
dritten Nebenserie dieselbe ist Wie entlang den benachbarten
Linien der ersten und sweiten Nebenserie, so kann wenig
Zweifel ubrigbleiben, daB. die dritte Nebenserie durch dieselben
vier Ursachen angenahert in demselben Verhiiltnis wie die
erste und zweite Nebenserie zur Emission gebracht wird. Die
Wirkung des elektrischen Feldes auf die Intensitat der Emission
der dritten Nebenserie h n n also nicht d a r h begriindet sein,
daB das elektrische Feld eine der vier Energiequellen der
Emission speist. Das konstante elektrische Feld kann andererseits auch nicht unmittelbar aus sich selbst Energie auf die
Schwingungen von Elektronen in Atomen entbinden, die in
ihm schweben. Zur Deutung seines ungemein groI3en Einflusses auf die Intensitlit der Linien der dritten Li-Nebenserie
bleiben darum nur Moglichkeiten anderer Art ubrig : entweder
bringt das elektrische Feld die Zentren der dritten Nebenserie
in eine solche Lage am Atom, daI3 sie von dem lichterregenden
StoD ofter und starker getroffen werden als auJ3erhalb des
Annalen der Physlk. IV. Folge. 48.
15
226
J . Stark.
Feldes, oder es hiilt durch eine ordnende Einstellung der LiAtome Schwingungsenergie in den Frequenzen der dritten
Nebenserie fest oder es stellt mischen den Zentren der dritten
Nebenserie und derjenigen der ubrigen Serien eine Koppelung
her, welche eine intensivere Emission in jener auf Kosten
der Emission in diesen m r Folge hat. Diese Moglichkeiten
sollen weiter unten kurz besprochen werden.
8 7. Die dritte Li-Nebenaerie i m LicMbogen. - Das Vorkommen von dritten Nebenserien in den Bogenspektren der
Alkalien hat Ph. L e n a r d l ) im Falle dee Natriums entdeokt. Angeregt durch seine Beobachtungen, haben unabhlngig voneinander H. K o n e n und A. H a g e n b a c h 2, und
F. A. Saunders3) im Spektrum des Lichtbogens die dritte
Nebenserie des Lithiums aufgefunden. Im AnschluS an meine
obigen Untersuchungen stellte ich ebenfalls einige okulare und
photographische Beobachtungen uber das Vorkommen der
dritten Li-Nebenserie im Lichtbogen an. Ich erhielt sie leicht
unter folgenden Bedingungen. 3 oder 7 mm dicke Kohlenstabe
wurden vertikal ubereinander aufgestellt, der obere diente als
Kathode, der untere als Anode eines Lichtbogens von 3-7 Amp.
Stromstarke; auf die untere wurde unmittelbar vor einer jeden
Beobachtung Chlorlithium aufgeschmolzen; der 1-2 om lange
Lichtbogen wurde scharf auf den Spektrographenspalt abgebildet. Die Linien L 4636 und il41.47 erschienen immer dann
am intensivsten; wenn reichlich Li-Salz in den Lichtbogen
verdampfte ; die Linien der ersten Nebenserie waren dann
aul3erordentlich verbreitert. Die Linien 14636 und L 4147
habe ich niemals scharl erhalten. Bereits S a u n d e r s gibt an,
da13 sie verwaschen und nach Rot zu verbreitert sind. Diese
Angabe kann ich vollauf bestiitigen. A4147 z. B. macht in
meinen Aufnahmen den Eindruck eines breiten Bandes, dessen
SchwSirmng nach Rot zu sehr langsam, rascher nach Violett
zu abnimmt. Als ich Lichtbogenaufnahmen auf verschiedene
Kanalstrahlenaufnahmen legte und gemeinsame Linien von
ungeiinderter Wellenlange, niimlich Al- und Ca-Linien, zur
Deckung brachte, stellte sich heraus, dal3 die intensivste Stelle
1) Ph. Lenard, Ann. d. Phys. 11. p. 636. 1903.
2) H. Konen u. A. Hagenbach, Physik. Zeitschr. 4. p. 800. 1903.
