原子或分子在外電場(chǎng)作用下能級(jí)和光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象。具體地講，就是在電場(chǎng)強(qiáng)度約為100萬伏/厘米時(shí)，原子發(fā)射的譜線的圖案是對(duì)稱的，其間隔大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。在此之前，塞曼等科學(xué)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(gè)極板，并在這兩極之間加了2萬伏/厘米的電場(chǎng)，然后用分光計(jì)在垂直于射線的方向上測(cè)試，觀察到了光譜線的分裂。
簡(jiǎn)介
斯塔克效應(yīng)
Stark effect概念
原理
原子或分子存在固有電偶極矩，在外電場(chǎng)作用下引起附加能量，造成能級(jí)分裂，裂距與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，稱為 一級(jí)斯塔克效應(yīng)；不存在固有電偶極矩的原子或分子受電場(chǎng)作用，產(chǎn)生感生電矩，在電場(chǎng)中引起能級(jí)分裂，與電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比，稱為 二級(jí)斯塔克效應(yīng)，一般二級(jí)效應(yīng)比一級(jí)效應(yīng) 小得多。斯塔克分裂的譜線是偏振的。對(duì)斯塔克效應(yīng)的圓滿解釋是早期量子力學(xué)的重大勝利。
發(fā)現(xiàn)
斯塔克研究了含有氫氣的管子中極隧射線通過強(qiáng)電場(chǎng)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(lián)想到十幾年前塞曼（P.Zeeman）的發(fā)現(xiàn)。這會(huì)不會(huì)是與塞曼效應(yīng)對(duì)應(yīng)的一種電學(xué)現(xiàn)象？從1896年塞曼發(fā)現(xiàn)譜線的磁致分裂以來，科學(xué)家經(jīng)常提出這樣的問題：既然在磁場(chǎng)中原子發(fā)出的光譜線會(huì)分裂，在電場(chǎng)中會(huì)不會(huì)有類似現(xiàn)象？然而，德國(guó)的福格特（W.W.Voigt）試圖從束縛電子發(fā)射光譜的理論推導(dǎo)電場(chǎng)對(duì)光譜的作用。計(jì)算結(jié)果表明，即使加300V/cm的靜電場(chǎng)，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(yīng)太小了，實(shí)在難以觀察。于是福格特認(rèn)為，這就解釋了為什么以前沒有人發(fā)現(xiàn)與塞曼效應(yīng)對(duì)應(yīng)的電現(xiàn)象。多年來，他的解釋妨礙了人們研究這一效應(yīng)的積極性。
到了1913年，對(duì)量子理論起過先導(dǎo)作用的斯塔克對(duì)這個(gè)問題發(fā)生了興趣，他認(rèn)為福格特的經(jīng)典理論不足為憑。在他看來，光譜的發(fā)射是由于價(jià)電子的躍遷，電場(chǎng)一定會(huì)改變原子內(nèi)部電荷的分布，從而影響發(fā)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(qiáng)電場(chǎng)，強(qiáng)度達(dá)到。然后沿平行于或垂直于電場(chǎng)的方向用分光光度計(jì)進(jìn)行觀測(cè)。氫的極隧射線穿過電場(chǎng)，果然觀測(cè)到了加寬。經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，他終于獲得了譜線分裂的證據(jù)，并且證明隨著譜線序號(hào)的增大，分裂的數(shù)目也隨之增多。他還發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)，其電矢量與電場(chǎng)平行；中間的幾根較弱，其電矢量與電場(chǎng)垂直。他的觀測(cè)非常精細(xì)，得出了如下的結(jié)論：各分量到中心線的距離是最小位移的整數(shù)倍，而最小位移對(duì)所有譜線均相同；位移與電場(chǎng)強(qiáng)度直接成正比。
