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Das neutrale Atom und das positive Atomion als Trger des Banden- und des Serienspektrums des Wasserstoffs.

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179
4. Da8 mmtrale Atom
wnd da8 posWve A t m 4 o n ale T~Ugerdes Barcdenh d de8 Serden8pek;trzlms des Waessrstoffs;
von J. S t a r k .
I n h a l t : 1. Einleitung. - 2. Das H-Serien- und das H-Bandenspektrum haben verschiedene Wager. - 3. Die 'JMger des H-Sexienund des H-Bandenspektrums heben beide die Masse (m = 1) des Waseerstoffatoms. - 4. Der Triiger des Serienspektrums ist das positive Atomion. - 5. DESneutrale H-Atom kommt nicht im Gleichgewichtszustand
mit schilrfen Spektrallinien in merklicher Zahl als bewegtes Teilchen in
den Kanalstrahlen vor. - 6. Anregung der ruhenden Serien- und Bandenlinien durch den StoD von Kathoden- und Kanalstrahlen. - 7. Anhang:
Die H-Bmdenlinien in den Kanalstrahlen werden nicht durch den StoO
der sekundiiren Kathodenstrahlen, sondern unmittelhar durch den StoB
der Kanalstrahlen zur Emission gebracht.
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~
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~
1. Einleitung. - Haben das Serien- und das Bandenspektrum des Wasserstoffsl) denselben TriLger, etwa das neutrale
Atom? Haben sie verschiedene Trager, etwa das eine das
1) Unter Bandenspektrum des Wasserstoffs verstehe ich hier wie
an friiheren Stellen das von anderen Autoren als zweites oder Viellinienspektrum bezeichnete Spektrum. Die Bezeichnung ,,zweites Spektrum"
ist nichtamgend ; die Bexeiahnung ,,Viellinienspektrum" deutet lediglich
den Linienreichtum dieses Spektrums an und lP5t keine kurze Wortbildung fiir ,,Linie des Viellinienspektrums" (Bandenlinie) zu. DEB man
zur Bezeichnung eines Spektrums zuniichst die in die Augen fallende
gesetzmiiBige Anordnung seiner Linien benutzt hat, ist histarisch verstiindlich und gerechtfertigt. Bei fortschreitender Erforsohung der Eigenschaften von Spektrallinien darf es nicht bloD als erlaubt, sondern als
wiinschenswert bezeichnet werden, daO Bezeichnungen fiir die S p e k b n
gewiihlt werden nach dem Gesichtspunkt iibereinstimmender Eigenschaften, &er daB bereits vorhandenen, urspriinglich enger gedachten
Bemichnungen ein umfassenderer und vertiefter Sinn unterlegt werde.
Dieser Fall liegt nach meinem Urteil beim Viellinienspektrum des Wasserstoffs vor. .Bei kurzer oberfliichlieher Betrachtung deeaelben fallen allerdings nicht auf den ersten Blick wie beim Bandenspektrum des Stickstoffs bandenartige Liniengruppen auf; wer sioh aber eingehender mit
180
J . Stark.
neutrale H,-Molekul, das andere das neutrale H-Atom, oder
das eine das neutrale Atom, das sndere das positive Atomion ? Die Beantwortung dieser Fragen ist von grundlegender
Bedeutung fur die Spektralanalyse und die Erfotschung der
Atomstruktur. Nach dem gegenwartigen Stand unserer Kenntnisse diirfen wir kaum erwarten, daB es uns gelingen wird,
jene Frage so unmittelbar durch die Beobachtung zu beantworten, daB wir die Antwort als festgestellte Tatsache bezeiohnen konnen. Wir werden vielmehr zufrieden sein mussen,
wenn es uns gelingen wird, aus Tatsachen unter Zuhilfenahme moglichst weniger und moglichst wahrscheinlicher
Voraussetzungen Folgerungen uber die Triiger der zwei Spektren des Wasserstoffs zu ziehen. Die Wahrscheinlichkeit dieser
Folgerungen und unser Zutrauen zu ihnen wird um so groBer
sein, je mehr verschiedene Tatsachen zu denselben Folgerungen
fuhren oder je mehr Erscheinungen diese einfach zu deuten
gesta tten.
Dieses Verfahren habe ich in der vorliegenden Mitteilung
angewendet. Es wird aus einer Reihe von Beobachtungen
oder Tatsachen das Resultat gewonnen, daB der Trager des
H-Serienspektrums das positive H-Atomion, derjenige des
H-Bandenspektrums das neutrale H-Atom ist. Obwohl es
aus der Art meiner SchluBfolgerungen von selbst hervorgeht,
mocht*eich doch ausdrucklich betonen, daB ich dieses Resultat
nioht als eine unmittelbar erwiesene Tatsache, sondern ledigihm beschilftigt hat, bemerkt derartige Gruppen, und G. S. Fulcher
(Phys. Zeitschr. 18. p. 1137. 1912) hat auch schon mehrere Linien zu
Banden zusammengefaBt. In jeder anderen Hinsicht verhillt sich das
Bandenspektrum (Viellinienspektrum) des Wasserstoffs ganz analog dem
Bandenspektrum eines anderen Elementes. So zeigen seine Linien zum
Teil keinen Zeemaneffekt, zum Teil einen normalen, zum Teil einen anormalen wie die Bandenlinien des Stickstoffs. Die Bandenlinien des Waaserstoffs zeigen wie diejenigen des Stickstoffs oder Sauerstoffs keinen a n a l strahlen-Dopplereffekt, im Gegensatz zu den Serienlinien. Das Bandenspektrum des Wmserstoffs wird wie dasjenige des Stickstoffs von den
Kathoden- und Kanalstrahlen schon bei kleinerer Geschwindigkeit als
das Serienspektrum angeregt; in der positiven Siinle ist es wie 'dasjenige
des Stickstoffs bei kleiner Stromdichte intensiver als daa Serienspektrum;
seine Intensitiit nimmt wie im Falle des Stickstoffs mit wachsender
Stromdichte weniger rasch als diejenige des Serienspektrums. zu und ist
im Funken unmerklich klein, verglichen mit der Intensitiit der Serienlinien.
Das neutrale Atom und dcbs positive Atomion w . 18 1
lich als sehr wahrscheinlich betrachte. Auch gebe ich zu.
daB meine Folgerungen nicht die einzig moglichen oder zwingend seien. Aber sie erscheinen mir von aUen mdglichen Folgerungen am ungezwungensten und am wenigsten mit unbewiesenen Voraussetzungen belastet ; dazu stehen sie, soviel
ich sehen kann, mit keiner Beobachtung in Widerspruch.
Wenn ein Einwand gegen sie erhoben wird, so darf ich wohl
erwarten, daB er auf eine Tatsache, nicht auf eine Hypothese
gegrundet wird. Und wenn mir eine Hypothese zu einer abweichenden Deutung einer der von mir verwerteten Tatsachell
entgegengehalten wird, so mochte ich wiinschen, daS der Versuch gemacht werde, mit Hilfe einer solchen Hypothese alle
von mir herangezogenen Tatsachen in ubereinstimmender
Weise zu deuten.
Die Frage nach dem Triiger des Banden- und des Serienspektrums des Wasserstoffs ist fast ebenso alt wie die Entdeckung der zwei Spektren selbst. Die Annahme, daB der
Trtiger des Serienspektrums das positive H-Atomion sei, hat
mich vor zehn Jahren zur Auffindung des Dopplereffektes
in den H-Kanalstrahlen gefuhrt. Damals und mehrfach in
den folgenden Jahren ist von mir und anderer Seite das
Problem des Triigers der H-Serie besprochen worden. Icli
will auf die Geschichte des Problems hier nicht zuriickgreifen,
sondern unter neuen Gesichtspunkten zu seiner Losung zu
gelangen versuchen.