3) F. A. Saunders, Phys. Rev. 18. p. 452. 1904;Astrophys. Journ.
20. p. 188. 1904.
Der E f f e b des elektrischen. Feldes auf Spektrallinien. V I . 227
der Linie A4147 ungefiihr mit ihrer Lege in dem Kanalstrahlenspektrogramm fiir eine Feldstarke von 27000 Volt xcm-1 zusammenfiel. Dieses Resultat erscheint zuniichst uberraschend.
Denn einerseh ist gemiiB Fig. 1 14147 fur eine solche Feldstarke bereits betriichtlich nach Rot versahoben; andererseits
ist die elektrische Feldstarke, welche die Stromung im Lichtbogen unterbllt, b u m groBer als 10 Volt x cm-l.
Der vorstehende scheinbare Widerspruch liist sich ungeiwungen auf Grund folgender Oberlegung. Wie bereits an
anderen Stellenl) dargelegt wurde, wird die Verbreiterung der
ersten und der zweiten Nebenserie infolge groBer Strom- und
Ionendichte durch awischenmolekulare elektrische Felder bewirkt. Da, wie die Erfahnpg lehrt, die Linien der ersten LiNebenserie unter den Bedingungen, welche die dritte Nebenserie merklich intensiv liefern, stark verbreitert sind, so befinden sich unter diesen Bedingungen sahlreiche Li-Atomionen
in starken zwischenmolekularen elektrischen Feldern. Unter
deren EinfluS wird dann die Lichtemission in der dritten LiNebenserie ebenso merklich wie in dem starken ausgedehnten
elektrischen Feld zwischen Kathode und Hilfselektrode in der
von mir verwendeten Kanalstrahlenrohre. Die Wellenlangen
der intensivsten Stelle der betrachteten Li-Linien im Lichtbogen liegen also in der Verbreiterung dieser Linien infolge
der swischenmolekuleren elektrischen Felder, sie gehoren nicht
xu den Linien im Felde von der Starke Null. Dies ist vielleicht der Grund, werum die Wellenlangen, welche Konen und
Hagenbach und Saunders fiir die Linien 14147 und 15923
der dritten Li-Serb im Lichtbogen angegeben haben, gemti13
Tabelle I merklich groI3er sind als die Wellenlangen, welche
sich aus meinen Beobachtungen fur die elektrische Feldstarke
Null berechnen, vomusgesetzt, da6 die von mir vorgenommene
Extrapolation auf die Feldstarke Null zuliiissig ist.
Die Tatsache, daB die Linien der dritten Li-Nebenserie durch
groBe Ionendichte nach Rot verbreitert werden, bedeutet eine
neue Bestatigung des allgemeinen Satses, daB die Verbreiterung
von Serienlinien durch grol3e Ionendichte jedrnfalls zum Teil
eine Wirkung der zwischenmolekularen elektrischen Felder darstellt und daB die GroSe der Verbreiterung von Serienlinien
1) J. Stark u. H. Kirsohbaum, Ann d..Phys. 48. p. 1040. 1914.
C.Wendt, Ann. d. Phys. 46. p. 1257. 1914.
15*
228
J . Stark.
desselben Elementes parallel geht der GroJ3e ihrer Zerlegungen
oder Verschiebungen durch das elektrische Feld. So nimmt
auch in der dritten Li-Nebenserie die Verbreiterung nach Rot
ebenso wie die elektrische Verschiebung nach Rot mit steigender
Gliednummer zu, 14656 ist also stiirker a h 14147, 15925
starker als A4147 nach Rot verbreitert.
5 8. Zur Deutung der n e w Erscheinungen. - Der nachstehende Versuch zur Deutung der neuen Erscheinungen,
welche in der vorliegenden Mitteilung beschrieben sind, SOH
lediglich die Eroffnung der theoretischen Ausaprache daruber
bedeuten. Vielleicht ist es nicht ganz wertlos, wenn ich im
Anschlul3 an meine experimentelle Erfahrungen zuerst einige
theoretische ffberlegungen mitteile.