1919年 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)格雷復(fù)斯瓦爾大學(xué)的斯塔克(Johnnes Stark,1874-1957)，以表彰他在極遂射線中發(fā)現(xiàn)了多普勒效應(yīng)和電路中發(fā)現(xiàn)了分裂的譜線。
應(yīng)用
斯塔克效應(yīng)應(yīng)用于原子分子結(jié)構(gòu)的研究。斯塔克效應(yīng)是譜線增寬的原因之一，當(dāng)氣體放電電流密度較大時(shí)，產(chǎn)生大量帶電離子，它們對(duì)發(fā)光原子產(chǎn)生較強(qiáng)的內(nèi)部電場(chǎng)，引起譜線斯塔克分裂；離子與發(fā)光原子的距離不同，譜線分裂的大小不同，疊加的結(jié)果導(dǎo)致譜線增寬。帶電粒子譜線的斯塔克增寬可用于內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度和帶電粒子密度的測(cè)定。
影響
斯塔克效應(yīng)對(duì)奧格·玻爾的原子理論起了一定的驗(yàn)證作用。1914年玻爾在歐內(nèi)斯特·盧瑟福的啟示下，對(duì)斯塔克效應(yīng)作了理論分析，他把斯塔克效應(yīng)看成是外電場(chǎng)改變了電子在自由原子中的軌道引起的現(xiàn)象，從自己的原子模型出發(fā)，推出了氫譜線電致分裂的最大頻率位移。但是計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量分歧甚大。瓦伯（E.Warburg）則在玻爾的頻率公式上加一修正項(xiàng)，這一修正項(xiàng)相當(dāng)于電子恢復(fù)到原有軌道所需作的功，加了修正項(xiàng)之后就可以滿意地解釋斯塔克效應(yīng)。而阿諾德·索末菲的相對(duì)論性原子理論則更為理想，他的學(xué)生埃普斯坦（P.S，Epstein）根據(jù)索末菲的理論推得譜線電場(chǎng)分裂公式。后來索末菲提出選擇定則，并總結(jié)出一套經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，結(jié)果與斯塔克的觀測(cè)相符很好。當(dāng)然斯塔克效應(yīng)十分復(fù)雜，準(zhǔn)確的解釋有待于量子力學(xué)的出現(xiàn)和原子理論的進(jìn)一步發(fā)展。
1916年，埃普斯坦（Epstein）把斯塔克效應(yīng)納入了量子力學(xué)的框架。1926年，埃爾溫·薛定諤證明了這一效應(yīng)與波動(dòng)力學(xué)是一致的。
歷史
提問時(shí)間又到了，我來問一個(gè)問題：為什么先發(fā)現(xiàn)塞曼效應(yīng)？而不是斯塔克效應(yīng)？?jī)蓚€(gè)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)時(shí)間間隔了17年之久，這是為什么？
原因是這樣的，最早著手電場(chǎng)對(duì)光譜線探索的是科學(xué)家福格特。他試用Na原子做實(shí)驗(yàn)，沒發(fā)現(xiàn)譜線分裂。上面已經(jīng)提到了。參觀過福格特實(shí)驗(yàn)室的斯塔克意識(shí)到，應(yīng)該采用輕元素如氫或者氦，并且應(yīng)該用盡可能強(qiáng)的電場(chǎng)
然后，于1913年，他真的成功地觀察到了氫原子在外電場(chǎng)下的譜線分裂。
之所以發(fā)現(xiàn)斯塔克效應(yīng)這么難？其實(shí)一個(gè)對(duì)電動(dòng)力學(xué)有所了解的人來說，這二者在時(shí)間上的順序貌似搞反了。通常，大家的經(jīng)驗(yàn)是，在光與物質(zhì)的作用中，重要的是電場(chǎng)分量，而磁場(chǎng)分量相比之下則可以被忽略。所以斯塔克效應(yīng)應(yīng)該更容易被觀察到。