2. Dm H-Serien- und das H-Bandenspektrum M e n verschkdene Triiger. - Die Beobachtung des Kanalstrahlen-
Dopplereffektes deckte gleich zu Anfang einen wichtigen
Unterschied zwischen dem Serien- und dem Bandenspektruni
des Wasserstoffs auf: die H-Serienlinien zeigen alle den Kanalstrahlen-Dopplereffekt oder bewegte Intensitiit in betriichtlicher Sttirke; die H-Bandenlinien zeigten bis jetzt auch nicht
eine Andeutung einer bewegten Intensitiit. Diese Beobachtung ist nach mir von anderen Forschern mehrfach besttitigt
worden, und ich habe seit meinen ersten Beobachtungen immer
wieder die GelegeIfheit wahrgenommen, sie nachsupriifen. So
besitze ich Spektrogramme, auf denen die bewegfen Streifen
der H-Serienlinien breit und uberlichtet und auch die ruhenden
Bandenlinien uberlichtet sind, von deren bewegter Intensitiit
indes nicht eine Spur wahrzunehmen ist. Auf Grund dieser
Annalen der Phpeik. IV. Folge. 49.
1s
182
J . Murk.
Rpekt'rogramme kann ich folgendes behaupten : Unter den
Vmstanden, unter denen bis jetzt der Kanalstrahlen-Dopplereffekt an Wasserstofflinien beobachtet wurde, ist die bewegte
Intensitat der €3-Bandenlinien zum mindesten 100mal kleiner
atls diejenige der Serienlinien, wenn sie uberhaupt von Null
verschieden ist.
Die vorstehenden Tatsachen lassen uns nachstehende
Yolgerungen ziehen.' Was das Serienspektrum betrifft, so
beweist dtts Auftreten des Kanalstrahlen-Dopplereffektes in
ihm, daB sein Triiger in betriichtlicher Zahl als bewegtes
Teilchen in den Kenalstrahlen vorkornmt und da& zudem
wine Schwingungszentren in ihrem Trager, die ,,Serienelektronen", in dem Vorgang der Bewegung der Kanalstrahlen
durch ein verdunntes Gas zum Leuchten angeregt werden.
l h e r die Art der Anregung des Leuchtens in den bewegten
Serienlinien liiBt uns eine andere Tatsachex) eine genauere
Sussage machen. Es ist nhmlich die bewegte Intensitiit der
H-Serienlinien zum Teil in der Weise polarisiert, dab die
Schwingungen der Emissiondzentren parallel der Aehse der
Geschwindigkeit der Kanalstrahlen erheblich intensiver sind
als die Schwingungen senkrecht dazu. Diese Tatsache laBt
wohl keine andere Deutung zu, als daB die Serienelektronen,
wahrend sie in ihrem bewegten Triiger sitzen, durch dessen
StoB auf ruhende Teilchen, angeniihert in der Achse der Geschwindigkeit, aus ihrer Ruhelage heraus in ihrem Trager
beschleunigt werdeii und nach vollendetem StoB in Schwingungen um die Ruhelage angenahert in der Achse der Geschwindigkeit Licht ausstrahlen.
Was das Bandenspektrum betrifft, so l&Bt das Fehlen
des Kanalstrahlen-Dopplereffektes in ihm, streng genommen,
zwei Deutungen zu: erstens, es kommt sein Triiger nicht in
merklicher Zahl als bewegtes Teilchen in den Kmalstrahlen
vor, zweitens, er kommt zwar in merklicher Zahl vor, wird
aber nicht 5u merklicher Lichtemission in seinen Bandenlinien angeregt. Von diesen zwei Deutungen ist indes die
zweite duschaus unwahrscheinlich. Der Fall der Serienliazien
zeigt uns ja, da13 ihre Zentren unmittelbar durch den StoB
ihrer Trages auf ruhende Gasmolekule zu Schwingungen um
1 ) J. Stark, Verh. d. Deutsch. Physik. Ges. 8. p. 104. 1908;
J. Stark u. H. Lunelund, Ann. d. Phys. 46. p. 68. 1915.
Das neutrale Atom u d das positive Atomion usw.
183
ihre Ruhelage angeregt werden. W a r m sol1 das gleiche nicht
auch hei den Zentren der Bandenlinien der Fall sein, wenn
ihr TrBger auf seinem Wege auf rnhende Gasmolekiile trifft?
Welche Hand schutizt sie davor, durch einen s d c h ShB
a m ihrer Ruhelage herausgeworfen zu werden, oder fiihrt
sie, im Falle dies geschieht, ohnr Schwingungen in ihre Ruhelage zuruck ? Die H-Kanalstrahlen sind von 106-106 cm sec-l
Geschwindigkeit beobachtet worden. I)er Zufall liiSt in der
Relativbewegung von Kanalstrahlea und ruhendem Gas bewegte und ruhende Atome in allen mciglichen Abstanden von
der Achse ihrer Rela tivgeschwindigkeit aufeinanderstoSen.
Sollten nun in allen diesen Fallen die Bandenelektronen in
bewegten Tragern nicht durch StoB zu Lichtemission angeregt
werden konnen ? GewiB, man kann mit, . Ja auf diese Frage
durch eine Hypothese antworten: indes ist der Wunsch wohl
nicht ubertrieben, daB dann diese Hypothese nicht mit einem
allgemeinen Hinweis auf die Ungeklartheit des Vorganges
der Lichtemission in zahlreichen Fallen, sondern in dem
spe5iellen vorliegenden Falle wenigstens einigerrnaBen begriindet und plausibel gemacht werde. naI3 ubrigtms die Trager
der Bandenlinien durch ZusammenstoB mit anderen Atomen
in der Relativbewegung von Kanalstrahlen und ruhendem Gas
zu Lichtemimion angeregt werden konnen, l&Btsich auf Grund
folgender Tatsachen wenigstens plausibel machen. Die HBendenlinien zeigen in den Kanalstrahlen zwar keine bewegte,
wohl aber eine ruhende Intensitiit, und diese wird, wie in
dem Anhang zu dieser Mititeilung gezeigt ist, BM grogten
Teile unmittelbar durch den StoB der bewegten Kanalstrahlenteilchen auf ruhende Molekule zur Emission gebracht. Dieser
StoB kann aus dem H,-Molekul ein neutrales Atom oder ein
positives Atomion abspalten und dadurch erst den ruhenden
Tr&ger einer Linie schaffen. Deren Emission mag eine Folge
einer solchen Umlagerung sein; es ist aber auch moglich, daB
die hdenelektronen unmittelbar durch den StoB der Kanalstrahlen selbst zu Schwingungen angeregt w8rden. Der Wettbewerb dieser zwei Moglichkeiten laBt zwar nicht zwingend
folgern, daB die Trager der Bandenlinien auch als Kanalstrahlenteilchen zu Lichtemission angeregt werden wiirden,
wenn sie als solche vorkiimen; immerhin aber machen jene
Tatsachen diese Folgerung plausibel.
13'
184
J . Stark.
