1 Поскольку значение Φ𝑟(𝑛) во всех сериях линий в спектрах тяжелых элементов значительно отличается от единицы, следует ожидать, что для этих элементов расщепление линий в электрическом поле будет очень малым или вообще неуловимым
Согласно представленной здесь точке зрения, линия диффузной серии спектра гелия соответствует переходу между двумя стационарными состояниями, на одно из которых оказывает влияние электрическое поле, а на другое нет. Для линий водорода поле должно оказывать влияние на оба состояния. Это обстоятельство могло бы дать объяснение наблюдавшемуся Штарком факту, что компоненты гелия не поляризуются по отношению к полю, как это имеет место в случае линий водорода.
§ 3. Влияние магнитного поля
Влияние магнитного поля на спектральные линии элементов было открыто Зееманом в 1896 г. При наблюдении спектра в направлении, перпендикулярном полю, в простейшем случае линии расщепляются на симметричные триплеты, из которых средняя компонента сохраняет положение первоначальной линии и по электрическому вектору поляризуется параллельно магнитному полю, в то время как внешние (боковые) компоненты поляризуются по электрическому вектору перпендикулярно к полю. Известно, что Лоренцу удалось объяснить этот результат на основе классической электронной теории. Согласно его теоретическим расчётам, совпадающим в пределах ошибок опыта с наблюдениями Зеемана, разность частот колебаний между внешними и внутренними компонентами одинакова для всех спектральных линий и равна
τ
=
1
4π
𝑒
𝑐𝑚
𝐻
,
(21)
где 𝐻 — напряжённость магнитного поля и 𝑐 — скорость света. Позже наблюдались и сложные типы воздействия магнитного поля на спектральные линии. Но в большинстве случаев были найдены простые числовые соотношения между наблюдаемыми и вычисленными Лоренцом расстояниями компонент 1. Новые опыты Пашена и Бака 2 по воздействию магнитного поля на двойные линии, о которых будет сказано в следующем разделе, показывают, что сложные типы эффекта Зеемана тесно связаны со сложной структурой несмещённых линий. Теоретические объяснения этих результатов предложены Фогтом 3 и Зоммерфельдом 4.
1 См.: С. Rungе. Phys. Zs., 1907, 8, 232.
2 Ann. d. Phys., 1912, 39, 897; 1913, 40, 960.
3 Ann. d. Phys., 1913, 40, 368; 41, 403; 42, 210.
4 Ann. d. Phys., 1913, 40, 748.
Поскольку при наличии магнитного поля спектр элемента не может быть выражен формулой типа (2), то из этого следует, что эффект, обусловленный этим полем, не может быть объяснён путём рассуждений, аналогичных использованным во втором разделе при рассмотрении эффекта, вызванного электрическим полем. Если сохранить основное предположение о стационарных состояниях, то нужно предположить, что магнитное поле оказывает влияние на механизм перехода между стационарными состояниями, и, следовательно, на соотношение между частотой излучения и количеством энергии (ср. стр. 176). Чтобы исследовать эту проблему, мы постараемся в области малых частот найти связь с обычной механикой методом, аналогичным применённому в предыдущих разделах.
Рассмотрим электрон, который движется вокруг положительно заряженного ядра бесконечно большой массы. В стационарных состояниях орбита электрона в отсутствие какого-либо поля будет эллипсом, в одном из фокусов которого находится ядро. Теперь подобным же образом предположим, что при наличии магнитного поля движение электрона в стационарных состояниях может быть рассчитано обычным методом. Согласно общей теореме Лармора 1, орбита электрона в поле получается наложением эллиптической орбиты и равномерного вращения вокруг оси, проходящей через ядро и параллельной вектору напряжённости магнитного поля. В этом заключается возможность пренебречь членами, пропорциональными квадрату напряжённости магнитного поля. Частота вращения τ определяется выражением (23). Согласно обычной электродинамике, излучение, испускаемое вращающейся системой, будет соответствовать зеемановскому триплету, средняя компонента которого имеет такую же частоту, как и частота вращения по эллиптической орбите. Далее Ланжевен 2 показал, что полная энергия системы при вращении не меняется, поскольку возможный выигрыш кинетической энергии электронов компенсируется соответствующей потерей потенциальной энергии всей системы по отношению к полю.
