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Die elektrodynamische Spaltung der Serienlinien des Wasserstoffs.

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842
3. Die etehtrodymam4sche Spa6tulzg der
8 & ~ z 6 % % W &deS wa88W8tOflS;
o m w. Wdem.
(Aus dem Physikalischen Institnt der Universitiit Wiirzburg.)
(nirrsn Tale1 V.)
Bald nach der Entdeckung der elekhrischenAufspaltung der
Wasserstofflinien durch S t a r kl) hatte ich z, aus der elektromagnetischen Theorie die Folgerung gezogen, daB diese Wirkung
auoh im magnetischen Felde eintreten miisse, wenn leuchtende Teilchen in ihm mit geniigend groBer Geschwindigkeit
bewegt werden. Da namlich die elektrische Kraft sich allgemein aus zwei Teilen zusammensetzt nach der Gleichung
wo B die elektrostatische, @ die magnetische Kraft, beide
im elektromagnetischen MeBsystem gemessen, b die Bewegungsgeschwindigkeit, c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnen, so
kann (3 durch [b@] ersetzt werden, wenn es gelingt, diese
Kraft geniigend groB zu machen. Wenn E in Volt/cni gemessen wird, erhalt man den Faktor lo8, so daB bei einem
Werte von o = lo8 cm/sec dieselbe Wirkung erzielt werden
mu&, wenn @ ebenso groB, in Gauss gemessen, ist wie 6 in
Volt/cm gemessen.
Die Geschwindigkeit lo8 cm/sec l&Bt sich bei Wasserstoffkanalstrahlen annahernd erreichen, und so macht es
keine Schwierigkeit, durch die Bewegung der Kanalstrahlen
im magnetischen Felde Krafte zu erhalten, wie sie bei den
ersten St arkschen Untersuchungen angewendet worden sind.
Da indessen die Kanalstrahlen Strahlen verschiedener Geschwindigkeit enthalten, so erhalt man keine scharfen Linien
1) J. Stark, Berl. Ber. 20. November 1913.
2) W. Wien, Berl. Ber. 22. Januar 1914.
Spaltung der Serienlinkn des Wasserstoffs.
843
ciurch die magnetische Einwirkung, so daB sich die einzelnen
bei nicht sehr groBer Trennung iiberdeoken und nur eine erhebliche Verbreiterung der urspriinglichen Linien erkenneri lassen.
Bei der ersten experimentellen Priifung wurde ein Elektromagnet der alten Ruhmkorffsohen Konstruktion benutzt.
Einer der Magnetpole war durchbohrt, urn das Licht der
Kanalstrahlen hindurchzulassen. Die Kanalstrahlen traten
nach dem Verlassen der Kathode der irn Eisenschutz befindlichen Rohre in eine Glasrohre von 6 mm Durchmesser, die
siob horizontal zwischen den Polen des Magneten befand. Der
Strom wurde von einer 20plattigen Influenmaschine geliefert .
Das Magnetfeld wurde durch eine kleine Spule von 2 mm
Durchmesser, deren Windungsflbhe in einem Felde von bekannter Starke bestimmt war, gemessen. De Megnetfeld und
Kanalstrahlen horizontal verliefen, war die Richtung der
&aft [b@] senkrecht. Das Licht der Kanalstrahlen fiel, nachdem es durch die Durchbohrung des Magneten gegangen war,
auf eine Kalkspatplatte von 3,5 em Dicke und wurde hier
in zwei Strahlen zerlegt, von denen der eine vertikal, der
andere horizontd polarisiert war. Er fiel dann auf eine Kondensorlinse, die zwei reelle senkreoht zueinander polarisierte
Bilder des von der Magnetdurchbohrung ausgeblendeten Kanalstrahlenstiickes auf den Spalt des Steinheilschen Spektrographen wed. Die Entfernung der Kondensorlinse von den
Kanalstrahlen betrug 66 cm, die Linse selbst hatte 2,5 em Durohmesser. Die liuhrsten die Linse treffenden Strahlen bildeten
daher einen Winkel mit der BewegungsriQhtung der Kanalstrahlen, dessen Cotangente 1,25/66 war. Die Dopplerversohiebung kann dernnach bei den Beobachtungen nicht in Betracht
kommen. Der Spektrograph polarisiert selbst das Licht durch
Reflexion an den Prismen in erheblichem Ma& senkrecht zur
horizontalen Einfallsebene , schwticht daher die senkrecht eu
[Qb] polarisierten Strahlen.
