Рис. 1.
[вернуться к содержанию сайта]
Существование явления Зеемана – разложения спектральных линий в магнитном поле давно наводило физиков на мысль о возможности аналогичного действия на спектральные линии электрического поля.
В 1901 году появилась статья известного теоретика, много занимавшегося магнитным расщеплением, В. Фойгта (W. Voigt), разбиравшая действие постоянного электрического поля на колеблющийся электрон.
Фойгт пришёл к заключению, что линии спектра при этом разлагаются на составляющие различной длины волны, причём расстояние между этими составляющими должно быть пропорционально квадрату силы электрического поля. Отсутствие наблюдений, обнаруживающих это теоретически выведенное им расщепление, Фойгт объяснил чрезвычайной незначительностью эффекта.
Независимо от других исследователей занялся этим вопросом И. Штарк [I. Stark. "Annalen der Physik" (4) 43, 965 (1914)]. Он пришёл к заключению, что изменение электрического состояния атома вследствие его ионизации должно повести к изменению периода его световых колебаний. Нужно было придумать установку, позволяющую наблюдать этот эффект. Экспериментальные затруднения были очень велики. Предстояло подвергнуть светящийся газ действию сильного электрического поля, т. е. создать в нём большую разность потенциалов. Но светящийся, нагретый газ всегда ионизирован и является проводником электричества; поэтому в нём очень трудно установить необходимую разность потенциалов: они стремятся сравняться.
Штарку пришло в голову воспользоваться положительными каналовыми лучами, проходящими через отверстия катода в направлении обратном катодным лучам при электрическом разряде через вакуумную трубку. Положительные лучи состоят главным образом из положительно заряженных частиц и атомов вещества, наполняющего трубку. Эти частицы испускают свет, характер которого зависит от содержимого трубки.
Чтобы исследовать электрическое разложение спектральных линий различных веществ, Штарку нужно было сначала точно знать нормальные спектры соответствующих каналовых лучей: поэтому он отложил предположенные исследования на несколько лет и за это время изучил спектры многих элементов в этих лучах.
Ему удалось открыть в них и явление Доплера, т. е. спектры получались различные в зависимости от того, наблюдались ли они сбоку или вдоль трубки: в последнем случае, если наблюдатель стоял так, что положительные лучи направлялись от катода к нему, спектральные линии были сдвинуты к фиолетовому концу спектра, в сторону более коротких волн.
Наконец, в 1913 году Штарк мог поставить свои опыты над действием электрического поля на каналовые лучи. Положительные частички, выходящие из отверстий (каналов) катода, он подвергал действию сильного добавочного электрического поля, независимого от того, которым производились сами катодные лучи. Для этого за катодом С (см. рис. 1) располагался третий добавочный электрод B, и между ним и катодом устанавливалась разность потенциалов, причём здесь катод по большей части служил анодом, т. е. соединялся с положительным полюсом батареи или динамо-машины, поддерживавшей это добавочное поле. Направление его, следовательно, совпадало с положительными лучами, которые попадали в него, пройдя каналы катода, и здесь ещё более ускорялись.
Частицы, движущиеся с такой скоростью, должны ионизировать воздух. Вследствие этого возникал бы электрический ток через газ, который уравнивал бы разность потенциалов и уменьшал бы силу поля. С этим действием положительных лучей Штарку пришлось бороться. Разрешил он вопрос тем, что укоротил поле и длину пробега частиц, придвинув добавочный электрод на 1,1–2,6 мм к катоду. На таком малом расстоянии, при господствующем в трубке разрежении, частица не успевала сталкиваться со многими другими частицами и ионизировать их.
Направляя сбоку спектроскоп на пространство между катодом и добавочным электродом, Штарк получал спектр положительных лучей.
Рис. 1.
Соединяя эти электроды с полюсами добавочной батареи, он наблюдал изменение спектра под влиянием электрического поля. При такой установке он исследовал, так называемый, поперечный эффект, т. е. ось спектроскопа была перпендикулярна направлению электрических силовых линий. Полученные спектры фотографировались, причём экспозиция продолжалась от 25 минут до 24 часов. С водородом и гелием получились хорошие результаты: некоторые спектральные линии их разложились на несколько компонентов, вполне отчётливо и довольно сильно, так что не пришлось прибегать к спектрографам большой разрешающей силы.