Zunlichst sei nach einer Deutung der Verstarkung der
dritten Li-Nebenserie durch das elektrische Feld gesucht. Die
eine der oben in Q G'angedeuteten Moglichkeiten besteht in
der Annahme, dal3 das elektrische Feld die Li-Atome so beeinfluBt, daB auf die Zentren der dritten Nebenserie ein groBerer
Bruchteil der Energie aus den StoBen der die Emission anregenden Kanal- und Kathodenstrahlen e n t f a t . Indes ist die
Art einer derartigen Beeinflussung schwer zu erkennen, welche
die Intensitat der fraglichen Linien so ubertrieben von der
elektrischen Feldstlirke abhkgig machen soll. Es wiire etwa
an eine elektrische Einstellung der Li-Atome zu denkela, welche
die Schwingungszentren auf die dem Sto5 am meisten ausgesetzte Seite entgegen den Kanalstrahlen bringt ; aber dann
ist nicht z u verstehen, warum die Intensitlit der Linien fiir
die Feldstlirke Null unmerklich klei? ist. Oder es ware denkbar, daB das elektrische Feld die Atome so weitgehend deformiert,
daB die Schwingungszentren der dritten Nebenserie aus dem
vor StoBen geschutzten Atominnern an die ihnen mgihgliche
Atomoberflache geschoben werden. Indes halte ich eine so
weitgehende Deformation der Atomstruktur durch die von mir
angewandten Felder fiir sehr wenig wahrscheinlich. Und so
komme ich zu dem SchluI3, die Annahme abmlehnen, dafi
das elektrische Feld durch eine gewisse Beeinflussung der
Li-Atome die Zentren der dritten Nebenserie in ihnen lediglicb
fur die StoBerregung empfiinglicher mache.
Als weitere Deutungsmoglichkeit erwtihnte ich die Annahme, daJ3 das elektrische Feld infolge einer gewissen De-
I)er Ef/& des elektrischen. E’eldees auf Spaktrallinien. V I . 229
formation der Li-Atome eine etwaige Koppelung zwischen den
verschiedenen Li-Serien in der Weise beeinflusse, dal3 es mit
wachsender Starke der dritten Nebenserie einen rasch wachsenden Bruchteil der Schwingungsenergie des Atominnern auf
Kosten der iibrigen Serien zufiihre und der Emission zugtinglich mache. Diese Deutungsmoglichkeit ist mir ihrer Unbestimmtheit halber von vornherein unsympathisch. Gegen
sie spricht zudem die Beobachtung von Hrn. Liissem, dal3
das Verhaltnis der Intensitaten unzerlegter Linien der Hauptserie, der ersten und der zweiten Nebenserie zueinander nicht
merklich mit der Feldstiirke sich Zindert. So komme ich dazu,
auch diese Deutungsmoglichkeit als unwahrscheinlich zu verwerfen.
In der Ablehnung der zwei eben besprochenen Deutungsmoglichkeiten werde ich noch durch die Erwiigung bestarkt,
daI3 sie keinen Zusammenhang zwischen der elektrischen Verstirkung und der gleichzeitigen Polarisierung der dritten
Nebenserie herstellen ; denn ich vermute, dal3 zwischen diesen
beiden Erscheinungen ein Zusammenhang besteht, dal3 sie
vielleicht durch dieselbe Eigenheit der Atomstruktur bedingt
sind. Einen derartigen Zusammenhang scheint mir die dritte
Deutungsmoglichkeit in sich zu schlieSen, niimlich die Annahme, dal3 das elektrische Feld durch Einstellung der LiAtome parallel seiner Achse gleichzeitig die Strahlung der
Zentren der dritten Nebenserie polarisiert und sie in wenig
breiten Linien konzentriert erhalt. Ehe dieser Zusammenhang
ntiher beleuchtet wird, seien indes denkbare Moglichkeiten der
Deutung der elektrischen Polarisierung besprochen.