Daher sind die am meisten verschobenen Linien bei der
Zerlegung stiirker geschwacht. Daduroh wurde die Sicherheit
gewonnen, dab die beobachtete Linienverbreiterung nicht
von einer photographischen Wirkung herriihrte.
Die Geschwindigkeit v der Kanalstrahlen wurde durch
die Dopplerverschiebung gemessen, umd m a r wurden unter
genau denselben Bedingungeo sowohl die Aufnahmen der
W . Wien.
844
Dopplerverschiebung der Linie des Wasserstoffs wie die Veriinderung im magnetischen Felde vorgenommen. Auch die
mehrstiindigen Expositionszeiten wurden so gleich wie moglich gewiihlt.
Die beobachteten Verbreiterungen zeigten sich tatsiichlich
so groB, wie sie von der Theorie vorausgesehen werden. Immer
waren die senkrecht zu [b $73 polarisierten Komponenten
wesentlich starker verbreitert.
Gemessen wurde die Gesamtbreite. Nun ist diese durch
die groBten Geschwindigkeiten bedingt, die in den Kanalstrahlen vorkommen. Da das Leuchten mit zunehmender
Geschwindigkeit relativ schnell kleiner wird, so ist die Grenze
nicht scharf definiert, sondern hangt von den Intensitaten
und der Expositionsdauer ab. Um vergleichbare Ergebnisse
zu erhalten, wurde fiir jede gemessene Verbreiterung die grofite
Geschwindigkeit am Dopplerstreifen beobachtet, bei gleicher
Maximalschwkzung, gleicher Expositionsdauer und im ubrigen
nahe gleichen Bedingungen.
Die Tabelle enthalt die Messungen.
~
Spannung
Grenzgesch-digkeit
fioz.
Linienbreite
&Bere Komponente h e r e Komponente
berechnet beobachtet berechnet beobachtet
I
I
5000
5000
' 8200
8200
14500
5000
8200
14500
Die erste Reihe gibt die Entladungsspannung, die zweite
die am Dopplerstreifen gemessene groBte Geschwindigkeit, die
dritte die GroBe vH. Die nachFten Reihen geben die Linienbreiten. Als auBere Komponente sind die senkrecht zu [b@]
polarisierten, als innere die parallel polarisierten bezeichnet .
Zum Vergleich ist die Linienverbreiterung berechnet, w k
sie einer Kraft vH entsprechen wiirde, wenn nach den ersten
Beobachtungen von S t a r k durch ein Feld von 13000 Volt/cm
Spaltung der Serklinien des Wasserstoffs.
845
die &uBerenKomponenten von H , einen Abstand von 5,2 A.-E.,
die von Hs einen solchen von 3,6 A.-E., die inneren Komponenten von Ha einen Abstand von 3,8B.-E. haben.
Man sieht, dal3 die beobachteten und berechneten Werte
nahe ubereinstimmen.
Aufapaltung der Linien.
Bei den beschriebenen Versuchen konnte nur eine sehr
erhebliche Verbreiterung , keine eigentliche Spaltung , beobachtet werden. Die letztere war nur einmal bei H , angedeutet bei einer Beobachtung mit niedriger Spannung der
Entlaaung, weil hier eine verhii1tnismtiBig schwache Licht aussendung der ruhenden Teilchen, welche sonst eine unverschobene Linie in der Mitte geben, stattgefunden hatte.
Um eine grol3ere Trennung der Linien zu erhalten, muBte
das Magnetfeld verstarkt werclen. AuBerdem wurde die Dispersion des Spektrographen vergroBert.
Die Schwierigkeiten, die sich der Durchfiihrung dieser
Versuche entgegenstellten, waren erheblich groBer, als anfanp
vermutet werden konnte. Das Magnetfeld wurde durch einen
Elektromagneten nach Du Bois l) (grol3es Modell) erzeugt.
Leider vertrikgt dieser sonst vortreffliche Apparat bei dem
sngebrachten Kiihlungssystem noch nicht die ungemein langen
Betriebszeiten, die ihm bei diesen Versuchen zugemutet werden
muBten. So kam es, daB die Isolationen der Wickelungen
zweimal sehr beschiidigt wurden, obgleich der Strom nicht
einmal die angegebene Stiirke von 27,5 Amp., die fiir langere
Belastung angegeben ist, erreichte. Xerdurch waren der
Untersuchung von vornherein Grenzen gezogen.