Исследование продольного эффекта, т. е. наблюдение вдоль электрических силовых линий представляло значительные затруднения, так как, кроме света, излучаемого положительными частицами, в спектрограф попадал бы через каналы катода интенсивный свет из пространства между катодом и анодом (так называемого первого катодного слоя) и, кроме того, мешало бы явление Доплера, смещающее все линии к фиолетовому концу спектра.
Это затруднение Штарк устранил чрезвычайно остроумно, изменив устройство трубки следующим образом (см. рис. 2). Снабдив катод С вместо многих отверстий одной щелью, он припаял перпендикулярно к нему около щели продырявленную пластинку С'. Добавочный же электрод B он повернул на 90º из прежнего положения, обратив его не к основной части катода, а к продырявленной пластинке. Положительные лучи попадали через щель катода в пространство между добавочным электродом и продырявленной частью катода. Теперь их направление не совпадало уже с электрическими линиями сил, а было им перпендикулярно. Эффект же наблюдался спектральным аппаратом, ось которого совпадала с направлением силовых линий, через отверстия продырявленной пластинки.
Рис. 2.
Результат исследований продольного эффекта показал, что линии здесь также разлагаются на составляющие разной длины волны; число этих составляющих меньше, чем при поперечном эффекте, причём они по числу и положению совпадают с теми составляющими поперечного эффекта, в которых электрические колебания совершаются перпендикулярно направлению электрического поля.
Интересным являлось, поляризованы ли линии при продольном эффекте; теория Штарка заставляла предполагать, что они не поляризованы, однако, возможность круговой поляризации не исключалась. Штарк показал, что в этом случае составляющие не поляризованы, ни у водорода, ни у гелия.
Значительно разнообразнее получились результаты разложения при поперечном эффекте (направление зрения перпендикулярно электрическим силовым линиям), о котором впредь и будет речь.
Чрезвычайно важно было определить, как поляризованы отдельные составляющие, на которые разлагались спектральные линии.
Для этого между трубкой и щелью спектрографа (см. рис. 1) Штарк помещал пластинку или ромбоэдр известкового шпата R, вырезанную параллельно оси. Вследствие двойного лучепреломления она давала два изображения поля, одно над другим, которые линзой L (цейссовским тессаром) направлялись на щель Sp. При этом верхнее изображение давало линии, соответствовавшие электрическим колебаниям параллельным полю, а нижнее – перпендикулярным к нему.
При такой установке Штарк фотографировал наиболее яркие линии, сначала водорода и гелия, а затем и других элементов: лития, натрия, магния, кальция, алюминия, таллия и ртути?
Не только для различных веществ, но и для различных линий одного и того же элемента получались различные разложения – как по числу, так и по направлению поляризации компонентов.
Так, например, линия Hγ водорода распадалась в электрическом поле силой в 18000 вольт на см – на 7 составляющих – 4 с колебаниями параллельными электрическому полю и 3 – с колебаниями перпендикулярными ему. Отношение интенсивностей приблизительно передаётся приложенным чертежом (см. рис. 3) так же, как и расположение составляющих относительно неразложенной линии. На том же чертеже для сравнения приложен и продольный эффект. В этом случае линия распадается на три неполяризованных компонента, соответствующих трём составляющим поперечного эффекта с колебаниями перпендикулярными направлению электрического поля. То, что линии при продольном рассматривании не поляризованы, обозначено на чертеже двумя пересекающимися стрелками.
Линия спектра гелия λ 4388 Å распадалась на два несимметричных квартета в каждом направлении (параллельных полю и перпендикулярных к нему).
Рис. 3.
Для некоторых линий, например, Не λ 5016 Å (единиц Angstrom'a) разложения вовсе не получалось при обыкновенной силе поля в 13000 В/см и небольшой сравнительно дисперсии, которой пользовался Штарк.
