БСЭ. Штарка эффект
Начало Вверх

ШТАРКА ЭФФЕКТ, расщепление спектральных линий в электрич. полях. Открыт в 1913 И. Штарком при изучении спектра атома водорода. Наблюдается в спектрах атомов и др. квантовых систем; является результатом сдвига и расщепления на подуровни их уровней энергии под действием электрич. полей (штарковское расщепление, штарковские подуровни). Термин "Ш. э." относят не только к расщеплению спектральных линий в электрич. полях, но и к сдвигу и расщеплению в них уровней энергии.

Ш. э. был объяснён на основе квантовой механики. Атом (или др. квантовая система) в состоянии с определённой энергией Е приобретает во внеш. электрич. поле E дополнит, энергию дельта Е  вследствие поляризуемости его электронной оболочки и возникновения индуцированного дипольного момента. Уровень энергии, к-рому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле E будет иметь энергию Е + дельта Е ,т. е. сместится. Различные состояния вырожденного уровня энергии могут приобрести разные дополнительные энергии дельта Еа (а = 1, 2, ..., g, где g - степень вырождения уровня; см. Атом). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число к-рых равно числу различных значений дельта Еа. Так, уровень энергии атома с заданным значением момента количества движения
2924-1.jpg

(h - Планка постоянная, J = 0, 1, 2, ..., квантовое число полного момента количества движения) расщепляется в электрич. поле на подуровни, характеризуемые различными значениями магнитного квантового числа mj (определяющего величину проекции момента M на направление электрич. поля), причём значениям - mj и + mj соответствует одинаковая дополнит, энергия дельта-Е, поэтому все штарковские подуровни (кроме подуровня с т = 0) оказываются дважды вырожденными (в отличие от расщепления в магнитном поле, где все подуровни не вырождены; см. Зеемана эффект).

Различают линейный Ш. э., когда дельта Е пропорционально E (рис. 1), и квадратичный Ш. э., когда дельта-Е пропорционально E2 (рис. 2). В первом случае картина расщепления уровней энергии и получающихся при переходах между ними спектральных линий симметрична, во втором - несимметрична.

Рис. 1. Зависимость величины расщепления дельта Е от напряжённости электрического поля Е при линейном эффекте Штарка (расщепление уровня атома водорода, определяемого главным квантовым числом n = 3, на 5 подуровней).  

Рис. 2. Зависимость величины расщепления уровней дельта-Е от напряжённости электрического поля Е при квадратичном эффекте Штарка (подуровни оказываются отстоящими на разные расстояния). 

Линейный Ш. э. характерен для водорода в не слишком сильных полях (в полях ~ 104 в/см он составляет тысячные доли эв). Уровень энергии атома водорода с заданным значением главного квантового числа n симметрично расщепляется на 2n - 1 равноотстоящих подуровней (рис. 1 соответствует n = 3, 2n - 1 = 5). Компоненты расщепившейся в поле E спектральной линии поляризованы. Если E ориентировано перпендикулярно к наблюдателю, то часть компонент поляризована продольно (пи-компоненты), остальные - поперечно (сигма-компоненты). При наблюдении вдоль направления поля пи-компоненты не появляются, а на месте сигма-компонент возникают неполяризованные компоненты. Интенсивности разных компонент различны. На рис. 3 показано расщепление в результате Ш. э. спектральной линии водорода На (головной линии Балъмера серии).

Рис. 3. Расщепление линий На водорода в электрическом поле. Различно поляризованные компоненты линии (пи и сигма) возникают при определённых комбинациях подуровней.

Линейный Ш э. наблюдается также в водородоподобных атомах (He+, Li2+, B3+,...) и для сильно возбуждённых уровней др. атомов (в ряде случаев Ш. э. приводит к появлению запрещённых линии). Типичным для многоэлектронных атомов является квадратичный Ш. э. с асимметричной картиной расщепления. Величина квадратичного эффекта невелика (в полях ~ 105 в/см расщепление составляет десятитысячные доли эв). Для достаточно симметричных молекул, обладающих постоянным дипольным моментом, характерен линейный Ш. э. В др. случаях обычно наблюдается квадратичный Ш. э.

Важный случай Ш. э.- расщепление электронных уровней энергии иона в кристаллич. решётке под действием внутрикристаллического поля Екр, создаваемого окружающими ионами. Оно может достигать сотых долей эв, учитывается в спектроскопии кристаллов и существенно для работы квантовых усилителей.

Ш. э. наблюдается и в переменных электрич. полях. Изменение положения штарковских подуровней в переменном поле E может быть использовано для изменения частоты квантового перехода в квантовых устройствах (штарковская модуляция, см., напр., Микроволновая спектроскопия).

Влияние быстропеременного электрич. поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, штарковское уширение спектральных линий в плазме. Движение частиц плазмы и связанное с этим изменение расстояний между ними приводит к быстрым изменениям электрич. поля около каждой излучающей частицы. В результате энергетич. уровни атомов (ионов), расщепляясь, смещаются на неодинаковую величину, что и приводит к уширению спектральных линий в спектрах излучения плазмы. Штарковское уширение позволяет оценить концентрацию заряженных частиц в плазме (напр., в атмосферах звёзд).

Лит.: Ельяшевич M. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, M., 1962; Фриш С. Э., Оптические спектры атомов, М.- Л., 1963; T а у н с Ч., Ш а в л о в А., Радиоспектроскопия, пер. с англ., M., 1959.

M. А. Ельяшевич.

Яндекс.Метрика

© (составление) libelli.ru 2003-2017