Da gem56 diesen Darlegungen die zweite der oben angegebenen Moglichkeiten zur Deutung des Fehlens des Kanalstrahlen-Dopplereffektes im H-Bandenspektrum sehr unwahrscheinlich ist, durfen wir wohl die andere'Deutung annehmen,
zumal sie nicht allein von vorneherein an sich wahrscheinlich ist, sondern sich auch durch weitere Folgerungen begriinden liiBt. Es sei also aus dem Fehlen des KanalstrahlenDopplereffektes im H-Bandenspektrum gefolgert, daB dessen
Triiger nioht in merklicher Zahl als bewegtes Teilchen in den
H-Kanalstrahltn vorkommt. Hieraus und aus der Folgerung,
daS der Triiger der H-Serie als bewegtes Teilchen in den HKanalstrahlen vorkommt, ergibt sich dann, daB das Bandenund das Serienspektrum vewchiedene Triiger haben. Dieses
wichtige Resultat erscheint durch die vorhergehenden Uberlegungen u n g e m g e n begriindet. Es fuhrt anch zu einer
Reihe von Folgerungen, die in Ubereinstimmung mit der
Erfahrung stehen. Wollte man ihm gegenuber die Hypothese aufstellen, da% die zwei Spektren denselben Triiger
haben, so wiirde das Fehlen des Kanalstrahlen-Dopplereffektes
im Bandenspektrum besonders schwer zu begriinden sein.
Wenn wirklich die Banden- und die Serienelektronen demselben
bewegten TrLger angehorten, warum lassen sich dann wohl
die einen, aber nicht die anderen durch den StoB der bewegten
Triiger auf ruhende Gasmolekule zu Schwingungen um ihre
Ruhelagen in dem gleichen Frequenzbereich anregen. Warnm
geraten d a m die Bandenelektronen nicht wenigstens durch
ihre Koppelung mit den Serienelektronen - eine solche
Koppelung wiire dann doch wohl zweifellos vorhanden - so
in Schwingungen, daD deren Emission wenigstens ein Hundertstel der bewegten Intensitiit der Serienlinien erreichte ?
3. Die Trager des H-Serien- und des H-Bandenspektrunas
haben beide die Mmse (m= 1) des Wasserstoffsatoms. - Aus
dem maximalen Kanalstrahlen-Dopplereffekt einer HI-Serienlinie laBt sich die maximale Geschwindigkeit ihres Triigers
ermitteln. Bus dieser und aus dem Kathodenfall lLSt sich
dann in der bekannten Weise die Masse des TrZigers der
Serienlinie berechnen, wenn man die Ladung kennt, mit
welcher er beim Durohlaufen des Kathodenfalls beschleunigt
wurde. Da die elektromagnetische Analyse der Kanalstrahlen
fiir Wasserstoff nur einfach geladene Atomionen aufgedeckt
Das neutrale Atom und das positive Btomion
ZLSW.
185
hat, so haben wir als Ladung der TrHger der Serienhen wiihrend der Zeit der Beschleunigung im Kathodenfall ein Elementarquantum anzusetzen. Fiihrt man hierfur und fiir Werte des
Kathodenfalls kleiner als 2000 Volt die angegebene Berechnung
cler Masse des Trtigers der H-Serienlinien durch, so erhalt man
hierfur den Wert der Masse des Wasserstoffatoms (m = 1)
iuid zwar fiir alle Linien (Ha,
H,. H,, H,, H,) der Serie, soweit sie untersucht werden konnen. Wir diirfen es somit als
ein Resultat des Kanalstrahlen-Dopplereffektes betrachten,
drtB die H-Serienlinien alle denselben Triiger haben und da13
dieser die Masse des Wasserstoffaboms hat.
1)ieses Resultat ist an sich sehr wichtig und gestattet
weiter ein Urteil iiber die Zuverlassigkeit einer anderen Methode
zur Ermittlung der Masse von Linientragern. Diese besteht
in der Messung derjenigen Halbweite von Spekt'rallinien, welche
ihren Ursprung ausschlieBlich in der Verbreiterung infolge der
thermischen Bewegung der Linientrliger als Gasmolekule in
der fehlinie gemiiB dem Dopplerschen Prinzip hat. Wie
sich niimlich zeigen IaBt, ist diese Halbweite
-
Ail = 3,58 l U - 7 1
i:
- em,
wo T die absolute Temperatur des leuchtenden Gases ist.
In einem ausfuhrlichen Bericht ') habe ich nun die verschiedenen
Arten von Linienverbreiterung besprochen und die Bedingungen klargestellt, welche erfiillt sein miissen, wenn die Verbreiterung infolge der thermisch-molekuleren Bewegung (,,thermokinetische" Vc rbr. it,.rung) jede andere iiberwiegen und somit
die Ermittlung der Masse des Linientragers nach der obigen
Formel moglich sein 5011. Wenn ieh auch fiir die Einzelheiten auf meinen Bericht, verweisen muB, so rechtfertigt es
doch die Bedeutung des hier behandelten Problems, daB ich
hier wenigstens die leitenden Gesichtspunkte angebe.
Damit die Verbreiterung durch die Storangen infolge
der molekularen ZusammenstoBe klein i t verglichen mit der
thermokinetischen Verbreiterung, muS der Gasdruck kleiner
als 10 mm sein. Damit die Verbreiterang durch die zwischenmolekularen elektrischen Felder klein ist verglichen mit der
thermokinetischen Verbreiterung, mu€! die Ionendichte und
somit die Dichte der dss Leuchten erregenden elektrischen
1 ) J..Bterk, Jshrb. d.
Rad. u. El. 1'2. p. 349. 1915.
186
J.
Stark.
Stromung (positive Siiule) moglichst klein sein. Diese letzte
Bedingung ist auch zu dem Zweck zu erfullen, daB der kinetische Zustand des elektrisch durchstromten Gases nicht merlilich von dem thermodynamischen Zustand von einer bestimmten Temperatur verschieden ist.
Die erste Bedingung laBt sich bei allen Gasen leicht erfullen. Die zweite 1aBt sich rnit groater Annaherung an das
Ideal im Falle der Edelgase erfullen. Diese besitzen namlich
Linien, deren Intensitat schon bei kleiner Stromdichte groB
ist. Aus diesem Grunde ist es F a b r y und Buissonl) bei
diesen Gasen gelimgen, die Richtigkeit der obigen Formel
fur die thermokinetische Halbweite mit groBer Genauigkeit
und uberzeugend nachzuweisen. Schwieriger liegt der Fall
bei den Serienlinien des Wasserstoffs. Um sie in einer fur die
Messung hinreiehend grol3en Intensitat zu erhalten, muB man
sie einerseits mit erheblich groBer Stromdichte anregen, andererseits werden sie von allen bis jetzt untersuchten Linien am
weitesten durch das elektrische Feld zerlegt2) und sind darum
am empfindlichsten fur die Verbreiterung durch zwischenmolekulare elektrische Felder. Ob darum bei ihnen die thermoliinetische Verbreiterung noch rein fur sich allein auftritt,
ld3t sich nicht voraussagen und bedarf einer vorsichtigen
Prufung. Diese ist indes dadurch ermoglicht, daB wir ails
dem Kanalstrahlen-Dopplereffekt die Masse des Tragers der
H-Serienlinien kennen und somit, die thermokinetische Halbweite fur diese berechnen und rnit der experimentell ermittelten berechnen konnen. Nun haben A. A. Michelson3),
F a b r y und Buisson4) und Dempster6) die Halbweite von
Ha bei niedrigem Druck an der positiven Saule bestimmt.
Der beobachtete Wert' stimmt, wenn auch nicht genau, SO
doch angenahert rnit der thermokinetischen Halbweite uberein, die sich fur m = 1 berechnet. Hieraus ist zu schlieaen,
da8 bei einer H-Linie, fur welche die elektrische Zerlegung
nicht groBer ist als fur H,, die beobachtete Halbweite unter
den Bedingungen jener Forschr rnit Annaherung als rein
1) Ch. Fabry u. H. Buisson, Compt. rend. 154. p. 1224. 1912.
2) J. Stark u. H. Kirschbaum, Ann. d. Phys. 43. p. 1017. 1914.
3) A. A. Michelson, Phil. Mag. 34. p. 280. 1892.
4) Ch. Fabry u. H. Buisson, Compt. rend. 154. p. 1500. 1912.