Описывать все случаи разложения, исследованные им, было бы бесполезно и утомительно, поэтому перейдём к попытке Штарка связать вид разложения с положением линий в "сериях" Бальмера (Balmer) и Ридберга (Rydberg)*).
Как известно, Бальмеру удалось представить все линии водородного спектра (в видимой его части) формулой
где λ – длина волны, N0 – величина постоянная для всех элементов, а m – целое число, меняющееся от 2 до 31. Подставляя эти значения в Бальмеровскую формулу, можно получить очень точные значения для λ – длины волны всех линий водородного спектра.
Ридберг, Кайзер (Kayser) и Рунге (Runge) нашли сходные законы и в других спектрах. По Ридбергу их можно в первом приближении написать так:
где n и m – целые числа, колеблющиеся в известных пределах, а и а' – числа, постоянные для каждой серии. Принимая одно из чисел n и m постоянным, и варьируя другое, мы получаем различные серии, главные и побочные, резкие и диффузные.
В явлении Зеемана, т. е. при разложении спектральных линий в магнитном поле, линии, принадлежащие к одной серии (связанные формулой Ридберга с одинаковыми значениями а, а' и n или m), разлагаются одинаковым образом, в смысле направления поляризации и числа компонентов. Того же Штарк ожидал и для открытого им явления. И действительно, первые наблюдения как будто бы подтвердили его ожидания: в первой статье, описывающей его опыты, он говорить, что наблюдениями установлено, хотя и неокончательно, следующее правило: линии одной и той же серии дают одинаковый эффект в электрическом поле в смысле числа, направления колебаний и отношения яркостей их составляющих.
Но уже в четвёртой статье, описывающей новые опытные данные, Штарку пришлось отказаться от этого простого правила, даже в отношении числа компонентов.
Пока он считает возможным высказать следующие обобщения: в каждой серии разложение, т. е. расстояние между крайними компонентами увеличивается с повышением номера линии (т. е. с увеличением числа m или n); в двух различных сериях можно сравнивать только линии одинакового номера. Такое сравнение серий гелия и лития дало следующее: линии диффузных побочных серий разлагаются значительно сильнее, чем резкие главные и побочные серии.
Итальянские учёные Ло Сурдо (A. Lo Surdo) и Пуччанти (A. Puccianti), производившие опыты в несколько иных условиях, получили более простые правила разложения спектральных линий водорода: число компонентов параллельных полю всегда равно 2, число составляющих перпендикулярных полю равно номеру линии в серии, т. е. числу m (или n). Это противоречие между наблюдателями пока не разрешено.
Другой задачей чрезвычайной важности являлось определить зависимость эффекта от силы поля.
Штарк поставил ряд исследований над спектральными линиями водорода и гелия при силе поля от 10000 до 50000 В/см. Зависимость разложения, т. е. расстояния между крайними компонентами (в единицах Ångstrom'a), от силы электрического поля вообще оказалась линейной, т. е. разложение пропорционально силе поля (см. например, рис. 4 для линии водорода Hγ) как для колебаний параллельных, так и перпендикулярных полю.
Рис. 4.
Для линии гелия λ 4472 Å разложение возрастает не прямо пропорционально силе поля, а несколько медленнее, как думает Штарк, пропорционально корню квадратному из силы поля (см. рис. 5). Эта линия кроме того отличается асимметричным разложением.
Эти результаты опытов Штарка чрезвычайно важны, так как они противоречат предсказаниям теории Фойгта, требовавшим пропорциональности эффекта квадрату силы поля. В настоящее время всякой новой теории электрического эффекта придётся считаться с этими опытными данными.
Рис. 5
Также очень интересны наблюдения Штарка над изменением интенсивности различных составляющих, при перемене направления поля для разных газов в трубке и попытка его объяснить эти явления.
В трубке, содержащей только следы чистого водорода, при разложении серии линий электрическим полем компоненты с бóльшей длиной волны (т. е. находящееся ближе к красному концу спектра) приблизительно на 30% ярче, интенсивнее компонентов с короткими волнами, если направление электрического поля совпадает со скоростью каналовых лучей; отношение яркостей меняется на обратное, если поле направить противоположно каналовым лучам.
