从沟道射线的颜色读出原子的运动

阴极背后出现一束光

低压气体放电时，带正电的粒子向阴极加速。阴极上开一些小孔，部分粒子便穿过去，在背后形成束流，这就是沟道射线。Stark 研究这束运动的气体发出什么光，1905 年在氢谱中看到了随观察方向而变的位移。

1919 年的颁奖辞描述：原来的氢谱线旁边，多出一个较宽的分量。发光者迎面而来，分量向短波移动；背离观察者飞去，就向长波移动。这个随方向翻转的变化，正是运动在光谱上留下的记号。

列车驶来时，接连的声波更快到达耳朵，音调偏高；驶离时音调变低。光也有多普勒效应。发光原子朝观察者运动，收到的光频率偏高，波长变短；原子远离，波长变长。

下式适用于速度远小于光速的情形。参考波长是同一跃迁在原子静止时的波长，观测波长与它相比发生了位移；视线速度约定为远离观察者时取正，c 是光速。沿束流两头观察，位移会反号；从侧面观察，一阶视线位移消失。

\frac{\lambda_{\mathrm{obs}}-\lambda_0}{\lambda_0}\simeq\frac{v_{\mathrm{los}}}{c}

这给 Stark 留下了另一个问题：带电粒子经电场加速以后，到发光时还带电吗？粒子穿过气体会碰撞，也可能交换电子。束流中可以同时有离子和快速的中性原子。光谱的多普勒位移告诉人们发光者在动，要辨认它的电荷，还需要别的证据。

Stark 在诺奖讲稿里讨论了中性射线给早期解释带来的困难。按今天的归属，可见的氢 Balmer 谱线来自仍有一个电子的中性氢。这个电子在不同能级之间跃迁，才发出那些颜色；裸质子没有这样的电子能级。

束流里的原子通常有快有慢，各自的多普勒位移不同，叠起来便是一条宽线。粒子定向运动会移动线心，随机热运动会增加宽度，碰撞和光谱仪本身又会添上展宽。想从宽度求温度，得先知道这些贡献分别占了多少。

这也解释了为什么要换观察方向、保留未移位的参考线并标定仪器。从侧面看虽能去掉一阶视线位移，其他展宽和更高阶运动效应仍会留下。

Stark 后来发现的电场分裂改变的是原子内部能量；多普勒位移跟着原子与观察者的相对运动走。同一根放电管里两者可以并存。分别改变电场和观察方向，才有机会读清它们各自留下的线索。

Stark 1919 年的讲稿和颁奖辞取自 Columbia 托管的诺奖文集，讲稿谈到了中性粒子，以及究竟是谁在发光的争议。现代谱线展宽的背景依据 NIST。文中认为离子发光的说法只作为历史观点介绍，不是今天对氢 Balmer 发射的归属。本文没有数字化任何历史底片。