5) A. J. Dempster, Ann. d. Phps. 47. p. 791-808. 1916.
Das neutrale Atom und das positive Atomwn usw.
387
thermokinetisch aufgefaBt werden kann ; dagegen wird dies
nicht mehr der Fall sein konnen fur Linien, welohe durch
das elektrische Feld weiter als H, zerlegt werden.
In der Tat haben Michelson und D e m p s t e r fur die
Linie Hs e k e erheblich groBere Halbweite als die thermokinetische beobachtet, und einen noch grofieren Untersohied
fand, wie zu erwarten ist, D e m p s t e r bei H,. Was dagegen
die H-Bandenlinien betrifft, so werden sie, soweit sie untersucht sind, viel weniger als H, vom elektrischen Feld zer1egt.l) Wenn darum schon bei Ha unter den Bedingungen
von F a b r y und Buisson die Halbweite eine thermokinetische
ist und die Masse des Linientragers berechnen laBt, so trifft
dies viel genauer fur die H-Bandenlinien zu. An einigen von
diesen haben nun F a b r y und Buisson die Halbweite beobochtet und aus ihr nach der obigen Formel die Masse ihrts
Tragers ermittelt und dafur genau den Wert m = 1 gefunden.
GemiiS diesen Darlegungen durfen wir es als experimentell
sichergestellt erachten, daB der Trliger von H-Bandenlinien,
ebenso wie derjenige der H-Serienlinien, die Masse m = 1 besitzt. F a b r y und Buisson haben freilich, wie es scheint, nur
wenige HI-Bandenlinien auf ihre Halbweite untersucht, und
es muB darum mit der Moglichkeit gerechnet werden, daS
es unter den zahlreichen Linien des Viellinienspektrums des
Wasserstoffs solche gibt, deren Halbweite nicht die Masse
m = 1 fur ihre TrLger liefert. Der Vorsicht halber mochte
ich darum in der vorliegenden Abhandlung die Bezeichnung
H-Bandenlinien auf diejenigen Linien beschrankt wissen, deren
Tri-iger die Masse m = 1 hat.
4. Der Triiyer des Swiempektrums ist d a s positive Atom&. - GemiiB Abschnitt 2 sind die Triiger des Serien- und
des Bandenspektrums des Wasserstoffs voneinander verschieden,
gemi-iB Abschnitt 3 haben sie beide die gleiche Mrtsse m = 1.
Wir kennen nun in der Tat zwei Individuen, welche die gleiche
Messe haben und doch verschieden voneinander sind. Es ist
dies das neutrale Wasserstoffatom und das positive Wasserstoffatomion, das aus jenem durch Abtrennung eines negnbiven Elektrons sich bilden kann. So k o m e n wir zu der
Folgerung, daR das neutrale H-Atom und das positive H-Atomion
1 ) J. S t a r k , Elektrische Spektralanalyse chemischer Atome, p. 76.
S. Hirzel, Leipzig 1914.
1 as
J . Stark.
die Trager des H-Banden- und H-Serienspektrums sind. Die
Frage erhebt sich nun: 1st das Serienspektrum dem neutralen Atom oder dem positiven Atomion zuzuweisen? Auf
diese Frage erhalten wir durch die Vereinigung folgender
Tatsachen Antwort. Einesteils kommt der Trager der H-Serie
als bewegtes Teilchen in den H-Kanalstrahlen vor, wie aus
dem Auftreten des Kanalstrahlen-Dopplereffektes an den
Serienlinien folgt. Andererseits kommt, wie W. W i e n und
andere Forscher durch die elektromagnetische Analyse gezeigt haben, das positive H-Atomion in den H-Kanalstrahlen
in erheblicher Zahl vor. Zudem geht dies. aus einem ZusammenstoB mit einem ruhenden Atom jedenfalls in sehr
vielen Fallen fertig gebildet als Atomion mit scharfen Eigenfrequenzen hervor (vgl. Abschnitt 5 ) . Die ungezwungenste
Folgerung aus diesen Tatsachen ist,, daB das posit,ive H-Atomion der Trager der H-Serie ist.
1st somit der Trager des Serienspektrums festgestellt, so
folgt aus der obigen Alternative, daB der Triiger des H-Bandenspektrums das neutrale Wasserstoffatom ist.
5. Das neutrale H-Atom kommt nicht im Gleichgewichtszustand mit scharfen Spektrallinien in merklicher Zahl aEs bewegtes Teibhen in den Kanalstrahlen vor. - Das vorstehende
Resultat, dal3 das neutrale H-Atom der Trager des H-Bandenspektrums ist, und die Tatsache, daB die H-Bandenlinien
keinen merklichen Kanalstrahlen-Dopplereffekt zeigen, lassen
weiter folgern, daB das neutrale H-Atom nicht in merklicher
%ah1als bewegtes Teilchen in den H-Kanalstrahlen vorkommt.
1)iese Folgerung kann noch auf anderem Wege begriindet
werden. Obwohl sie namlich auf den ersten Blick einem Resultat der elektromagnetischen Analyse der Kanalstrahlen zu
widersprechen scheint, gewinnen wir gerade durch diese ein
tieferes Verstandnis fiir sie.
Wie W. Wienl) und andere Forscher festgestellt haben,
kommen in einem Kanalstrahlenbiindel gleicheeitig positive
und in merklicher Zahl neutrale Strahlenteilchen vor. Wollte
man im Falle des Wasserstoffs die neutralen Strahlen vorschnell mit neutralen H-Atomen identifizieren, so bestiinde
allerdings ein Widerspruch zu unserer obigen Folgerung uber
das Fehlen der neutralen H-Atomkanalstrahlen. Indes hat
1 ) R. W i e n , Ann. d. Phys. 27. p. 1029. 1908; 30. p. 349. 1909.
L)as wutrab Atom und das positive Atomhi, usw.
189
man zu beachten, claB die elektromagnetische Analyse lediglich das Vorkommen nentraler Strahlen feststellen liiSt, jedoch
uber die Natur dieser Strahlen keine direkte Aussage macht.
Immerhin aber lafit, sich aus einem weiteren Resultat der
elektromagnetischen Analyse eine Folgerung uber die Natur
der neutralen Kanalstrahlen ziehen, welche vollstlindig im
Einklang mit der obigen spekt8ralanalytichen Folgerung steht.
Wie namlich W. Wien und andere Forscher gezeigt hahen,
bildet sich zwischen den neutralen und den positiven Kanalstrahlen ein Gleichgewicht aus, indem sich einerseits positive
Atomionen durch 8toB neutraler Strahlen auf ruhende Gasmolekiile infolge von Ionisierung aus neutralen Strahlen und andererseits neutrale Strahlen durch StoB positiver Strahlen auf ruhende
Gesmolekiile infolge von Neutralisierung aus positiven Strahlen
bilden. W. W i e n l ) und J. Koenigsberger und J. K u t s c h e w s k i 2, haben experimentell die mittlere freie Weglhge
der positiven und neutralen Strahlenteilchen zwischen zwei aufeinander folgenden Umladungen (von positiv zu neutral und von
neutral zu positiv) bestimmt. Die von ihnen gefundenen Werte
beziehen sich zwar auf tiefere Drucke als diejenigen, die bei der
Beobachtung des Kanalstrahltn-Dopplereffektes vorlagen ; indes
finden sie Werte, welche den mittleren freien Weglangen von
Gasmolekiilen bei solchen Drucken nahekommen. Soweit es
uns darum nur auf die GroBenordnung ankommt, diirfen wir
fur den Druckbereich des Kanalstrahlen-Dopplereffektes im
Wasserstoff (0,l-0,Ol mm) die mittlere freie Weglange der
positiven und der neutralen Strahlen gaskinetiscb nach der
Formel
1
1.