Es traten indessen noch andere Schwierigkeiten auf. Das
vie1 sttirkere Feld des Du Boisschen Magneten ubt auf die
eiserne Kathode eine so starke Anziehungskraft aus, daB die
Glasrohre die Kathode nicht tragen ha^ und daher regelmPBig zertriimmert wurde. Es muate daher auf die gewohnliche Anordnung verzichtet werden.
Ferner kann zwischen den eisernen Armaturen kein eiserner
Schutzzylinder von so groBem Durchmesser angebracht werden,
wie ich ihn sonst zu gebrauchen pflegte. Wegen des kleineren
Eisenzylinders muBte auch der Durchmesser der Entladungs1) H. du Bois, Ann. d. Phgs. 4% p. 953. 1913.
846
w.W b .
rohre verkleinert werden, wodurch die Erzeugung der Kanalstrahlen nicht g h s t i g beeinflufit wird.
Die Verstarkung des Magnetfeldes und die VergroBerung
der Dispersion hatten auch zur Folge, daB die Spektrallinien
starker auseinandergezogen wurden und dadurch vie1 liohtschwlicher waren. Auch wurden die Kanalstrahlen selbst durch
das starkere Magnetfeld mehr geschwacht. Um die Expositionszeiten nicht ins Unmogliche anwachsen zu lassen, muBte eine
stiirkere Stromquelle fiir die Erzeugung der Kanalstrahlen
benutzt werden. Induktionsapparate erwiesen sich fiir die
von dem engen Eisenzylinder umschlossene Entladungsrohre
als unbrauchbar. Es wurde daher eine zweite vierzigplattige
Influenzmaschine angefertigt. Diese Maschine ist vom Institutsrnechaniker des Physiblischen Instituts, a n . J. Wend el,
in vortreffhher Ausfiihrung hergestellt. Immerhin verstrich
geraume Zeit, bis der Apparat vollkommen brauchbar war.
Diese Influenzmaschine gibt unter giinstigen Bedingungen einen
Strom von 2 Milliamp. Mit der zwanzigplattigen zusammen
war ein Strom von 2,8-3 Milliamp. zu erreichen. Aber der
starkere Strom in der Entladungsrohre verlangte wieder eine
neue hderung. Durch das innerhalb des Schutzzylinders
ubrigbleibende Magnetfeld werden die Kathodenstrahlen etwas
abgelenkt, so daB sie die Seitenwand der Entladungsrtihre
treffen. Die Glasrohren vertrugen bei dem starkeren Strom
die dadurch hervorgerufene Erhitzung nicht und zersprangen
nach kurzer Zeit. Diese Schwierigkeit wurde durch Benutzung
eines Rohres aus Hartbrandporzellan (innen und auBen glasiert)
der Kgl. Porzellanmanufaktur in Charlottenburg beseitigt.
Dieses Rohr bewahrte sich vortrefflich.
Figg. 1 und 2 zeigen die schlieBliche hordnung. Als
Magnetpole wurden die Kegelpole 43 : 6 mm benutzt, von
denen einer durchbohrt war. Der Polabstand betrug 4,5 mm.
M ist der Magnetschutz, die Kathode K mit ihm massiv verbunden. Auf dem Eisen der Kathode liegt eine Aluminiumacheibe. In die Durchbohrung ist die Glasrohre r eingesetzt,
die sich zwischen den Polen des Magneten befindet. Sowohl
diese Robre wie die Porzellanrobre P sind mit Chotimskykitt festgekittet. Die Rohre r fiihrt auch zur Gaedepumpe,
um einen bestandigen Strom von Wasserstoff dumh die Entladungsrohre zu leiten. Durch das Rohr R flieBt besthdig
Spaltuq der Sekmlinien des Wasserstoffs.
047
Kiihlwasser, damit die Kathode sich nicht erwlirmt. Des
Licht der Kanalstrahlen gehk durch die Durchbohrung 0,
fiillt auf das Kalkspatprism D, d a m auf den Kondensor C,
R
Fig. 1.
net. Gr6Be.
Fig. 2.
a/6
nat. GriiBe.
der die beiden reellen Bilder auf den 8palt S des Spektrographen entwirft. Die Entfernung mischen Riihre r und
Kondensor betrug 48 cm, die Entfernung vom Kondensor
bis sum Spalt 5 cm.
Uni eine groBere Dispersion des Spektrographen zu erreichen, wurde die Steinheilsche Kameralinse durch ein
ZeiBsches Tessar, wie es auch von Hrn. S t a r k verwendet
wlll.de, ersetzt. Die Linse hat ein Offnungsverhhltnis von 1 :4,5
und eine Brennweite von 40 cm. Wenn auoh die Lichtstarke
des Apparates etwes verringest war, so ist dooh der Vorteil
der groJ3eren Dispersion fiir die Aufspaltung der Linien sehr
wesentlich gewesen. Das Tessar wurde von der Firma ZeiB
leihweise iiberlassen. Ich mochte ihr fiir das freundliche Entgegenkommen bestens danken.