В трубке же, содержащей, кроме водорода, следы гелия, компоненты с короткими и длинными волнами имеют одинаковую яркость, а изменение направления поля ничего не меняет.
Таковы факты. Штарк объясняет их следующим образом. Наблюдением явления Доплера удалось установить, что в трубке с чистым водородом свечение вызывается, главным образом, быстро движущимися положительно заряженными частицами водорода. В трубке же, где, кроме водорода, есть ещё и следы гелия, излучают преимущественно покоящиеся частицы и атомы водорода, разбиваемые, ионизируемые движущимися положительными частицами.
В отсутствие поля Штарк представляет себе атом в виде шара, на поверхности которого расположены электроны, а в центре которого находится положительное ядро (см. рис. 6А).
Когда на атом действует поле, он деформируется, одни электроны становятся ближе к ядру, другие дальше (см. рис. 6В); вместо одной спектральной линии появляются её компоненты разной длины волны; но при этом интенсивности этих компонентов равны.
Рис. 6.
Иное дело, если такой деформированный в электрическом поле атом начнёт двигаться: тогда у него появляются передний и задний концы; передним концом атом разбивает встречающиеся ему другие атомы и частицы, и поэтому впереди лежащий электрон приходит в более сильные колебания, чем задний. Если теперь направление скорости атома совпадает с направлением электрического поля, то, как видно из рис. 6D, передний электрон, сильнее возбуждающийся, лежит ближе к ядру и, по предположению Штарка испускает более длинные колебания, чем задний. Поэтому, когда поле и скорость частиц совпадают, большей яркостью обладают составляющие большей длины волны. Наоборот, если изменить направление поля на противоположное (рис. 6С), "передним" окажется электрон удалённый от ядра, с колебаниями меньшей длины волны, которые и выйдут на спектрограмме более интенсивными.
Понятно, что это обращение интенсивностей выполнимо только для света, испускаемого движущимися частицами; поэтому оно наблюдается только в чистом водороде: в водороде же смешанном с гелием, где, как сказано, свечение исходит от неподвижных атомов Н, изменение знака поля никакого изменения интенсивностей не вызывает.
Ещё одно явление было разъяснено Штарком в связи с его открытием, а именно расширение спектральных линий под влиянием давления. Штарк уже в 1906 году предположил, что при увеличении давления, когда молекулы газа сближаются, электроны попадают в сильные элементарные электрические поля соседних молекул. Теперь это мнение как будто подтверждается его открытием, тем более, что, как оказалось, наибольшее расширение испытывают линии диффузных побочных серий, которые и разложение дают наибольшее. Сравнивая спектрограммы расширения и разложения, Штарк вывел заключение, что молекулярные электрические поля должны быть очень сильны, до 300000 В/см.
Открытие Штарка вызвало на свет много работ других учёных, главным образом, теоретических, пытающихся объяснить новое явление.
Кроме того, итальянский физик Ло Сурдо заявил в печати ("Physikalische Zeitschrift", 15, 122), что он ещё до Штарка наблюдал найденный им эффект, но не умел его тогда объяснить. Постановка опыта у него была иная: он не устраивал добавочного электрического поля, а пользовался тем сильным падением потенциала, которое наблюдается в вакуумных трубках в Круксовом тёмном пространстве т. е. непосредственно перед катодом, в особенности, если трубка достаточно узка.
Штарк находит, что этот метод наблюдения уступает придуманному им, между прочим, потому, что потенциал перед катодом падает неравномерно, вследствие чего получающиеся компоненты не вполне параллельны друг другу, а сходятся клинообразно. Это затрудняет измерения.