=
~
n
n oe
berechnen, wo n die Anzahl der Molekule in der Volumeinheit,
die Summe der Radien des bewegten und des ruhenden Molekiils ist. Setzen wir fur 760 mm, Druck'n gleich 2,79.1019
den Radius des H,-Molekiils gleich' 2,2cm, d& des
Strehlenteilchens' gleich 1
cm, so berechnet sich A fur
0,076 mm Druck zu 1 10-l cm.
Aus der mittleren freien Weglange der Strahlen lafit sich
nun eine andere GroBe berechnen, welche von groBer Bedeutung
-
-
~~
1) W. Wien, Bed. Akad. 27. Juli 1911: AM.d. Phgs. 39. p. 528.1912.
2) J. Koenigabcrger u. J. Kutscheweki, Ann. d. Phys. 87.
p. 161. 1912.
J . Stark.
190
fur das Verstandnis der Lichtemission der Kanalstrahlen ist.
Es ist dies die mittlere Lebensdauer eines Strahlenteilchens.
Setzen wir namlich fur die Geschwinriigkeit der leuchtenden
H-Strahlen den Mittelwert w = 4 lo7 cm sec-l, so ist die
mittlere Lebensdauer eines positiven oder neutralen Strahles
sec. Unbei 0,076 mm Druck von der Ordnung 2
mittelbar nachdem ein neutraler oder ein positiver Strahl
aus dem ZusammenstoB eines Strahles mit einem ruhenden
Molekul geboren ist, hat er also im Mittel nur 2
sec
zur Betatigung in einem kurzen Leben zur Verfugung. Sol1
er wenigstens wahrend eines Teiles seines Lebens Licht in
scharfen Spektrallinien emittieren konnen, so ist notwendig,
sec unmittelbar nach seiner GedaB er fruher als in 2
burt in einen Zustand kommt, in welchem ihm scharfe Eigenfrequenzen eigentumlich sind. Diese Forderung ist fur das
neutrale und positive Strahlenteilchen eingehend zu prufen.
Was zunachst das positive Strahlenteilchen betrifft, so
ist es wohl moglich, daB in einer Anzahl von FLllen seine
Erschutterung durch den StoB so grog ist, daB es nicht sofort
nach dem StoB einen Zustand erreichen kann, in dem ihm
scharfe Eigenfrequenzen eigentumlich sind. In einer erheb:
lichen Zahl von Fallen wird dies indes zutreffen; es geht in
diesen Fallen das Strahlenteilchen als fertiges positives Atomion aus dem StoB hervor, das fur sich allein keine Entwicklung
mehr durchmacht, lediglich seine Teile (Serienelektronen) in
scharfen Frequenzen um ihre Ruhelagen wahrend seines
Lebens (2 *
sec) schwingen und Licht emittieren 1aBt.
Ein positives H-Atomion vermag so als Kanalstrahl unter
den angenommenen Bedingungen im Mittel 1,5 lo6 Wellen
fur Hp ungestort aneinander zu reihen.
Anders liegt der Fall bei dem neutralen Strahlenteilchen.
Dieses wird aus dem StoB als ein Quantenpaar geboren, namlich a h das System Atomion-Elektron, in welchem das positive Quantum mit den1 negativen, je nabh dem wechselseitigen Abstand und der Energie ihrer Relativbewegung,
mehr oder minder fest gekoppelt ist. Aus diesem Zustand
des Quantenpaares entwickelt sich das neutrale Strahlenteilchen unmittelbar nach dem StoB weiter, indem das Elektron auf gekrummten Umlaufbahnen dem positiven Atomion
und zuletzt seiner Ruhelage in den1 entstehenden neutralen
-
-
-
-
-
Das iLeutrale Atom und das posilave Atomioik usw.
191
Atom sich nahert, und wenn das Quantenpaar lange genug
leben konnte, so wiwde es sich in ein neutrales Atom verwandeln, in welchem das Elektron in oder nahe seiner Ruhelage sich befindet. Das aber ist die Frage: ob eine Zeit von
2
sec ausreicht fur die Umbildung eines Quantenpaares zu einem neutralen Atom. Wir wissen hieriiber nichts
Bestimmtes. Aber wenn wir bedenken, daB die bei der Umwandlung frei werdende Energie ausgestrahlt werden mu6
und daB die Dampfung der Bewegung von Elektronen durch
Strahlung sehr klein ist, so durfen wir vermuten, claB die
Zeit der Bildung eines neutralen H-Atoms aus einem Quantensee ist. 1st. dies der Fall,
pear erheblich gro6er als 2 *
dann konnen sich in einem H-Kanalstrahlenbundel unter
den Bedingungen fur die Beobachtung des KanalstrahlenDopplrreffektes die neutralen Strahlen nicht i? perklieher
Zahl in bewegte neutrale H--4tOnle verwandeln; somit kommer,
dann diese nicht in merklicher Zahl als bewegte Teilchen vor,
iind konnen darum auch nicht ihr Spektrum in bewegter Intensitst in merklichem MaBe emittieren.
Betrachten wir es als erwiesen, daB der Triiger des Bandenspektrums dns neutrale H-_4tom ist, so konnen wir umgekehrt
am dem Fehlen des Kanalstrahlen-1)opplereffektes in diesem
uncl aus den Resultaten der elektromagnetischen Annlyse
folgern, da13 die neutralen Strahlen in den H-Kanalstrahlen
neutrale Quantenpaare sind und daB die Zeit der Bildung
eines H-Atoms aus einem Qnhtrnyaar groBer als 2.10-9 sec ist.
T)ie vorstehenden Uberlegungen mussen hinsichtlich des
Spektrums eines Atoms und eines Quantenpaares vertieft
werden. Es herrscht wohl kein Zweifel daruber, daB das
nentrale H-Atom, wenn sein abtrennbares Elektron in seiner
Ruhelage oder in ihrer nachsten Nshe sich befindet, scharfe
Eigenfrequenzen besitzt ; deren Gesamtheit haben wir ja im
Bandensyektrum zu erblicken. Anders liegt der Fall beim
Quantenpaar. In ihm besitzt ja das Elektron wahrend seiner
Adagerung an den positiven Atomrest keine bestimmte Gleichgewichtslage; die Kraft, welche dieser von Yeite des sich
nghernden Elektrons rrfahrt, iindert sich stark mit dem
wechselseitigen Abstancl ; zusammen mit dieser &aft lndern
sich stetig die Eigenfrequenzen der Schwingungazentren im
Atomrest. I)as in der Entwicklung zum neutralen Atom bt-
-
J . Stark.
192
griffene .Quantenpaar kann darum keine scharfen Spektrallinien, sondern nur kontinuierliche Spektralpartien besitzen.
Wegen ihrer geringen Intensitat fiir den Frequenzbereich Eins
im Vergleich zu einer scharfen Banden- und Serienlinie sind
diese vermutlichen Spektralstreifen des H- Quantenpaares schwer
neben dem Serien- und Bandenspektrum bei der kleinen Stromstarke in einer GeiBlerrohre zu beobachten; sie mogen zudem
im Ultraviolett liegen. Jedenfalls kennt man bis jetzt noch
kein derartiges Streifenspektrum des Wasserstoffs. Immerhin
ist aber bei einem anderen Element, namlich bei Quecksilberl),
ein solches Spektrum. bestehend aus breiten kontinuierlichen
Banden, aufgefunden worden. Auch bei Sauerstoff kennt
man ein solches Spektrum.
