斯塔克效应

化学术语

原子或分子在外电场作用下能级和光谱发生分裂的现象。具体地讲，就是在电场强度约为100万伏/厘米时，原子发射的谱线的图案是对称的，其间隔大小与电场强度成正比。在此之前，塞曼等科学家也做过此类研究，但都失败了。斯塔克在凿孔阴极后仅几毫米处放置了第三个极板，并在这两极之间加了2万伏/厘米的电场，然后用分光计在垂直于射线的方向上测试，观察到了光谱线的分裂。

简介

斯塔克效应

Stark effect概念

原理

原子或分子存在固有电偶极矩，在外电场作用下引起附加能量，造成能级分裂，裂距与电场强度成正比，称为一级斯塔克效应；不存在固有电偶极矩的原子或分子受电场作用，产生感生电矩，在电场中引起能级分裂，与电场强度平方成正比，称为二级斯塔克效应，一般二级效应比一级效应小得多。斯塔克分裂的谱线是偏振的。对斯塔克效应的圆满解释是早期量子力学的重大胜利。

发现

斯塔克研究了含有氢气的管子中极隧射线通过强电场的情况。1913年他在研究过程中观察到氢谱线加宽了。他立即联想到十几年前塞曼（P.Zeeman）的发现。这会不会是与塞曼效应对应的一种电学现象？从1896年塞曼发现谱线的磁致分裂以来，科学家经常提出这样的问题：既然在磁场中原子发出的光谱线会分裂，在电场中会不会有类似现象？然而，德国的福格特（W.W.Voigt）试图从束缚电子发射光谱的理论推导电场对光谱的作用。计算结果表明，即使加300V/cm的静电场，光谱线的分裂也只有钠黄光的D双线间隔的5×10-5。这一效应太小了，实在难以观察。于是福格特认为，这就解释了为什么以前没有人发现与塞曼效应对应的电现象。多年来，他的解释妨碍了人们研究这一效应的积极性。

到了1913年，对量子理论起过先导作用的斯塔克对这个问题发生了兴趣，他认为福格特的经典理论不足为凭。在他看来，光谱的发射是由于价电子的跃迁，电场一定会改变原子内部电荷的分布，从而影响发射频率。他是研究极隧射线的专家。他在极隧射线管子中的阴极和另一辅助电极之间加上强电场，强度达到31kV/cm。然后沿平行于或垂直于电场的方向用光谱仪进行观测。氢的极隧射线穿过电场，果然观测到了加宽。经过仔细调整，他终于获得了谱线分裂的证据，并且证明随着谱线序号的增大，分裂的数目也随之增多。他还发现，沿电力线成直角的方向观察，所有的分量都是平面偏振光，外面的两根较强，其电矢量与电场平行；中间的几根较弱，其电矢量与电场垂直。他的观测非常精细，得出了如下的结论：各分量到中心线的距离是最小位移的整数倍，而最小位移对所有谱线均相同；位移与电场强度直接成正比。

1919年诺贝尔物理学奖授予德国格雷复斯瓦尔大学的斯塔克（Johnnes Stark,1874-1957），以表彰他在极遂射线中发现了多普勒效应和电路中发现了分裂的谱线。

应用

斯塔克效应应用于原子分子结构的研究。斯塔克效应是谱线增宽的原因之一，当气体放电电流密度较大时，产生大量带电离子，它们对发光原子产生较强的内部电场，引起谱线斯塔克分裂；离子与发光原子的距离不同，谱线分裂的大小不同，叠加的结果导致谱线增宽。等离子谱线的斯塔克增宽可用于内部电场强度和带电粒子密度的测定。

主要影响

斯塔克效应对玻尔的原子理论起了一定的验证作用。1914年玻尔在卢瑟福的启示下，对斯塔克效应作了理论分析，他把斯塔克效应看成是外电场改变了电子在自由原子中的轨道引起的现象，从自己的原子模型出发，推出了氢谱线电致分裂的最大频率位移。但是计算结果与实际测量分歧甚大。瓦伯（E.Warburg）则在玻尔的频率公式上加一修正项，这一修正项相当于电子恢复到原有轨道所需作的功，加了修正项之后就可以满意地解释斯塔克效应。而索末菲的相对论性原子理论则更为理想，他的学生埃普斯坦（P.S，Epstein）根据索末菲的理论推得谱线电场分裂公式。后来索末菲提出选择定则，并总结出一套经验规则，结果与斯塔克的观测相符很好。当然斯塔克效应十分复杂，准确的解释有待于量子力学的出现和原子理论的进一步发展。

1916年，埃普斯坦（Epstein）把斯塔克效应纳入了量子力学的框架。1926年，薛定谔证明了这一效应与波动力学是一致的。

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