Auf den ersten Blick liegt es nahe, in der oben beschriebenen
elektrischen Polarisierung der Linien der dritten Li-Nebenserie
die Polarisierungl) der bewegten Intensitat von Serienlinien
wiederzuerkennen, die von Hrn. Lunelund und mir im Falle
der Wasserstoff-Kanalstrahlen niiher untersucht worden is t.
Bei genauerem Zusehen muE man indes diese Deutung verwerfen. Wenn namlich die Polarisierung der Linien der dritten
Li-Nebenserie nur eine indirekte Wirkung des elektrischen
1) J. Stark, Verh. d. Deutsch. Phpik. Ges. 8. p. 104. 1908;
J. Starku. FL Kirschbaum, Ann. d. Phys. 4% p. 1002. 1914; J. Stark
u. H. Lunelund, Ann. d. Phys. 46, p. 68. 1916.
230
J . Stark.
Feldes ware, niimlich durch die geordnete Bewegung von LiKanalstrahlen, welche das Feld erzeugt, bedingt wiirde, dann
bliebe der Unterschied zwischen der meiten und der dritten
Nebenserie unerklarlich. Die Linien der zweiten Nebenserie
werden namlich durch das elektrische Feld nicht oder weitaus
nicht in dem gleichen MaBe wie die Linien der dritten Nebenserie polarisiert. Zur Deutung dieses Unterschiedes ist die
Annahme nicht zulassig, daE die Intensitat der Linien der
dritten Nebenserie iiberwiegend bewegt, diejenige der Linien
der zweiten Nebenserie uberwiegend ruhend, darum jene
starker als diese durch geordnete Bewegung polarisiert sei.
Denn wiire dies der Fall, dann m a t e die Intensitiitsverteilung
lBngs der Linien der dritten Nebenserie von derjenigen langs
der Linien der zweiten Nebenserie merklich abweichen; dies
trifft aber, wie oben dargelegt wurde, in Wirklichkeit nicht ZU.
Zudem ist die hier beschriebene elektrische Polarisierung vie1
groBer als diejenige durch Bewegung; wahrend im Falle der
,,bewegten" Polarisierung der Wasserstoff-Kanalstrahlen als
groI3ter Wert fiir das Verhiiltnis J,,/J, 1,38 gefunden wurde,
erreichte im Falle der elektrischen Polarisierung dieses Verhiiltnis nahezu den Wert 3. Mit dieser Feststellung sol1 natiirlich nicht gesagt sein, da13 nicht ein kleiner Bruchteil der unter
den gewahlten Versuchs bedingungen beobachteten Polarisierung
bewegt sei. Die geringe Polarisierung, welche Hr. Liissem
im Falle starker elektrischer Felder an Linien der meiten
Nebenserie hat feststellen konnen, hat nach meiner Ansicht
ihren Ursprung in der Bewegung von Li-Kanalstrahlen, und
in gleichem Betrag tritt diese Art von Polarisierung unter
den gleichen Bedingungen xweifellos auch bei den Linien der
dritten Nebenserie in Erscheinung. Der groEte Teil der Polaiisierung dieser Linien hat indes seinen Ursprung in einer
Wirkung des elektrischen Feldes.
Ebenso unhttltbar wie der vorstehende erscheint mir e h
anderer Versuch zur Deutung der elektrischen Polarisierung. Man
konnte ngmlich annehmen, daB eine Linie der dritten Li-Nebenserie wohl nur in eine p-Komponente, aber in mehrere s-Komponenten zerlegt werde, von denen nur eine einzige cEuro11 Intensit&%ausgezeichnet sei und photographisch sichtbar werde ; obwohl also die gesamte s-Intensitiit einer Linie ebenso groB sei wie
die p-Intensitat, gelange zur photographischen Beobachtung wohl
Ber Effekt des eklctrischen Feldes auf S'pektrallinien. V l . 231
die ganze p-Intensitiit, aber nur ein Teil der s-Intensit&.
Gegen diesen Deutungsversuch ist folgendes einzuwenden.