Als photographische Platten wurden teils ,,Hauff Extra
rapid", teils ,,LumiGre sensibilit6 extrhme'' verwenciet. Letztere
waren ein wenig empfindlicher. Als Entwickler wurden Hydrochinon-, spater G1ycinent wic Her benutzt .
Die Expositionen waren meist sehr lang. HB und H ,
konnten normal exponiert werden; H , war selbst nach 60stihdiger Exposition und sehr breitem Spalt noch stark unterbelichtet .
Auf der Tafel V ist eine Anzahl der Aufnahmen vergrohrt wiedergegeben, da die Originalaufnahmen zu klein
sind. Die VergroBerung ist auf photographisohem Wege von
848
W . Wien.
den Herren Dr. Seemann und Dr. R u c h a r d t ausgefiihrt,
denen ich meinen besten Dank fiir ihre Bemiihungen sage.
Nr. 1 zeigt die SuBeren (senkrecht zur &aft [Q ID] polarisierten) Komponenten von Hpgetrennt, die inneren verbreitert.
Nr. 2 zeigt von H,, die auBeren Komponenten getrennt,
die inneren verbreitert. Die von den nicht bewegten Teilchen
ausgesandte ungeiinderte Linie ist nicht sichtbar.
Nr. 3 zeigt die auBeren Komponenten von Hu getrennt,
auBerdem die ungeanderte Linie in der Mitte.
Nr. 4 und 5 zeigen dasselbe wie Nr. 3.
Nr. 6 zeigt H, als sehr verbreiterte Linie. Wegen der
auBerordentlichen Lichtschwbhe mul3te der Spalt mehr als
doppelt so breit genommen werden. Daher ist die Trennung
nicht siohtbar.
Die an diesen Aufnahmen gemessenen Verschiebungen der
Linien (beobacbtet) sind mit denen aus der elektrischen Aufspaltung gewonnenen (berechnet) verglichen.
Nr. 1. Platte 6, H p , gemessener Abstand der BuBeren
Komponenten 1,2 mm.
Dispersion: 11 x 1 mm = 30 A.-E.
Daraus berechnet sich: 3,25 A.-E. als Abstand.
Die Geschwindigkeit im Dopplerstreifen betrug 4,7. lo7
fiir die groBte Intensitat.
Daraus folgt H ZI = 11750 . los.
Fiir genau dieselbe Kraft 11750 Volt/cm findet Wilsar 1)
3,2 &-E.
Nr. 3. Platte 6, H,, gemessener Abstand der GuBeren
Komponenten = 3 mm.
Dispersion: 11 x 1 mm = 19 A.-E.
Abstand
= 5,2 8.-E.
,
Nach Wilsar berechnet = 5,O k-E.
Bei den folgenden Aufnahmen wurde der Intensitatsunterschied zwischen den beiden senkrecht meinander polarisierten Bildern dadurch beseitigt, dab vor die Kondensorlinse ein parallel zur Achse geschnittenes Glimmerpliittchen
1) H. Wilsar, Gott. Ber. 1914. p. 93.
Spaltung der S‘erienlinien des Wasserstof fs.
a49
gebracht wurden, so da13 jeder der beiden aus dem Kalkspat
austretenden Strahlen in zwei Strahlen zerlegt wurde, deren
Polarisationsebene uni 45O gegen den Spalt geneigt war. Auf
diese Weise schwgchte die polarisierende Wirkung des Spektrographen beide Bilder in gleicher Weise.
Nr. 4. Platte a, H,, gemessener Abstand cler Bderen
Kornponrnten 3 mn..
Dispersion: 12 x 1 mni = 19 A.-E.
Daher ist der Abstanu = 4,s A.-E.
Die ruittlere Geschwindigkeit ist 4 . lo7 cm/sec,
daht.1.
U H = 10400. lo8.
Sbstand (berechnet) = 4,5 k - E .
H
= 26000,
Nr. 5. Platte y gibt dasselbe.
Nr. 6 . Platte 6 . Bei H , kann nur die Verbreiterung
gemessen werclen. Es mu13 daher wieder die grol3te Geschwindigkeit der Rechnung zugrunde gelegt werden.
