標籤:電場

原子或分子在外電場作用下能級和光譜發生分裂的現象。具體地講,就是在電場強度約為100萬伏/厘米時,原子發射的譜線的圖案是對稱的,其間隔大小與電場強度成正比。在此之前,塞曼等科學家也做過此類研究,但都失敗了。斯塔克在鑿孔陰極后僅幾毫米處放置了第三個極板,並在這兩極之間加了2萬伏/厘米的電場,然後用分光計在垂直於射線的方向上測試,觀察到了光譜線的分裂。

1簡介

斯塔克效應
Stark effect概念

2原理

原子或分子存在固有電偶極矩,在外電場作用下引起附加能量,造成能級分裂,裂距與電場強度成正比,稱為一級斯塔克效應;不存在固有電偶極矩的原子或分子受電場作用,產生感生電矩,在電場中引起能級分裂,與電場強度平方成正比,稱為二級斯塔克效應,一般二級效應比一級效應小得多。斯塔克分裂的譜線是偏振的。對斯塔克效應的圓滿解釋是早期量子力學的重大勝利。

3發現

斯塔克研究了含有氫氣的管子中極隧射線通過強電場的情況。1913年他在研究過程中觀察到氫譜線加寬了。他立即聯想到十幾年前塞曼(P.Zeeman)的發現。這會不會是與塞曼效應對應的一種電學現象?從1896年塞曼發現譜線的磁致分裂以來,科學家經常提出這樣的問題:既然在磁場中原子發出的光譜線會分裂,在電場中會不會有類似現象?然而,德國的福格特(W.W.Voigt)試圖從束縛電子發射光譜的理論推導電場對光譜的作用。計算結果表明,即使加300V/cm的靜電場,光譜線的分裂也只有鈉黃光的D雙線間隔的5×10-5。這一效應太小了,實在難以觀察。於是福格特認為,這就解釋了為什麼以前沒有人發現與塞曼效應對應的電現象。多年來,他的解釋妨礙了人們研究這一效應的積極性。
到了1913年,對量子理論起過先導作用的斯塔克對這個問題發生了興趣,他認為福格特的經典理論不足為憑。在他看來,光譜的發射是由於價電子的躍遷,電場一定會改變原子內部電荷的分佈,從而影響發射頻率。他是研究極隧射線的專家。他在極隧射線管子中的陰極和另一輔助電極之間加上強電場,強度達到31kV/cm。然後沿平行於或垂直於電場的方向用光譜儀進行觀測。氫的極隧射線穿過電場,果然觀測到了加寬。經過仔細調整,他終於獲得了譜線分裂的證據,並且證明隨著譜線序號的增大,分裂的數目也隨之增多。他還發現,沿電力線成直角的方向觀察,所有的分量都是平面偏振光,外面的兩根較強,其電矢量與電場平行;中間的幾根較弱,其電矢量與電場垂直。他的觀測非常精細,得出了如下的結論:各分量到中心線的距離是最小位移的整數倍,而最小位移對所有譜線均相同;位移與電場強度直接成正比。
1919年諾貝爾物理學獎授予德國格雷復斯瓦爾大學的斯塔克(Johnnes Stark,1874-1957),以表彰他在極遂射線中發現了多普勒效應和電路中發現了分裂的譜線。

4應用

斯塔克效應應用於原子分子結構的研究。斯塔克效應是譜線增寬的原因之一,當氣體放電電流密度較大時,產生大量帶電離子,它們對發光原子產生較強的內部電場,引起譜線斯塔克分裂;離子與發光原子的距離不同,譜線分裂的大小不同,疊加的結果導致譜線增寬。等離子譜線的斯塔克增寬可用於內部電場強度和帶電粒子密度的測定。

5影響

斯塔克效應對玻爾的原子理論起了一定的驗證作用。1914年玻爾在盧瑟福的啟示下,對斯塔克效應作了理論分析,他把斯塔克效應看成是外電場改變了電子在自由原子中的軌道引起的現象,從自己的原子模型出發,推出了氫譜線電致分裂的最大頻率位移。但是計算結果與實際測量分歧甚大。瓦伯(E.Warburg)則在玻爾的頻率公式上加一修正項,這一修正項相當於電子恢復到原有軌道所需作的功,加了修正項之後就可以滿意地解釋斯塔克效應。而索末菲的相對論性原子理論則更為理想,他的學生埃普斯坦(P.S,Epstein)根據索末菲的理論推得譜線電場分裂公式。後來索末菲提出選擇定則,並總結出一套經驗規則,結果與斯塔克的觀測相符很好。當然斯塔克效應十分複雜,準確的解釋有待於量子力學的出現和原子理論的進一步發展。
1916年,愛潑斯坦(Epstein)把斯塔克效應納入了量子力學的框架。1926年,薛定諤證明了這一效應與波動力學是一致的。

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