Erstens ist nach der Erfahrung uber die elektrische Zerlegung
der aufeinanderfolgenden Glieder der ersten Nebenserie unwahrscheinlich, daS die aufeinanderfolgenden Glieder der
dritten Nebenserie in derselben Weise in mehrere s-Komponenten
zerlegt werden; denn dies miiSte man annehmen, urn zu erkltiren, warum die Polarisierungen der aufeinanderfolgenden
Glieder nahezu gleich sind. Zweitens vermag dieser Deutungsversuch keine Rechenschaft davon zu geben, daS die elektrische Polarisienmg mit wachsender Felds tlrke zunimmt.
Die meiste Wahrscheinlichkeit scheint mir diejenige Deutung der neuen Erscheinungen fiir sich zu haben, welche von
den im Eingang dieser Mitteilung dargelegten Ideen ausgeht.
Nehmen wir niimlich an, daS die Li-Atome im Zustand der
Emission ihrer Serjenlinien ein elektrisches Moment besitzen
und dal3 in ihnen die Zentren der dritten Nebenserie iiberwiegend fiir Schwingungen parallel der elektrischen Atomhauptachse Licht emittieren, so lii6t sich folgern, dal3 die
Linien der dritten Nebenserie durch ein elektrisches Feld um
so mehr polarisiert werden miissen, je groSer dessen Stiirke
ist, und m a r mul3 J , groBer als J , sein.
Dieselben Annahmen' liefern uns auch eine Deutung der
so auffallenden VerstiLrkung der dritten Li-Nebenserie durch
das elektrische Feld und stellen so einen Zusammenhang
swischen den zwei neuen Erscheinungen her. Wenn niimlich
Elektronen in einem Atom nur fiir Schwingungen in einer
ausgezeichneten Achse (,,einachsig") strahlen konnen, so l&St
eine Rotation des Atoms die Intensitat in den Eigenfrequenzen
nur dann ungelndert, wenn Schwingungsachse und Rotationsachse ausammenfallen. Wenn indes diese Voraussetrmng nicht
erfiillt ist, dann wird aus m e i Griinden die Emission in den
ungestorten Eigenfrequenzen der einachsig strahlenden Elektronen durch die Atomrotation stark geschwscht. Erstem
haben nlimlich, wie bekannt ist, die Intensitiitsschwankungen,
welche die Rotation in der Sehlinie des Beobachters hervorbringt, fiir ein Aggregat ungeordnet rotierender Atome entsprechend der Reihe der vorkommenden Winkelgeschwindigkeiten eine Verzettelung der Energie der einachsig strahlenden Elektronen auf eine groI3e Verbreiterung ihrer Eigen-
232
J . Stark.
frequenzen zur Folge und damit eine Schwachung der Intensitiit in den ungestorten Frequenzen. Zweitens durfte die
'berlagerung von Atomrotation und Elektronenschwingung
die einachsige Schwingung von Elektronen veranlassen , daB
deren Amplitude durch seitliche StoBe in Achsen senkrecht zur
ausgeaeichneten Strahlungsachse stark gedampft wird, so daB
ein Teil der Schwingungsenergie der einachsig strahlenden
Elektronen auf Frequenzen anderer Atomteile ubergeht.