Aus der hier gegebenen Erklarung der Tatsache, daB
bis jetzt kein Kanalstrahlen-Dopplereffekt im Bandenspektrum
des Wasserstoffs beobachtet wurde, lLBt sich die Erlienntnis
fur die Bedingung gewinnen, welche erfullt sein muB, wenn
auch an Linien neutraler Atome der Kanalstrahlen-Dopplereffekt merkbar werden soll. Sie besteht offenbar darin,
daB die mittlere Lebensdauer eines, Kanalstrahlenteilchens so
gro% Erein muB, daB sich bewegte neutrale Quantenpaare in
merklicher Zahl in neutrale Atome verwandeln konnen. Z n
-
~
_
_
1) J. S t a r k u. G. W e n d t , Physik. Zeitschr. 14. p. 562. 1913.
Ich habe friiher die Lichtquantenhypothese auf die Emission
des Bandenspektrums angewendet (Physik. Zeitschr. 9. p. 86. 1908)und
angenommen, daI3 bereits in den ersten Stadien der Anlagemg eines
negativen Elektrons an seinen positiven Atomrest die Emission scharfer
Spektrallinien statthat. Da ich die Lichtquantenhypothese nicht mehr
als Arbeitshypothese verwende, so gebe ich jene vom Standpunkt der
hypothesenfreien Dynamik aue unhaltbare Annahme auf. Auch in einer
anderen Hinsicht habe ich meine Auffassung vom Bandenspektrum geandert. Ich habe niimlich friiher die Zentren der Bandenlihien amschlieBlich in den Valenzelektronen (abtrennbare Elektronen) erblickt.
Diese Auffassung ist aber wohl zu eng. Wenn ich auch daran festhalte,
daB die Frequenzen des Bandenspektrums eine Funktion der b f t parameter der Valenzelektronen sind und mit deren Bindung oder Koppe.
lung mit dem Atomrest sich andern, so mu13 man es doch als mijglich
oder wahrscheinlich zulassen, daD an der Emission eines Bandenspektnuns
als Schwingungszentren auch diejenigen Serienelektronen beteiligt sind,
welche im positiven Atomion die Zentren der Serienlinien sind. Ich habe
hierauf bereits an friiherer Stelle hingewiesen (J. S t a r k , Elektrische
Spektralanalyse chemischer Atome, p. 130. S. Hirzel, Leipzig 1914).
Das neutrale Atmn und das positive Atomion usw.
193
diesem Zweck muB die mittlere freie Wegliinge des Kanalstrahlenteilchens moglichst grol3, der Gasdruck a h moglichst
niedrig sein; ferner muB die Geschwindigkeit der Strahlenteilchen so klein sein, da8 sie sich durch ihren StoS gerade
noch zu Lichtemission anregen konnen. Die Bedingung kleiner
Geschwindigkeit ist gerade im Falle des Wassewtoffs wegen
seiner kleinen Masse am schwierigsten zu erfiillen; es ist darum
fraglich, ob es in diesem Falle je gelingen wird, den Kanalstrehlen-Dopplereffekt an Linien des neutralen H-Atoms,
also an Bandenlinien, zu beobachten.
6. Anregung der rdtmden Serien- und Bandenlhkn durch
dm Stop w)n Kathoden- und Kanalstrahkn. - Mangels uberzeugenderer Folgerungen konnte man die in diesem Abschnitt
besprochenen Erscheinungen zu einem SchluB auf die vermutlichen Triiger des H-Banden- und Serienspektrums benutzen. Dies soll indes nicht geschehen. Es sollen die Erscheinungen vielmehr auf Grund unserer obigen Folgerungen
gedeutet werden. In der Ungezwungenheit, mit der dies geschieht, diirfen wir dann ruckwiirts eine neue Bestatigung
uneerer Folgerungen erblicken.
Zuniichst die in Betracht kommenden Beobachtungen.
DaS Kathodenstrahlen bei ihrem Verlauf im Wassemtoff
gleichzeitig dessen Banden- und Serienspektrum zur Emission
bringen, ist eine seit lrtngem bekannte Tatsache. Nun hat
G. S. Fulc her l) diese Emission einmal fur sehelle und einmail fiir langsamere Ksthodenstrahlen spektrographisch aufgenommen. Wiihrend bei 50 Volt Kathodenfall die Serienlinien noch intensiver als die benachbarten Bandenlinien
herauskamen, erschienen sie bereits bei 35-45 Volt Krtthodenfall erheblich schwiicher als diese. Das gleiche R e d t a t erhielten unabhiingig von Fulcher, E. Gehrcke und R. Seeligerz), als sie die Emission eines verzijgerten Kathodenstrahlbiindels entlang dessen Achse aufnahmen, indem sie es
auf den Spektrographenspalt abbildeten. Es emchienen nlimlioh im spektrden Bilde die Bandenlinien liinger als die Serienlinien; deren Intensitat verschwand also gegen die jener bei
kleiner Geschwindqkeit der Kathodenstrehlen. Bei noch
1 ) G. S. Euloher, Physik. Zeiiaohr. 18. p. 1132. 1912.
2) E. Qehrcke u. R. Seeliger, Verh. d. Deutsch. Physik. Ges.
14. p. 1023. 1912.
194
J . Stark.
kleinerer Geschwindigkeit der Kathodenstrahlen wird auch
die Emission des Bandenspektrums rasch schwacher; bei
13 Volt Geschwindigkeit konnte sie H. R a u l ) nur eben noch
feststellen. Diese Beobachtungen haben also folgendes Resultat ergeben: Kathodenstrahlen von 50-100 Volt Geschwindigkeit vermogen durch ihren StoB auf ruhende H2Molekde sowohl die H-Serien- wie die H-Bandenlinien zur
Emission zu bringen; mit abnehmender Geschwin%keit der
stoBenden Kathodenstrahlen nimmt die Intensitiit der Bandenund Serienlinien in der Weise rasch ab, daB sie unterhalb
eines Schwellenwertes der Geschwindigkeit oder kinetischen
Energie unmerklich klein wird; der Schwellenwert der Kathodenstrahlenergie fur die Anregung der Serienlinien ist ungefahr doppelt so groB wie der Schwellenwert fiir Anregung
der Bandenlinien.
Abnlich liegen die Verhhltnisse bei der Emission der
ruhenden Serien- und Bandenlinien infolge des StoBes von
Kanalstrahlen auf ruhende Gasmolekde. Was die ruhenden
Serienlinien im Kanalstrahlenspektrum betrifft, so habe ich
fruher 2, allgemein nachgewiesen, daB sie unmittelbar durch
den StoB von Kanalstrahlen auf ruhende Gasmolekule, nicht
durch den StoB der von den Kanalstrahlen erzeugten sekund&en Kathodenstrahlen Bur Emission gebracht werden. DaB
dies auch fur den Fall der R-Serienlinien zutxifft, geht allein
daraus hervor, daB diese von den langsemen sekundiiren ‘Kathodenstrahlen nicht merklich angeregt werden. Was die
H-Bandenlinien im Kanalstrahlenspektrum betrifft, so habe
ich im Anhang nachgewiesen, daB der groBte Teil ihrer Intensitiit unmittelbar von dem StoB der Kanalstrahlen, nicht
von demjenigen der sekundaren Kathodenstrahlen herriihrt.
Wie ich bereits an einer fruheren Stelle3) mitteilte, und
wie ich seitdem durch weitere Beobachtungen feststellte,
wird die von den Kanalstrahlen an ruhenden Molekulen erzeugte , Lichtemission mit abnehmender Energie, von etwa
500 Volt Kathodenfall an, schwacher, erst langsam, dann
sehr rasch, und zwar verschwindet sie fur die Serienlhien
etwa bei 100 Volt Kathodenfall, fur die Bandenlinien bei etwa
1 ) H. Rau, Ber. d. Physik.-Med. Ges. Wiirzburg 19l.4.
2) J. Stark, Ann. d. Phys. 42. p. 183. 1913.
