스탁 효과

원자와 분자의 미분화 상태(degenerate states)들이 외부 전기장에 의해 분화되는 현상을 그 발견자인 독일의 물리학자 스탁(Johannes Stark, 1974-1957)의 이름을 따 스탁 효과라 부른다.¹⁾ 스탁 효과는 양자 이론의 발전에 크게 기여하였으며, 스탁은 이 현상을 발견한 공로로 1919년 노벨물리학상을 받았으며, 이 효과는 자기장에 의한 분화 현상을 가리키는 제만 효과(Zeeman effect)와 대별된다.

그림 1. 스탁 (Johannes Stark). ()

스탁 효과 결과 원자와 분자의 흡수 발광 스펙트럼의 선이 이동하여 분할한다. 스탁 효과는 처음에 정적인 경우에 대해 쓰였지만, 시간에 따라 달라지는 전기장 효과를 설명하는 데에도 넓게 사용된다. 특히 플라즈마의 전하를 띤 입자에 의한 스펙트럼의 압력 넓어짐(pressure broadening)의 원인이다. 대부분 스펙트럼에서 스탁 효과는 전기장 세기에 비례하거나 제곱에 비례한다.

그림 2. 스탁 효과에 따른 수소 원자의 에너지 준위 분할 현상 모사. ()

그림 2는 수소 원자에 대해 주양자수 n = 13~16인 상태 중 자기 양자수 m_l= 0인 상태들의 스탁 효과를 보여준다. 전기장의 세기에 비례하여 분할이 일어나고 있다. 주양자수가 n인 상태들은 n개 미분화 상태들로 이루어져 있으며 전기장이 가해지면 이 상태들이 분화한다. 스탁 효과는 전자의 상태뿐만 아니라 회전 및 진동 운동 상태에 대해서도 나타난다.

목차

전기장이 가해지면 양전하를 가진 원자핵과 음전하를 가진 전자는 서로 반대 방향으로 끌린다. 이런 원자핵과 전자의 움직임이, 즉 전기장에 의한 새로운 전자 분포가 에너지 면에서 원래보다 안정화되거나 불안정해진다. 일반적으로 전기장 효과는 외부 전자껍질(outer electron shell)일수록 더 크다. 외부 전자는 원자핵에서 멀기 때문에 전기장에 의해 이동하는 효과가 더 크다.

수소 원자의 경우 2s 오비탈과 2p 오비탈의 에너지는 서로 같으며, 이 원자에 전기장이 가해지면 양자 중첩 현상에 의해 두 오비탈은 혼성 오비탈 두 개를 만들며, 그중 하나는 에너지가 낮아지고, 다른 하나는 에너지가 높아진다. 즉 미분화 상태는 분화한다. 스탁 효과에 대해 여러 가지 이론적 설명이 가능하다. 고전적인 정전기학을 통해, 또 양자 역학의 섭동 이론(perturbation theory)을 사용하여 그 효과를 설명할 수 있다.

스탁 분광법(Stark spectroscopy)은 스탁 효과에 기반을 둔 분광법을 가리킨다. 물리학자들은 고전적인 의미에서 전기장에 의해 스펙트럼이 분화하는 현상에 국한하여 그 효과를 사용하는데, 화학자들은 좀 더 넓은 의미에서 전기장에 의해 스펙트럼이 변화하는 현상을 포괄한다. 외부 전기장에 의해 스펙트럼이 변화하는 현상을 전기변색(electrochromism)이라고 부른다. 외부 전기장은 시료의 흡광 계수(absorption coefficient)를 변화시킬 수 있기 때문에 그러한 전기장이 가해지면 스펙트럼 모양이 달라질 수 있다.²⁾

스탁 분공법을 이용하는 대표적인 연구는 스탠포드대학교 화학과의 박서(Steven Boxer) 교수에 의해 이루어지고 있으며,³⁾ 특히 그는 분자 사이의 상호 작용, 특히 효소-기질 복합체에서 일어나는 상호 작용을 전자 스탁 분광법(electronic Stark spectroscopy)과 진동 스탁 분광법(vibrational Stark spectroscopy)을 사용하였다.

1. 같은 해인 1913년 이탈리아의 물리학자 로 수르도 (Antonino Lo Surdo, 1880-1949) 역시 스탁과 별도로 같은 현상을 발견하였다. 이 때문에 이탈리아에서는 간혹 스탁-로 수르도 효과 (Stark-Lo Surdo effect)라고 표현을 쓴다.
2. 흡수 스펙트럼에 스탁 효과가 나타나는 것을 역 스탁 효과 (inverse Stark effect)라고 부르기도 하였지만 지금은 이 용어를 더 이상 사용하지 않는다.
3.