Unter den vorstehenden Verhgltnissen zwingt ein elektrisches Feld die elektrischen Hauptachsen der Atome zu
Schwingungen urn seine eigene Aohse, veranlal3t sie also, an
Stelle einer konstanten Winkelgeschwindigkeit eine periodisch
verlinderliche Reihe von Win kelgeschwindigkeiten zwischen
Xull und einem von der Feldstlirke abhgngigen Hbhstwert
anzunehmen. Wenn darum eine Winkelgeschwindigkeit der
elektrischen Heuptachse die Frequenz von Elektronenschwingungen iindert, so muB in den Umkehrpmkten der Schwingungen
der Atomachse um die Feldachse fiir die dann vorhandene
Winkelgeschwindigkeit Null die Frequenz unverlindert bleiben,
und mit wachsender Feldstlirke wird ein rasch zunehmender
Bruchteil der Intensit&t der einachsig strahlenden Elektronen
auf die ungeiinderte Frequenz ftir die Winkelgeschwindigkeit
Null konzentriert werden. 1st wie in unserem Falle die gesamte IntensitMi der einachsig strahlenden Elektronen gering,
so bleibt der auf die groBe Verbreiterung infolge der Atomrotation entfallende Bruchteil photographisch unsichtbar ; in
einem elektrischen Felde von der Stiirke Null werden darum
die stark verbreiterten Linien der einachsig strahlenden Elektronen photogrephisch nioht wahrnehmbar und das Gleiche
gilt fiir ihre Verbreiterung im elektrischen Feld, dagegen wird
in diesem der auf die ungeiinderte Frequenz entfallende
Bruchteil der Strahlungsintensitiit infolge der mit der Feldstkke zunehmenden Energiekonzentration in einer scharfen
Linie sichtbar. Diese kurz und allgemein geheltene nberlegung
fiber den EinfluS eines elektrischen Feldes auf Strahlung einachsig schwingender Ellektronen innerhalb eines elektrischen
Atommomentes diirfte durch eine eingehende mathematische
Anelyse bestatigt werden l).
1) Wie von mir und Hrn. Kirschbaum festgestellt wurde (Ann.
d. Phys. 48. p. 999. 1914), nehmen gewisse elektrische Romponenten von
Der Effekt des elektrischen Feldes auf Spektrallinien. V I . 233
So iiberzeugend die vorstehende Deutung der neuen Erscheinungen ersaheint, so ist doch auf einen Umstand aufmerksam zu machen, der wenigstens auf den ersten Hick eine
Schwierigkeit in sich zu schlief3en scheint. Bei einer Feldstiirke von etwa 30000 Volt Xcm-l kommt die Linie J. 4147 von
der dritten Nebenserie kaum weniger scharf heraw ah die
Linie A4273 von der zweiten Nebenserie. Allerdings nu1 auf
Grund einer Vermutung, nicht auf Grund quantitativer Rechnungen konnte man einen Unteischied in der ,Schsrfe der zwei
Linien erwarten, wenn auch die Dispersion des von mir verwendeten Spektrographen fiir die Priifung einer solcheu Frage
gering ist. Eine eingehende theoretische Bearbeitung des aufgeworfenen Problems diirfte indea jene Schwierigkeit baeitigen.
Die prinzipiell bedeutsamen Fragen und Aufschliisse, zu
welchen die neuen Erscheinungen fiihren - elektrisches Moment, elektrische Hauptachse chemischer Atome, einachgig
strahlende Elektronen, EinfluB der Rotation auf die Strahlung
- lassen sie ,weiterer experimenteller und theoretischer Bearbeitung wert erscheinen.
Zusatz bei der Korrek2tlr. - In einer soeben in diesen
Annalen (Ann. d. Phys. 48. p. 98. 1915) ersoheinenden Abhandlung teilt J. K Oc h seine wichtige Entdeckung einer
neuen Serie des Heliums mit. Es ist dies eine dritte Nebenserie, sie entspricht der oben behandelten dritten Nebenserie
des Lithiums und erscheint ebenso wie diese nur in starken
elektrischen Feldern. Ioh mijchte rmniichst erklsren, - warum
Kirschbaum tmd ich diese He-Serie bei unseren Untersuohungen l) iiber das He-Spektrum im elektrischen Feld nicht
auf unseren Platten erhalten haben. Wir haben zumeist mit
miiBig starken Feldern mter 50000. Volt x om-' gearbeitet,
fiir solche Feldsttirken ist aber die neue He-Serie wenig
intensiv und, da der von uns verwendete Spektrograph (Konkavgitter von 1,5 m Radius) lichtsohwach war, so blieben die
neuen He-Linien in unseren Aufnahrnen unkerbelichtet; Koch
Linien der ersten He- und Li-Nebenserie merkwiirdigerwek an Intensitiit mit wacheender Feldstiirke zu. Es ist mbglich, deB diese Erscheinung denselben Grund hat wie die elektrische Verstarkung der Linien
der dritten Li-Nebenserie.