3) J. Stark, Ann. d. Phys. 13. p. 390. 1904.
Das neutrale Atom und das positive A h b n usw.
195
40 Volt Kathodenfall. Wie die Kathodenstrahlen, vermaen
also auch die Kanaktrahlen die Emission der Serien- und
der Bandenlinien duxch ihren 8toS auf ruhende Wasserstoffmolekule erst oberhalb eines Schwellenwertes ihrer
kinetischen Energie anzuregen, und zwar ist der Schwellenwert fur die Serienlinien groBer als derjenige fiir die Bandenlinien. I )
Die vorstehenden Beobachtungen uber die Anregung der
Serien- und der Bandenlinien durch den StoB der Kctthodenund der Kanalstrahlen mien nun auf Grund unserer Folgerung gedeutet, daB der TrZiger des Serienspektrums das positive H-Atomion, derjenige des Bandensplrtrums das nentrde
H-Atom ist. Zunachst hat man zu bewchten, da5 m a r ejn
Teil der ruhenden Ha-Molekule in einzehe Atome dissozikrt
win mag, daB aber unter den Bedingungen der be~hriebenen
1) G. F. Fulcher (Astrophys. Journ. 34. p. 389. 1911) hat die
Lichtemission eines diinnen Kanalstrahlenbiivldsl~bei senkrechter Stellung yon Sehlinie undKanalatrahlenechse spektrn.1 brlegt fiir verechiedene Werte des Kathodenfalles von
Volt. Er gibt an, da0
nnter seinen Bedingungen dasverhilltnis der Intemit&t der Serienlinien
zu derjmigen der Bandenlinien mit abnehmendem Kilthodenfall @&r
wnrde und bei KHlVolt Kathodenfdl nur mehr clie Serieniinien a d sleinen
Platten s i o h t k wurden. Man darf dieee Angabem nkht d a u deutm,
daS daa Verbgltnib der Intansitilt der d
&
Serienlinien en derjenigen der Bandenlinien in der vorsaenden Webe mit den0 Kathodenfall
Rich iindert. Fulcher beobachtete vielmehr bei den hrienlinien iibereinsnder gelagert die ruhende and die bewegte Iated%&t;die letefe ist bis
heranfer zu 500 Volt Kathodenfall erheblich grLii3w als die emte, d bei
geriager Intensitilt, wie me unhr F d c h e r e Badinlcgpsen vorlag, bleibn
die Bandenlinien in der Tat photogrephisch noah msichtbar, wenn
die bewegte Intensitiit der Seriedinien eben in m a l e r SchwiirEung
eraoheint .
Stellt man die Sehlinie parallel derAchse des &ndr&rahlenbiindeindels,
trennt! man also die ruhende und die bewegtehknsitiht der Serienlinie
mdnmder, 80 erhsllt man dabs d m n pon mir aagegelaene%ef$d~t.
Ich
besitne dsrartigeAwfmwben, cluf denen das H - h & * t m
fiir 500
d 39OVolt & t M e & d l in btirhhtlicher hbn&i%
w d e n iEt. B e
~
~ der d a d e n bSerknlinien im Verhllta3is
~
u1 den~
mit &endem 3athodenfalI wird M& e h d b 800 Volt
Ifrthoddall merklich. Fiir @;rii&reWerte d e d h ist dadl Vd&l* der
Inkmitiit der ruh&n
H-Wenlinien zu dezjmigsn dpr Bandenhien
nahexu konqtant ( J . Stark, Am. d. Phys. a.p. 430. 1908; L. Vegard,
Ann. d. PhyR. 3I). 1). 152. 1912).
196
J . Stark.
Beobachtungen dies nup ein verschwindend kleiner Prozentsatz sein kann. Der StoB eines Kathoden- und Kanalstrahlenteilchens trifft also in weitaus den meisten Fallen zunachst
ein H2-Molekul; bevor er darum an einem einzelnen H-Atom
oder H-Btomion Lichtemission anregen kann, muB er diese
Linientrager erst erzeugen, indem er aus einem H,-Molekul
ein neutrales Atom oder unter gleichzeitiger Abspaltung eines
Elektrons ein positives H-Atomion abtrennt. Unmittelbar
mit dieser Erzeugung des Linientragers ist jedenfalls in vielen
Fallen eine Anregung seiner Zentren zu Schwingungen durch
das stoBende Strahlenteilchen verknupft. Damit also durch
den StoS eines Kethoden- oder Kanalstrahlenteilchens auf
ein ruhendes H,-Molekul das H-Banden- oder H-Serienspektrum
zur Emission gebracht werden kann, muB die kinetische Energie
des Strahlenteilchens oberhalb eines Schwellenwertes liegen.
Denn die Abtrennung eines H-Atoms oder Atomions von
einem H,-Molekul verlangt eine bestimmte Arbeit. Diese,
und damit der Schwellenwert der kinetischen Energie des
Strahlenteilchen;, ist fur die Schaffung eines positiven H-Atomions aus einem H2-Molekul offenbar groBer als die Arbeit,
und damit der Schwellenwert der stoBenden Energie fiir die
Abtrennung eines neutralen Atoms. Aus diesem Grund ist
der Schwellenwert der Energie dc-r Kathoden- und der Kanalstrahlen f i i r die Anregung der Emission des Serienspektrum
groSer als fiir die Anregung des Bandenspektrums.
Ich mochte nicht unterlassen, drtrauf himuweisen, daS
die Erscheinungl) eines Schwellenwertes der stoBenden Energie
f i i r die Anregung einer Lichtemission wie schon friihzeitig2) von mir so auch von anderer Seite, z. B. von
H. Rau)*, im Sinn der Leistung der Arbeit einer der Emission vorausgehenden Arbeit gedeutet worden ist. Die Hy1) Andere Fiille : Phosphoreszenzerregung durch Kathodenstrahlen,
P. Lenard, Ann. d. Phys. 12. p. 449. 1903; Bewegte Intensit& der HSorienlinien, J. Stark, Physik. Zeitschr. 8. p. 913. 1907; 9. p. 767. 1908;
Serienemission an festen Metallverbindungen, J. Stark u. G. Wendt,
Ann. d. Phys. 38. p. 669. 1912; Fluoreszenz- und Phosphoreszenzerregung
durch Kanalstrahlen, J. Stark u. G. Wendt, Ann. d. Phys. 88. p. 690.
1912; E. Riichardt, AM. d. Phys. 48. p. 838. 1916.
2) J. Stark, Physik. Zeitschr. 6. p. 61. 1904.
3) H. Rau, 1. c.
Das neutrak Atom und das positive Atomion usw.
197
pothese der quantenhaften Lichtemission ist also zur Deutung
jener Erscheinung nicht notwendig.
7. Anhang: Die H-Bandenlinien in den Kanalstrahkn
werden nkht durch den Stop der sekundiiren Kahdenstrahkn,
sondema unmittelbar durch den Stop der Kanalstrah rmr Emission gebracht. - Gelegentlich von Versuchen, die ich uber
die Geschwindigkeit des Abklingens von Spektrallinien machte,
hatte ich die Frage zu beantworten, ob die Emission der
H-Bandenlinien in einem Kanalstrablenbiindel unmittelbar
durch den StoB der Kanalstrahlen oder durch den StoB der
von diesen erzeugten sekundliren Kathodenstrahlen angeregt
wird. Da in dieser Mitteilung mehrfach von der Anregung
der H,-Bandenlinien die Rede ist, so sei hier der Teil jener
Versuche kurz mitgeteilt, welcher die aufgeworfene Frage
mun Gegenstand hat.
