斯塔克效应的发现

　　1913年，斯塔克在研究极隧射线通过强电场情况时，观察到放电管中氢谱线加宽了。他立即联想到十几年前塞曼的发现，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？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，果然观察到了光谱线的分裂。

　　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，从波尔原子模型出发，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。1916年，爱因斯坦把斯塔克效应纳入了量子力学的框架。1926年，薛定谔证明这一效应与波动力学是一致的。

　　量子力学认为，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。对斯塔克效应的解释，被认为是早期量子力学的重大胜利。[9]

　　而形态场假说则否认了量子力学的观点，认为斯塔克效应不是通过原子的电偶极矩产生的，而是外电场打开了原子内部的电场联接，对原子核和核外电子直接产生了作用。要想阐明这个问题，还要从斯塔克效应的源粒子——极隧射线的辐射机制说起。

　　极隧射线

　　极隧射线，是1886年德国物理学家E.戈德斯坦在含稀薄气体的放电管中发现的，这种射线后来证明主要是由放电管中带正电的气体原子组成，又称阳极射线。这些带正电的原子在电场的作用下，以很高的速度沿着射线束轨迹运动，速度可达10cm/s的数量级。

　　根据形态场假说，极隧射线的形成与原子的复式结构有关。在复式原子模型中，原子核为层状圆盘结构，核外电子运动在波尔轨道平面内，整个原子呈扁平状。在原子核与电子之间，存在着质量场和电场双重作用关系。其中电场作用关系表述为，原子核和电子的一维电场共同垂直于电子轨道面（又称基准平面），矢量方向相反。两个电场产生线性联接，构成了一个封闭的环形回路，产生吸引作用。

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　　通常情况下，原子内的电场作用是自我封闭的，整个原子呈中性。但是，如果有外界电场介入，达到一定强度时，原子内电场的环形回路就会被打开，并与外界电场产生联接。如放电管中的气体原子就是如此，原子内部电场处在开放状态，原子核的一维电场与外电场联接，电场方向保持一致。在外电场作用下，原子将产生由正极向负极的运动趋势。而电子的一维电场方向与原子核电场方向相反，亦即与外电场方向相反，外电场对电子产生排斥作用。其结果是，电子的一维电场也将调转方向，与外电场方向协调一致。参考图示：极隧射线模拟图——A粒子。

　　在原子中，电子还与原子核存在着质量场作用关系。在没有外界电场介入时，电子质量场（左手旋）和原子核质量场（右手旋）同方向旋转，产生吸引作用。当电子在外电场作用下调转方向时，其质量场同时发生翻转，逆原子核质量场矢量方向旋转。根据质量场作用规则，互为逆向旋转的质量场产生排斥作用，因此，电子在原子核斥力作用下向外层轨道运动。这时，原子就进入到了激发状态，乃至发生电离。图示：极隧射线模拟图——B粒子。

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　　发生电离的原子就是极隧射线中的主流粒子——带正电荷的原子（正离子），携有较高的能量，以较快的速度射向阴极。产生极隧射线的放电管可以用作粒子加速器和质谱仪上的离子源。处在激发态的原子呈电中性，也获得了一定动能，混迹于极隧射线之中，由阳极向阴极运动。脱离原子核束缚的电子，有两个运动分量——径向方向和外电场方向，因而将形成散射，属于极隧射线的副产品。这就是放电管中气体电离，并沿着射线束轨迹运动的原因。

　　1902年斯塔克预言，极隧射线粒子在运动过程中，不断与管子中气体分子碰撞，如果动能足够大，应该产生发光现象，发出的光谱会因多普勒效应而改变频率。例如，如果射线朝着观察者方向运动，则观察到的光谱线应向紫端移动，其位移会随速度的增大而增大，由此可以确定极隧射线粒子的速度。1905年，斯塔克果然在含氢的极隧射线管中发现了这种多普勒效应。随后，在其它一些化学元素的极隧射线中也证明有上述效应。[10]

　　应该指出，受理论局限性的限制，斯塔克对放电管发光现象的解释是不确切的。按照经典电磁理论分析，放电管发光应该直接来源于极隧射线粒子，而不是极隧射线与气体分子发生碰撞，引起了气体电离和发光现象。下面来讨论极隧射线粒子的发光问题。

　　极隧射线以正离子为主，是导致放电管发光的主要粒子。通常情况下，原子发光是核外电子由高能级跃迁到低能级过程中，辐射出电磁波，称自发辐射。但是，放电管中的正离子则不然，以氢离子发光为例，它是中性原子在向离子态转化过程中，辐射出电磁波。属于核外电子在由低能级轨道跃迁到高能级轨道时发生了电磁辐射，与自发辐射机制正好相反，称激发辐射。其辐射机理是：在外电场作用下，核外电子质量场与原子核质量场互为逆向旋转，产生排斥作用，电子向外层轨道运动，处在加速运动状态。按照经典电磁学理论，加速运动的电子将在轨道运动的切线方向上（注：非径向方向）辐射出电磁波。电子脱离原子核束缚逃逸，原子转化为离子。

