Warum wurde der Stark-Effekt viel später entdeckt als der Zeeman-Effekt?

Dies ist schwer abschließend zu beantworten, aber es fühlt sich wie ein historischer Zufall an, gepaart mit der Tatsache, dass es etwas schwieriger ist, starke elektrische Felder in einer Entladungsröhre zu verwenden, ohne dass die Elektroden funken. Einige Anmerkungen:

• Der Stark-Effekt wurde nach dem Zeeman-Effekt entdeckt, aber nicht sehr lange danach: der Zeeman-Effekt 1897 und der Stark-Effekt 1913, nur 16 Jahre später. Das ist eine lange Zeit, wenn die beiden Effekte gleich leicht zu entdecken sind, aber absolut gesehen ist es nicht wirklich so lange.

• Die Entdeckung des Zeeman-Effekts hätte die Gemeinschaft veranlasst, nach einem elektrischen Effekt zu suchen, und es scheint, dass dies der Fall war. Es war bekannt, dass Licht elektromagnetisch ist, also muss seine Wechselwirkung mit Materie elektromagnetischer Natur sein. Wenn Magnetfelder diese Wechselwirkung beeinflussen können, dann können elektrische Felder dies sicherlich auch.

• Die konzeptionellen und theoretischen Grundlagen zur Festigung dieser Intuition waren jedoch in diesen 16 Jahren sehr wackelig. Das Bohr-Modell des Atoms wurde ungefähr zur gleichen Zeit veröffentlicht wie Stark seine Ergebnisse, und davor hatten wir sehr wenig Ahnung von den Strukturen in der Materie, die für Spektrallinien verantwortlich sind, geschweige denn, wie sie auf Störungen reagieren würden.

  Das bedeutet, dass Voigt für seine Vorhersagen das Atom als anharmonischen Oszillator modellieren musste, was kein großartiges Modell ist. Insbesondere müssen Sie erraten, wie die Tonleiter der anharmonischen Terme ist, mit sehr wenig, um Sie zu führen. Dies bringt Sie dann in eine Situation, in der Sie stark vermuten, dass der Effekt existiert, aber Sie haben sehr wenig Vorstellung davon, wie stark er ist, und das ist kein guter Ort, an dem Sie sich befinden können, da es schwer zu wissen ist, ob er mit den Instrumenten messbar sein wird Sie zur Verfügung haben, und ob Sie es nicht sehen, weil Sie es falsch machen oder weil es viel schwächer ist, als Sie erkennen können.

• Sowohl Stark als auch Zeeman hatten Glück bei der Wahl des Gases, da sowohl Natrium als auch Wasserstoff stark auf den Zeeman- bzw. Stark-Effekt reagieren. Wenn Zeeman kein Glück gehabt hätte, wäre es schwer auszuschließen, dass elektrische Effekte vor den magnetischen entdeckt wurden – die Zeitspanne ist wirklich ziemlich kurz. Allerdings haben sie im Vorfeld ihrer erfolgreichen Experimente wahrscheinlich eine Reihe verschiedener Gase ausprobiert.

• Zeeman wurde dazu angespornt, die Magnetfeldexperimente (erneut) zu versuchen, weil Faraday sie auch schon einmal versucht hatte, was er ziemlich eloquent so formulierte

  Experimente mit negativem Ergebnis, die von großen Wissenschaftlern der Vergangenheit mit schlechteren Instrumenten als derzeit verfügbar durchgeführt wurden, sind es wert, wiederholt zu werden.*

  Wenn Faraday dachte, dass Magnetismus Licht-Materie-Wechselwirkungen beeinflussen könnte, bin ich sicher, dass er auch elektrische Felder davon vermutete. Wenn Zeeman stattdessen diese Passagen gelesen hätte, hätte er bis zu einer Entdeckung durchgehalten?

