歷史 物理

1919年諾貝爾物理獎:約翰內斯.斯塔克

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-06-01
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  • 約翰內斯.斯塔克(Johannes Stark)的陽極射線和原子物理研究為他帶來1919年諾貝爾物理獎。可是,在第二次世界大戰之中選擇了納粹一方的他,被同盟國軍事法庭判罪,讓這個諾貝爾獎得奬者蒙上種族歧視之千古污名。
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    [約翰內斯.斯塔克的諾貝爾獎官方照片。]
     
    斯塔克在1902年預測陽極射線的多普勒效應(Doppler effect),並於三年後實驗中證實。克里斯蒂安・多普勒(Christian Doppler)在1842年發現多普勒效應。多普勒效應是波動性質,波動的波長會因波源與觀測者的相對運動速度而改變。如果波源向著我們前進,我們就會觀測到波長變短,反之如果波源離開我們,我們就會觀測到波長變長。由於波長與頻率成反比,這表示我們會聽到一輛向著我們前進的救護車的警號變得尖銳,而離開我們的警號就會變得低沉。
     
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    [多普勒效應。Image courtesy of Tkarcher/Wikimedia Commons]
     
    至於陽極射線,我們又要溫習之前的諾貝爾物理獎文章了。1901年物理獎得主倫琴在真空管Crookes tube實驗之中發現了X射線,1905年物理獎得主萊納證明真空管中的陰極射線(cathode ray)是電子。1886年,尤金・哥德斯坦(Eugen Goldstein)發現有另外一種射線從真空管的陰極上的細孔溢出,故以管道射線(canal ray)命名之。現在科學家稱之為陽極射線(anode ray)。

    陽極射線是從真空管的陽極流向陰極、帶正電荷的粒子,即是現在我們知道的離子(ion)。斯塔克從真空管前面和後面方向觀察,發現陽極射線釋放出發射光譜譜線遵守多普勒效應。從前,科學家只能從天體所發出的光之中觀察到多普勒效應,所以斯塔克的研究是人類首次在地球上觀察到這個現象。對比於聲音的多普勒效應,要觀察光線的多普勒效應非常困難,因為光速比音速快百萬倍。

    斯塔克亦研究了原子的發射光譜在電場之下的效應。他發現,電場會把一些譜線變闊。斯塔克在仔細檢查下,發現這些譜線並非變闊,而是由一譜線分裂成了數條譜線。這個現象叫做斯塔克效應,是1905年物理獎得主塞曼發現的磁場分裂譜線(塞曼效應)的電場版本。

     
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    [平行於光線偏振的電場(左)和垂直於光線偏振的電場(右)的斯塔克效應。Foster, J. S., J. Frank. Inst. 209, 585 (1930)]
     
    斯塔克的研究對20世紀初的原子物理學有重大幫助,為日後的原子結構模型發展提供了寶貴的資料。可惜的是,斯塔克與萊納一樣,加入了納粹黨,成為希特拉的支持者。斯塔克多次公開發表歧視猶太人的言論,攻擊他以前的合作者愛因斯坦,又稱維爾納・海森堡(Werner Heisenberg)為白種猶太人(Weiße Juden)。雖然斯塔克因干涉納粹黨高層運作而被開除黨藉,戰後他仍然被軍事法庭起訴判刑四年。最後,斯塔克刑滿後回到家中逝世。
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