但學(xué)過量子力學(xué)的人才能理解這背后的問題所在，這個(gè)順序也確實(shí)是沒有搞反。
問題在于，至少在非相對(duì)論量子力學(xué)的框架下，一個(gè)原子能夠有非零的磁偶極矩，而不能夠有非零的電偶極矩。磁偶極矩和電偶極矩都是矢量，不過它們之間存在一個(gè)本質(zhì)差異。這個(gè)本質(zhì)差異在空間反演下才會(huì)暴露出來。
一個(gè)原子是有空間反演對(duì)稱性的，所以在其本征態(tài)下，其電偶極矩一般為零，而其磁偶極矩則一般非零。
這便意味著塞曼效應(yīng)通常是個(gè)一級(jí)效應(yīng)，而斯塔克效應(yīng)則通常是個(gè)二級(jí)效應(yīng)。因?yàn)樵颖旧頉]有固有電偶極矩，電場(chǎng)耦合的是被其所誘導(dǎo)的電偶極矩，而這個(gè)電偶極矩正比于電場(chǎng)本身。
這便解釋了為什么塞曼隨便拿個(gè)材料都可以看到他的塞曼效應(yīng)，而福格特則找了很多材料都看不到原子的譜線移動(dòng)。
而福格特雖然試了很多原子卻沒有試氫原子，大概與氫總以分子形態(tài)存在有關(guān)。那么氫原子特殊在什么地方？
氫原子特殊就特殊在，它那個(gè)電子感受的是一個(gè)庫(kù)侖勢(shì)，而庫(kù)侖勢(shì)是個(gè)非常特殊的中心勢(shì)。在一般的中心勢(shì)場(chǎng)里，比如鈉原子最散逸層的那個(gè)電子感受到的勢(shì)，電子的能級(jí)對(duì)軌道量子數(shù)L是非簡(jiǎn)并的；而在庫(kù)侖勢(shì)下，電子的能級(jí)對(duì)軌道量子數(shù)卻是簡(jiǎn)并的。
這個(gè)軌道量子數(shù)L是決定電子在空間反演下的宇稱的，所以在氫原子里，不同L的簡(jiǎn)并的態(tài)能夠疊加構(gòu)成具有非零電偶極矩的本征態(tài)，也即，氫原子的本征態(tài)是可以有非零電偶極矩的。這便導(dǎo)致氫原子可以表現(xiàn)出一級(jí)（即線性）斯塔克效應(yīng)。
所以斯塔克是幸運(yùn)的，他選的氫原子是所有原子中唯一表現(xiàn)線性斯塔克效應(yīng)的原子，其他原子都只表現(xiàn)出二級(jí)平方斯塔克效應(yīng)。
后來隨著量子力學(xué)的發(fā)展，人們用薛定諤方程來研究斯塔克模型。今天，在一般的量子力學(xué)教材里，氫原子的斯塔克效應(yīng)總是出現(xiàn)在簡(jiǎn)并微擾里（這也許是最好的展示簡(jiǎn)并微擾的例子）。確實(shí)，線性斯塔克效應(yīng)的存在完全依賴于簡(jiǎn)并的存在。
現(xiàn)在大家已經(jīng)了解到了，塞曼效應(yīng)是外磁場(chǎng)對(duì)光譜線的分裂現(xiàn)象，而斯塔克效應(yīng)是外電場(chǎng)對(duì)光譜線的分裂現(xiàn)象。大家一定要注意那個(gè)“外”字。因?yàn)?a href="/hebeideji/7195936994010071051.html">原子，分子本身具有電磁性質(zhì)。所以是外加的電場(chǎng)或者磁場(chǎng)。
這兩個(gè)效應(yīng)是對(duì)電磁學(xué)現(xiàn)象的更進(jìn)一步的驗(yàn)證，同時(shí)在解釋這兩個(gè)現(xiàn)象的過程中，推動(dòng)了量子力學(xué)的發(fā)展。尤其關(guān)于電子，軌道，自旋，電荷等等概念的推進(jìn)，起了重大作用。所以可以說這是兩個(gè)“承上啟下”的效應(yīng)。
而且你也會(huì)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)理論剛剛誕生的時(shí)候，都是大膽的假設(shè)，比如為了解釋塞曼效應(yīng)和斯塔克效應(yīng)，很多人提出了理論，然后很多人又根據(jù)其他人的理論，不斷修改，更正，互相印證，才一項(xiàng)項(xiàng)確定下來，就形成了現(xiàn)在的知識(shí)的體系。
摘自獨(dú)立學(xué)者靈遁者量子力學(xué)書籍《見微知著》
參考資料 >
斯塔克效應(yīng).知網(wǎng)空間.2017-09-03