1) J. Stark u. H.Kirschbeum, Ann. d. Phys. 43. p 1029, 1914.
284
J . Stark.
dagegen verwandte zu seinen Untersuchungen meinen ungleich
lichtatlirkeren Einprismen-Spektrographen sowie meinen lichtstarken Plangitter-Spektrographen I) und machte zudem Aufnahmen bei sehr viel groBeren Feldstiirken.
Bemerkenswert ist, daf3 Kirschbaum und ich mit dem
lichtschwachen Konkavgitter zwar nicht die dritte He-Nebenserie, wohl aber die dritte Li-Nebenserie erhielten. Das Auftreten der dritten Li-Nebenserie im elektrischen Feld gab
einen Fingerzeig, in den neuen von Koch gefundenen Linien
die Linien der entsprechenden dritten He- Nebenserie zu erkennen.
K o oh wendet sein Hauptinteresse dem Seriencharakter
der neuen He-Linien zu. Er erwlihnt indcs bereits folgende
Bcobachtungen: ,,Sehr bemerkenswert ist auch, daf3 die Intensitlit der Linie von der elektrischen Feldstarke abhtingig
ist. Versuche mit verschiedentn FeldstZGrken zeigten nlimlich,
daS, je schwbher das Feld, desto geringer die Intensitlit der
Iinie; ohne Feld fehlte die Linie vollstandig." - ,,Von besonderem Interesse ist, zu erwLhnm, da8 die neuen Linien
A4518 und i14046, von denen genaue Messungen ausgefiihrt
sind, in hohem Ma& polarisiert sind; und zwar ist die parallel
zum Feld schwingende Komponente viel intensiver als die
aenkrecht dazu schwingende."
GemiiS diesen Bemerkungen Kochs kann kaum ein
Zweifel bestehen, dab die Erscheinung der elektrischen Polarisierung, die ruerst an den Li-Linien voii mir festgestellt
wurde , und die Erscheinung der elektrischen Verstlirkung,
welche zuerst an den neuen He-Linien von Kooh beobachtet
wurde, auSer an dem Li-Atom auch an dem He-Atom auftritt. Und ich vermute, daS sich an der dritten He-Nebenserie alle Untersuchungen wiederholen lassen werden, die von
mir an der dritten Li-Nebenserie engrstellt wurden.
Der Umstand, da8 auch das He-Atom die neuen spektralen Erscheinungen im elektrischen Felde zeigt, ist wichtig ;
denn er beweist, daB diese neuen Erscheinungen nicht etwa
an die besonderen Bedingungen gekniipft sind , unter denen
von mir die Li-Emission untersucht wurde, soDdern jeden1) Elektrieche Spektralanalyse, p. 28.
Der Effekt des elektrischen Ir'eldes auf Spcktrallinien. V I . 235
falls in einer Eigenart der Atomstruktur begriindet sind, welche
bei mehreren chemischen Elementen wiederkehrt.
Es wird interessant sein, die chemischen Elemente unter
dem Gesichtspunkt der neuen Erscheinungen mit einander zu
vergleichen. Schon jetzt erscheint es nach unseren obigen
E r f a h g e n sicher, daS die dritte He-Nebenserie im Verhiiltnis
zur erstcn und zweiten Nebenserie durch das elektrische Feld
weniger verstiirkt wird als die dritte Li- Nebenserie. Wenn
die von mir vorgcschlegene Deutung der neuen Erscheinungen
richtig ist, so lii6t sich aus diesem Unterschied folgern, dal3
das elektrische Moment des He-Atoms im Zustand der Serienemission kleiner ist als dasjenige des Li-Atoms im entsprechenden Zustand. Und hieraus lie6e sich wieder folgern,
daS dieselbe Feldstgrke eine Li-Linie der bitten Nebenserie
in grol3erem Betrage polarisiert als die entsprechende HeLinie.
Aachen, Physik. Institut der Technischen Hochschde,
15. August 1915.
(Eingegangtm 21. August 1915.)
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