Wie als bekannt vorausgesetzt werden darf, haben die
von den Kanalstrahlen an gestoBenen Atomen eur Emission
gebrachten sekundaren Kathodenstrahlen in allen moglichen
Richtungen Anfangsgeschwindigkeiten. Diese liegen, gemessen
in Volt, ewischen 10 und 40 Volt. Da in diesem Geschwindigkeitsbereich primare Kathodenstrahlen die H-Bandenlinien
zur Emission bringen konnen, so ist dies auch fiir jene sekundliren Kathodenstrahlen zu erwarten. Die von ihnen angeregte Emission durfen wir zweifellos proportional ihrer Absorption in dem von ihnen durchlaufenen Gas setzen.
Um nun die aufgeworfene Frage zu beantworten, kann
man folgende Uberlegung anstellen. Eine 2 cm breite, 2 mm
dicke Lamelle von R-Kanalstrahlen verlaufe in Wasserstoff
von so niedrigem Druck (OJ02mm), daB die Lichtemission
auf ihrem Wege noch erheblich ist. Gegeniiber der Mitte der
Lamelle, in einem Abstand (2 mm), der klein ist, verglichen
mit ihrer Breite, ist dann die Intensitat der sekundliren Kathodenstrahlung nahezu unabhiingig von dem Abstand und
in erster Linie bedingt durch ihre Absorgtion im durchstrahlten
Gas. Nach Lenardl) ist das Absorptionsvermogen a von
Kathodenstrahlen von 30 Volt Geschwindigkeit in Wasserstoff
von OJO2 mm Druck gleich 0,3 em-l. GemaB der Formel
1 ) P. Lenerd, Ann. d. Phys. 12. p. 732. 1903.
Annalen der Physik. IV. Folge. 49.
14
3 98
J . Stark.
J = J , e - a d betragt somit die Intensitiit der sekundtiren
Kathodenstrahlen gegenuber der Mitte der Kanalstrahlenlamelle im Abstand d = 0,2 em noch 94 Proz. der Intensitiit im I p e r n der Kanalstrahlenlamelle. Wenn also die
Bandenemission innerhalb der Kanalstrahlenlamelle uberwiegend von den sekundiiren Kathodenstrahlen angeregt wird,
so kann ihre Intensitiit senkrecht von der Lamelle weg nur
langsam mit dem Abstand von dieser abnehmen; sie muB bei
dem gewahlten Gasdruck auBerhalb der Lamelle in 2 mm
Sbstand von ihr noch mindestens halb so groB sein wie innerhalb der Lamelle. Wenn indes in diesem Abstand die Intensitat
der Bandenhien mehr denn lOmal kleiner ist als innerhalb der
Kanalstrahlenlamelle, so diirfen wir schlieBen, daB ihre Emission innerhalb der Lamelle zum groaten Teile unmittelbar
an den StoB der Kanalstrahlen geknupft ist und dort nicht
durch die sekundaren Kathodenstrahlen angeregt wird. Man
beachte wohl die Abgrenzung dieser SchluBfolgerung. Wiirde
die Intensitat der Bandenlinien auBerhalb der Lamelle der
Kanalstrahlen nur wenig schwacher als innerhalb derselben
sein, so wiirde damit noch nicht bewiesen sein, daB ihre Emission innerhalb und auBerhalb von den sekundaren Kathodenstrahlen angeregt wird. Denn es konnte ja sein, daB das
Leuchten der Bandenlinien nach ihrer Anregung durch den
StoB der Kanalstrahlen sehr langsam abklingt, wahrend ihre
Trager dank ihrer thermischen Bewegung aus der Kanalstrahlenlamelle herausfliegen. 1st aber, wie es tatsachlich der
Fall ist, die Bandenemission in 2 mm Abstand von der Kanalstrahlenlamelle mehr denn lOmal schwacher als innerhalb dieser,
so ist damit zugleich bewiesen, daB das Abklingen der Bandenlinien sehr rasch erfolgt und daB ihre Intensitat innerhalb
der Lamelle zum groBten Teile nicht durch die sekundaren
Kathodenstrahlen angeregt wird.
I n einer Mitteilung uber die Geschwindigkeit des Abklingens der Serien- und Bandenlinien gedenke ich meine Versuchsanordnung ausfuhrlich zu beschreiben. Hier genugen
wohl folgende Angaben. In einer 4,5 ern weiten zylindrischen
Rohre war als Kathode eine Aluminiumscheibe mit einem,
2 ern langen, 2 mm breiten Schlitz angebracht. Die Rohre
wurde horizontal zur Achse eines Spektrographen so aufgestellt, daB die Kanalstrahlenlamelle, welche aus dem Schlitz
Das neutrale Atom und das positive Atomion usw.
199
in der Kathode austrat, senkrecht zur Achse des Spektrographen verlief und ihre Breitseite horizontal war. Die in
einem Abstand von 5 mm von der Ruckseite der Kathode
liegende Partie der Kanalstrahlenlamelle wwde mit einem
Objektiv scharf auf den Spektrographenspalt abgebildet, die
Kanalstrahlenlamelle also parallel ihrer Breitseite auf den
Spalt projiziert. Der Spektrograyh war ein lichtstarker Prismenapparat. Der Druck des Wasserstoffs in der Kanalstrahlenrohre betrug wahrend der Aufnahme ungefiihr 0,02 mm.
der Kathodenfall, welcher die Kanalstrahlen erzeugte, 12000
bis 15000 Volt. Das Resultat, das man unter diesen Bedingungen fur die Bandenlinien des Wasserstoffs erhiilt, ist einfach; wenn diese namlich innerhalb des Bildes der Kanalstrahlenlamelle bereits normal geschwarzt erscheinen, ist auBerhalb dieses Bildes in 2 mm Abstand von der Lamelle noch
keine Schwarzung wahrzunehmen. Hier ist also die Intensitat
der H-Bandenlinien mehr denn lOmal kleiner als innerhalb
der Kannlstrahlenlamelle.
Aus diesem Resultat ist auf Grund der obigen Uberlegungen der SchluB zu ziehen, daB die Emission der H-Bandenlinien innerhalb eines Kanalstrahlenbundels fur ihren groBten
Teil unmittelbar an den StoB der Kanalstrahlen auf ruhende
Gasatome, nicht an den StoB der sekundaren Kathodenstrahlen
geknupft ist,. An die Feststellung dieses Resultates mochte
ich ausdrucklich zur Vermeidung von MiBverstiindnissen die
Bemerkung knupfen, daB mit ihm nicht behauptet werden
SOU, daB die sekundaren Kathodenstrahlen uberhaupt nicht
imstande seien, durch ihren StoB Bandenemission anzuregen,
sondern nur, daB die Intensitat dieser Emission, wenn sie
uberhaupt da ist, nur ein kleiner Bruchteil der Emission der
Kanalstrahlen selbst auf ihrem Wege ist. Es ist moglich, daB
ein Teil der schwachen Emission1), welche in ihrer Gesamtintensitat fiir das Auge eben wahrnehmbar bei niedrigem
Gasdruck ein Kanalstrahlenbundel umgibt, von den sekund&ren Kathodenstrahlen herriihrt.
Zum Schlusse mochte ich Herrn W. Wien, mit dem ich
uber einige Punkte dieser Mitteilung einen Briefwechsel ge__
-
1) Vgl. E. Goldstein, Verb. d. Deutsch. Physik. Ges. 4.p. 228. 1902.
14*
200 J. Stark. Das rteutrale Atom und das positive Atomion usw.
fiihrt habe, fur wertvolle Hinweise danken; sie waren mir
der AnlaB, einige Abschnitte ausfuhrlicher zu behandeln und
ltuoh den Anhang in Abschnitt 7 gleich hier mitzuteilen.
Aachen, Physik. Inst. d. Techn. Hochschule.
Dezember 1915.
(Eingegengen 21. Demmber 1915.)
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