　　放电管中第二种发光粒子是处于激发态的中性原子。正常情况下，原子从激发态恢复到常态时，产生发光现象。但是，放电管中的受激原子，因其环境的特殊性，只能在两种条件下产生电磁辐射：一是外电场电压减弱乃至归零时，核外电子从高能量状态摆脱出来，向低能级轨道跃迁，辐射出电磁波，属于一种滞后发光现象。表现为放电管撤离电压后，仍可以持续发光一段时间。二是原子核电场与外电场断联，原子核电场方向与外电场方向相垂直。这时，外电场对电子不产生作用，原子将从激发态恢复到常态，辐射出电磁波。

　　在极隧射线中，由于电荷转移还存在有负离子，也会产生发光现象。这些负离子的电场方向与外电场方向保持一致，核外电子在能级轨道跃迁过程中，辐射出电磁波。除此以外，散射的电子作用于放电管管壁，产生荧光效应。

　　简言之，放电管发光现象源于极隧射线的四种粒子辐射，辐射机制各异，而非普通的气体发光现象。了解极隧射线的辐射机制，有助于对原子谱线分裂性质的认识，是破解斯塔克效应的关键一环。

　　斯塔克效应

　　通过剖析极隧射线形成过程，给我们带来的启示是，外电场可以打开原子内部电场联接，对原子核和核外电子的电场直接产生作用。具体表现在两个方面：一是原子电场方向得以极化，原子核或核外电子电场与外电场方向保持一致；二是核外电子获取附加能量，引发原子能级产生分裂。

　　在斯塔克实验中，沿电力线成直角的方向观察，所有的分量都是平面偏振光（线偏振），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。不难发现，分裂谱线的偏振性在塞曼效应中也同样出现过，其成因是由原子磁场的极化效应所致，下面就来讨论电场中谱线的偏振性问题。

　　在高压电场中，极隧射线粒子将按照所携带电荷属性有序地进行排列，其内部电场方向呈三种分布状态，如图所示：

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　　正离子，粒子电场方向以原子核电场为主，根据形态场作用规则，原子核电场方向将与外电场方向保持一致。这时，原子的核外电子轨道面与电力线相垂直，从俯视角度看，电子逆时针以螺旋轨迹绕核旋转，在切线方向上辐射出右旋偏振波。

　　负离子，粒子电场方向以核外电子电场为主，根据形态场作用规则，核外电子电场方向将与外电场方向保持一致。这时，原子的核外电子轨道面与电力线相垂直，从俯视角度看，电子顺时针绕核旋转。核外电子在能级跃迁过程中，辐射出左旋偏振波。

　　中性原子，粒子的电场方向分两种情形，第一种情形，与正离子相类似，受激原子内部电场——原子核电场方向与外电场方向相同，核外电子被限制在高能级轨道内，不发生轨道跃迁，即不发出电磁波。第二种情形，受激原子内部电场方向与外电场方向相垂直，核外电子轨道平面与电力线平行。这时，核外电子摆脱外电场束缚，在由高能级轨道向低能级跃迁过程中，辐射出向上偏振或向下偏振的电磁波，偏振方向与左旋偏振波和右旋偏振波垂直正交。

　　总而言之，在高压电场作用下，极隧射线中的离子和原子能够辐射出左旋偏振波、右旋偏振波和上下偏振方向的电磁波。偏振谱线产生偏振位移，左旋偏振谱线向光谱左侧偏移，右旋偏谱线向光谱右侧偏移，上下偏振方向的谱线不发生横向位移，仍位于原谱线位置。以此构成了斯塔克效应——偏振谱线呈对称性分布的结构特性。

　　斯塔克效应的第二结构特征是原子谱线的精细分裂。斯塔克在实验中发现，随着谱线序号的增大，谱线分裂的数目也随之增多。通过观测得出结论：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。[11]

　　根据极隧射线粒子的辐射机制，在外界电场作用下，核外电子获取附加能量，引发原子能级产生分裂，进而导致谱线产生精细分裂。

　　对于正离子来说，内部电场处在开放状态，核外电子在原子核斥力作用下，不断获取能量，以螺旋轨迹向外层轨道运动，引发原子能级产生分裂，裂距与电场强度成正比，在量子力学中称一级斯塔克效应。对于负离子来说，内部电场处在闭合状态，原子核与电子之间的电场联接类似于量子力学提出的电偶极矩，外电场作用引发原子能级产生分裂，裂距与电场强度平方成正比，在量子力学中称二级斯塔克效应。正负离子通过两种不同模式引发原子能级产生分裂，一级效应大于二级效应，这就是原子谱线出现精细分裂的原因。

　　综上所述，斯塔克效应与塞曼效应一样，由谱线的偏振位移导致了谱线偏振性分裂，由原子能级分裂导致了谱线的精细分裂，这就是斯塔克效应的本质。