1 Aether and Matter. Cambridge, 1900, стр. 341.
2 Ann. de Chim. et de Phys., 1905, 5, 70. В этой связи нужно заметить, что, согласно излагаемой теории, вращение допускает только диамагнетизм, поскольку кинетическая энергия электронов в стационарных состояниях не может быть преобразована в энергию теплового движения, как это предполагает Ланжевен в своей теории магнетизма. Этот вывод, вероятно, согласуется с опытами, которые показывают, что одноатомные газы гелий и аргон диамагнитны (см.: Р. Tänzler. Ann. d. Phys., 1907, 24, 931), несмотря на то, что предложенное в моих предыдущих работах строение этих атомов было таково, что, по теории Ланжевена, они должны были быть парамагнитными.
Поэтому, чтобы получить связь с обычной механикой и одновременно сохранить согласие с опытом 3, мы приходим к предположению, что действие магнитного поля на стационарные состояния атома водорода состоит в наложении вращения вокруг направления поля с частотой τ и что изменённое под действием поля излучение, испускаемое при переходе между двумя стационарными состояниями, обладает поляризацией и частотой зеемановского триплета. Мы видим, что это предположение эквивалентно предпосылке, что энергия атома водорода в стационарных состояниях не изменяется при наличии поля; однако для случая колебаний, перпендикулярных полю, соотношение (1) заменяется равенством
𝐴
1
-
𝐴
2
=
ℎ(ν±τ).
(24)
3 См. F. Croze. Joum. de Phys., 1913, 3, 882.
Необходимо подчеркнуть существенное различие между этими предположениями и теми, которые использовались для объяснения действия электрического поля 4.
4 К. Герцфельд (Phys. Zs., 1914, 15, 193) подробно рассмотрел различные возможности влияния магнитного поля, которые можно было бы ожидать исходя из изложенной автором теории спектра водорода. Его выводы равнозначны подученным выше. При этом он рассматривает влияние членов, пропорциональных квадрату напряжённости поля и показывает, что в сильном магнитном поле эти члены, вероятно, будут иметь заметное влияние на магнитное расщепление таких линий водорода, которые соответствуют большим числам в серии Бальмера. Это следствие большой орбиты электрона в стационарных состояниях, соответствующих большим значениям 𝑛.— Прим, авт.при корректуре.
Из аналогии между объяснением спектра водорода и спектральных серий других элементов, как оно изложено в первом разделе, можно вывести, что подобные предпосылки справедливы для стационарных состояний других атомов. В следующем разделе будет дано опирающееся на эту основу возможное объяснение сложного эффекта Зеемана для двойных линий.
§ 4. Двойные спектральные линии
Согласно рассуждениям в первом и втором разделах, каждая серия линий в спектре элемента соответствует серии стационарных состояний атома, в которых один электрон движется вокруг остальных. Конфигурация внутренних электронов должна быть почти одинаковой в любой серии, в то время как конфигурация внешнего электрона меняется от состояния к состоянию почти так же, как конфигурация электрона в стационарных состояниях атома водорода.
Согласно данной интерпретации, мы, естественно, должны предположить, что появление двойных линий в спектрах многих элементов 1 вызывается слабыми возмущающими силами, происхождение которых обусловлено конфигурацией внутренних электронов. Эти силы оказывают различное влияние на движение внешнего электрона соответственно различной конфигурации его орбит. Вследствие того, что частота компонент двойных линий может быть выражена формулой типа (2), мы можем, исходя из рассуждений разделов 2 и 3, заключить, что возмущающие силы имеют электростатическое, а не электромагнитное происхождение. Как мы увидим, эта точка зрения, вероятно, даёт простое объяснение закономерностей, наблюдавшихся при изменении расстояния между компонентами в данной серии двойных линий.
