诺贝尔物理学奖史演义（十八）——斯塔克：力“劈”射线获大奖

且说大科学家普朗克虽然发现量子力学并获得1918年度诺贝尔物理学奖，但这些都改变不了他的悲惨命运。

导致他命途多舛的罪魁祸手之一，是一位名叫约翰尼斯・斯塔克的德国科学家。斯塔克还迫害过同时期的爱因斯坦等犹太人，二战后被判刑入狱，成为科学界的耻辱。

与此成鲜明对比的是，斯塔克潜心研究阳极射线，借助电场“劈”开光谱，对当时的原子物理研究产生了重要影响。因在阳极射线和原子物理方面的杰出贡献，他获得1919年度诺贝尔物理学奖。

研究射线终突破

1904年夏，德国萨克森州汉诺威工业大学一角的物理实验室里，30岁的斯塔克教授正专心致志地做着一个关于阳极射线的实验。做这个实验的目的，是想知道真空管里的阳极射线微粒是否遵循多普勒效应。

多普勒效应由1842年奥地利科学家克里斯蒂安・多普勒发现，意即波长会随着观测者的移动而改变。最常见的例子就是，一辆警车朝我们开来，警号（声波）会随着距离的变近而越加尖锐，当它离开时警号越来越低沉。多普勒效应适用于所有类型的波，是物理学研究的基础。

“既然从天体发出的光遵循多普勒效应，那实验中的光线也应该遵循这个效应。”此前，人们只是从太阳光里观察到多普勒效应，能否观察到地球上的光波，一直没有结果，毕竟光速太快，实验操作并不容易。然而，作为阳极射线研究的专家，斯塔克在原子物理研究上有极深的造诣，研究射线也有好几个年头。他毕业于著名的慕尼黑大学，以“消光介质中的牛顿环”为题完成博士论文，毕业后即到汉诺威工业大学任教。

本着就近原则，斯塔克决定从科学界尚未弄清的阳极射线入手，看它是否遵循多普勒效应。阳极射线是指真空管里从阳极流出的带正电的粒子，1886年由德国科学家戈德斯坦发现，当时叫它通道射线，又称极隧射线。

斯塔克的实验进展缓慢。一则，光速比音速快百万倍，观察起来谈何容易？二则，阳极射线粒子的本质是什么，当时没人知晓，研究运动轨迹自然更难。

功夫不负有心人。在学生的协助下，斯塔克于1905年证明：含氢的阳极射线光速在真空管里遵循多普勒效应。这是人类第一次在地球上观察到非天体的多普勒效应。不久，他又证明：阳极射线微粒的实质是发光原子或离子。这是科学界在阳极射线研究上的重大突破。

强电尽“劈”氢光谱

一石激起千层浪。斯塔克关于阳极射线遵循多普勒效应的论文发表后，引来学界好评如潮，有些名牌大学也向他抛来橄榄枝。此后一段时间里，他忙于教学和应酬，在物理研究上没有大的突破。

有一天，调到亚琛工业大学的斯塔克随本校考察团队参观福格特的实验室。这是关于钠原子光谱电场变化的实验，也是塞曼效应研究的续曲。塞曼效应即磁力作用下原子光谱将发生分裂的现象，由荷兰人塞曼1896年发现，他因此获得1905年度诺贝尔物理学奖。此后，很多物理学家产生了一个疑问：既然原子光谱在磁场中会分裂，那在电场中情况如何呢？

物理学家福格特从理论上推测，电场里的原子光谱会加宽，由于间隔在0.00005毫米之间，变化极小，可以忽略不计；他进一步用钠原子做实验，发现射线管里的钠光谱并没有明显加宽。由此，他在论文中建议物理学界不必要在这方面下功夫。

“钠的原子量比较大，影响运动速度，何不用轻元素氦或氢代替钠呢？”现场参观的斯塔克灵机一动，有了主意。他是个很有主见的人，从不被前辈的意见左右。

回到学校后，斯塔克立马钻进实验室。他在福格特实验的基础上，试了氦原子的发射情况，没有发现异常。他没有灰心，用氢原子代替，继续实验。

斯塔克先在充氢真空管的阴极和阳极加上每厘米10KV（千伏）的电场，再沿电场方向用光谱仪进行观察。遗憾的是，他没有发现明显的异常。接着，他增加氢气的量进行多次实验，还是没有结果。这让他百思不得其解。

“难道是电场强度不够？”过了很久，斯塔克在办公室阅读关于电磁场的论文时，心里迸出这样的念头。他迅速来到实验室，重新启动氢原子的电场光谱实验：电场强度从每厘米10 KV开始，每次增加到每厘米5KV，当强度增加到每厘米30KV时，光谱仪上的显示光谱明显加宽！

他按捺住内心的惊喜，一边安排助手去采购高倍率的光谱仪，一边继续进行实验。后来，通过新的光谱仪，斯塔克发现氢原子的谱线并非变宽了，而是分裂成数条谱线。这种分裂现象，与塞曼效应如出一辙，换言之就是塞曼效应的电场版本。为了表示永恒的纪念，科学界把原子谱线在电场中的分裂现象称之为斯塔克效应。

这一年是1913年，斯塔克39岁。

后记

斯塔克效应被发现后，对于原子研究起了很大的促进作用，尤其是原子分子的结构研究。通过观察氢光谱在电场中的分裂现象，可以进一步研究原子分子的内部结构，还可以测量原子内部电场和带电微粒的密度。同时，斯塔克效应还验证了德国科学家玻尔的原子理论，玻尔用自己提出的原子模型计算出了谱线分裂的具体频率数据，从而通过实验证实了斯塔克效应的可靠性。玻尔也因此获得1922年度诺贝尔物理学奖。（敬请期待）

斯塔克的成就举世公认。“（他）对阳极射线的所谓多普勒效应进行的划时代研究，使我们看到了原子和分子内部结构的真实性”，瑞典皇家科学院认为，他在多普勒效应上的研究，连同放射性研究、x射线研究等方面一起，标志着人类在微观领域取得极大进展。单从科学贡献这一方面讲，斯塔克获得诺贝尔物理学奖是实至名归。

然而，科学研究取得硕果的同时，斯塔克犯了一个很大的错误，即歧视犹太人，并因此加入纳粹党，成为希特勒的支持者，带头打击陷害普朗克、爱因斯坦、海森堡等科学家。恶人自有恶人磨。后来，他因干涉德国纳粹党高层运作而被开除党籍，二战后他又被军事法庭起诉，入狱4年。这不得不说是诺贝尔物理学奖史上的遗憾。

话说斯塔克研究阳极射线的同时，一位瑞士的官员致力于合金的研究，并因发现镍钢合金在精密物理中的重要性而获得1920年度诺贝尔物理学奖。本来，这一年的物理学奖应该颁发给发现光电效应以及相对论的爱因斯坦。这位官员是谁？镍钢合金有何重要？欲知后事如何，且听下集分解。