Einige dieser Fragen sind irgendwie unmöglich zu beantworten, aber sie werfen eine alternative Realität auf, in der aus irgendeinem Grund der (härtere) Stark-Effekt vor der (einfacheren) Magnetfeldaufspaltung erkannt wird und es nicht so verrückt ist, dorthin zu gelangen.

Noch wichtiger ist jedoch, dass die elektrischen Felder, die Stark benötigte, um eine Linienaufspaltung zu erkennen, tatsächlich sehr hoch und schwer zu erzeugen waren. Stark musste neue Entladungsröhren mit speziellen Elektroden herstellen, um das elektrische Feld zu maximieren, das er anlegen konnte, ohne dass die Röhre Funken schlug, und etwa zehntausend Volt pro Zentimeter erreichte.** (Zeeman hingegen scheint an einer offenen Flamme gearbeitet zu haben .) Diese zusätzliche Belastung, ohne die Gewissheit, dass er Felder erreichen würde, die hoch genug sind, um Aufspaltungen zu erzeugen, war genug, dass er in der Zwischenzeit andere Experimente durchführen musste ... und die Entdeckung dauerte so viel länger, um sie zu erreichen.

Unter diesen Bedingungen erscheint mir eine Verzögerung von 16 Jahren zwischen den beiden Auswirkungen ziemlich vernünftig.

Referenzen, beide sehr lesenswert:

1. Eine gleichzeitige Entdeckung: Der Fall von Johannes Stark und Antonino Lo Surdo. M. Leoneet al. Phys. Perspektive. 6 nein. 3, p. 271 (2004)

2. Die Entdeckung des Elektrons: II. Der Zeeman-Effekt. AJ Kox. EUR. J. Phys. 18 nr. 3, S. 139 (1997) .

Mit einem Huttipp an StarDrop9 für den zweiten.

^{* Um dies abzumildern, scheint er aber auch geschrieben zu haben: "Man sollte anderen nicht Ideen mitteilen, die noch nicht ausgearbeitet sind, Pläne, die noch nicht durchgeführt wurden, Experimente, die noch nicht durchgeführt wurden", was soviel heißt eine gültige, aber etwas gemeine Sicht der Wissenschaft.}

^{** Es ist schwierig, die Stärke elektrischer und magnetischer Felder zu vergleichen, aber wie Michael Seifert anmerkt, liegen die linearen Aufspaltungen in der Größenordnung von$\mu_BB$und$ea_0E$, also das Magnetfeld, das die gleiche Aufspaltung bewirkt wie ein elektrisches Feld$E$liegt in der Größenordnung von$B\sim E/2\alpha c$. Zum$E\approx10 \:\mathrm{kV}/\mathrm{cm}$, das äquivalente Magnetfeld ist$B\approx1\:\mathrm T$, die definitiv viel stärker ist als alles, was Zeeman verwendet hat.}

Die Entdeckung des Elektrons: II. Der Zeeman-Effekt

http://dare.uva.nl/document/2/2775

„Die Theorie von Lorentz basierte auf der Annahme der Existenz geladener schwingender Teilchen im Inneren von Atomen. Zeemans Entdeckung war zusammen mit der Theorie von Lorentz der erste Hinweis auf die Existenz eines neuen geladenen Teilchens, das später als Elektron bekannt wurde.“

Vielleicht, weil der Zeeman-Effekt zur Entdeckung des Elektrons beigetragen hat. Und daraus folgt, dass ein besseres Verständnis des Atoms wiederum zu einem besseren Verständnis und der Umsetzung der Forschung zum Test des Stark-Effekts führen würde. Weg führte zu Weg.

Zusätzlich zu einem vollständigeren Verständnis des Atoms, dh der Existenz des Elektrons. Ich muss einem früheren Beitrag von Yess zustimmen, dass frühere Experimentatoren Schwierigkeiten hatten, die 100.000 Volt pro Zentimeter über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten, der für die Durchführung der Stark-Spektrallinienaufspaltungstests erforderlich war.