Также экспериментальная работа опубликована Вином ("Sitzungsberichte der kgl. Deutschen Akad. d. Wiss." 1914, 70). Он считает, что явление Штарка не является полным аналогом явления Зеемана, так как в первом электрон вместе с атомом обладают весьма большими переносными скоростями, чего нет во втором. Вин задался целью найти магнитный аналог явления Штарка, не являющийся в то же время аналогом Зеемановского эффекта, рассуждая так: на электрон оказывает одинаковое влияние электрическая сила Е и сила vH, где v – скорость частицы, а Н – сила магнитного поля.
Поэтому, подвергая положительные лучи действию магнитного поля, он получил разложение линий, нерезкое благодаря различию скоростей, и сильное расширение линий. Последнее можно вычислить, пользуясь результатами опыта Штарка, если известно v (оно определяется по явлению Доплера). Согласие между вычисленной и найденной величиной получилось довольно хорошее.
Теоретические работы были опубликованы Гарбассо (A. Garbasso), Фойгтом, Варбургом (Е. Warburg) и Шварцшильдом (К. Schwarzschild).
Гарбассо ("Physikalische Zeitschr.", 15, 123) рассчитывает расстояние между двумя компонентами с колебаниями, параллельными электрическому полю, исходя из модели атома Бора-Резерфорда и принимая во внимание работу, совершённую внешним полем для нового образования расщеплённого атома. Для расстояния между двумя параллельными полю компонентами линии водорода Hβ при силе поля в 13000 В/см получается 2Å, Штарк нашёл из опыта 3,6Å. Эта теория даёт пропорциональность между силой поля и разложением, но не объясняет появления других компонентов.
Фойгт, ввиду несогласия его первоначальной теории с опытом, предложил видоизменение теории, которое могло бы привести к объяснению этих фактов. Он предполагает, что частицы каналовых лучей являются диполями с неодинаковым положительными и отрицательным концами. Поэтому, если возбудить поле, то диполи, обращённые в одну сторону различными концами, возбудятся несимметрично. Новая теория Фойгта относится к лучеиспусканию частиц либо движущихся, либо находящихся под влиянием движущихся частиц.
Варбург ("Berichte der Deutschen Physik. Ges." 15, 1259. 1913) иcследовал влияние электрического поля на спектральные линии водорода, исходя из Боровской модели атома. Его теория даёт не разложение линий на компоненты, а только расширение, причём порядок его совпадает с найденными Штарком величинами разложения, а величина эффекта пропорциональна силе поля. Варбург считает свою теорию несовершенной и думает, что электрический эффект принадлежит к явлениям, необъяснимым на почве классической электродинамики.
Шварцшильд ("Berichte der Deutschen Phys. Ges. 16, 20. 1914) считает, что колебания электрона в электрическом поле представляют частный случай задачи о притяжении к двум неподвижным центрам: один из них – положительное ядро, а другой – та бесконечно удалённая точка, из которой можно себе представить исходящим однородное электрическое поле. По этой теории должен получиться симметричный триплет, причём в средней составляющей колебания происходят перпендикулярно полю, а в крайних – параллельно ему. Для поля в 13000 В/см теория даёт для расстояния этих крайних компонентов 0,94Å, что совпадает с порядком найденных Штарком величин. По Шварцшильду разложение пропорционально силе поля, а смещение средней составляющей по отношению к неразложенной линии объясняется первоначальным эксцентриситетом орбиты электрона.
Все эти попытки теоретически объяснить явления, открытые Штарком, несовершенны, и, очевидно, преждевременны, так как экспериментальное исследование открывает всё новые факты, с которыми придётся считаться теоретикам. К тому же, полная теория электрического расщепления спектральных линий должна будет исходить из совершенной модели атома, какой пока не существует. Ведь не только новое явление Штарка, но и давно известное явление Зеемана не объяснено вполне, по крайней мере, его аномальные случаи.
Значение открытия Штарка только увеличивается тем, что существующие теоретические воззрения оказались недостаточными для его истолкования. Ставя новые задачи экспериментаторам, оно вместе с тем дало толчок развитию теоретических представлений о строении атома и излучении электрона.
*) См. статью Ритца "Линейные спектры и строение атомов". "Вестник" №№ 489, 490.
Дата установки: 21.09.2012
[вернуться к содержанию сайта]