A. AuBere Kornponenten:
Gemessene Breite : 10 11111’.
Dispersion: 12 x 1 inin = l3,G k - E .
Daher Breite (beobachtet): 11,3 B.-E.
Nach S t a r k l) ist der Abstarict cler BuBeren Komponenten
bei H , bei eineiri Felde von 28500 Volt/cm = 17,7 A.-E.
Die iliaximale Geschwindigkeit brtrug fiir Platte 6 :
v, = 6,s. 107 .
Daher ist H u = 2 6 0 0 0 . 6 , 5 . lo7 = 17000. lo8.
Die Breite berechnet sich liieiaus
13. Innere Komponenten :
Gemessene Breite : 7 min
=
7,9 APE.
1) J. Stark u. H. Kirschbaum, Ann. d. Phys.
Annalen der Phyaik. IV. Folge. 49.
43. p. 1026. 1914.
55
860 W . Wien. Spaltung aer Serien1inie.n des Wasserstoffs.
Der Abstand der inneren Komponenten ist bei 28500Volt/cm
aach S t a r k = 13 A.-E., also fiir 17000 berechnet
= 7,7
-
LE.
Es kann wohl keinem Zweifel unterliegen, daB die von
der Theorie verlangte Spaltung der Linien tatsachlich beobachtet und daB aueh die GroBe der Zerlegung die richtige ist.
In theoretischer Hinsicht ist dieses Ergebnis insofern von
Bedeutung, als dadurch gezeigt wird, daB eine wirklich strenge
Folgerung &us der elektromagnetischen Theorie sich auch fiir
die Vorgiinge bei der Lichtaussendung bestgtigt. Man wird
daher doch Bedenken tragen, eine Theorie, die sich so gut
bewiihrt, zu verlassen.
Es ist nicht ausgeschlossen, daB die beobachtete elektrodynamische Wirkung auf die Spektrallinien auf der Some
vorkommt. Das in den Sonnenstrahlen festgestellte Zee mansche Phiinomen hat erwiesen, daB auf der Sonne starke
magnetische Felder vorhanden sind. Falls auch schnell bewegte
leuchtende Wasserstoffatome vorkommen, so wiirde die elektrodynamische Spaltung der Linien beobachtet werden miissen.
W u r z b u r g , Februar 1916.
(Eingegangen 28. Februar 1916.)
Annalen der I'liysik, I V.Folge, 49. &mi.
-
Tafel :1
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Nr. 1.
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Komponente
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Iuoere
Komponente
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Platte 6 (Hauff). Spalt 0,05 mm, Expositionsdauer lP'? Stunden, Feld 25000,
Spannung 9i00Volt, Geschwindigkeit des Maximums u = 4,:- lo', Rohrendurchm.
der Ksoalatrahlenri3hre 30 mw, Strom In der R6hre 2,BM. A,,Vergr6Derung l l f a c h .
Auoere
Komponente
Nr. 2. By
Innere
Komponente
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Platte b (Hnuff). Spalt 0,03mm, Expoaitionsdauer 25 Stdn., 6 = 25000,
Spannuog 96OOVolt, Geschw.d. Max. u = 4,i. 107, Rohrendurchm. d. Kanalatrahlenrohre SO mm, Strom In der R6hre 2,O M.A., VergroOerung llfaeh.
Platto 6 (Haw). 8 p l t 0,05 mm, Expositionsdauer 17*/* Stunden, Feld 26000,
Spannung 9700 Volt, Geschwindigkeit des Maximumn 1) = 4,7. 10' R5hrendurehm.
der Kanalstrahlenrohre 30 mm. Btrom in der X h r e 2.8 M. A.. Ver&Demg 11fach.
Nr. 4. H...
Nr. 6. HA.
Expoaitionsdauerb Sid.. $=26uod,
Spannung 6400 Volt Mittl. Qeschw.
d.Bfu. u=4,0 .1O7,'Ili3hrendurchm.
18mm, Rtrom in der R6bre 2,8 M.A.,
Vergr6Derung 12 fach.
dauer 2 i Stuoded, 6, = 26633, Spannuog 6OllOVolt. Geschwindigkeit des
Maximums u = 4.0 lo', VergraDerung 12fach.
.
W. Wien.
Platte d (LumiBre). Spalt 0,l mm,
Expositionsdnuer 60 Std., ~=26OOO.
Spaonung M)oo Volt,, GraDte Geschwind. 6 3 lo7, IUlhrendurchm.
18 mm, Strom in der R6hre 2,s M.A.,
VergrSDerung 12 fach.
-
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