Штарка Эффект
Штарка Эффект в Энциклопедическом словаре:
Штарка Эффект - расщепление спектральных линий в электрическом поле. Подвоздействием электрического поля изменяется движение заряженных частиц,образующих систему (напр., электронов в атоме), и система приобретаетдополнительную энергию - ее уровни энергии смещаются и расщепляются, чтовызывает расщепление спектральных линий. Открыт Й. Штарком в 1913.
Определение «Штарка Эффект» по БСЭ:
Штарка эффект - расщепление спектральных линий в электрических полях. Открыт в 1913 Й. 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 электрических полей (штарковское расщепление, штарковские подуровни). Термин
«Ш. э.» относят не только к расщеплению спектральных линий в электрических 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 приобретает во внешнем электрическом поле Ε дополнит. энергию Δ вследствие поляризуемости его электронной оболочки и возникновения индуцированного дипольного момента. Уровень энергии, которому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень),
в поле Ε будет иметь энергию + Δ, т. е. сместится. Различные состояния вырожденного уровня энергии могут приобрести разные дополнительные энергии Δα (α = 1, 2,..., g где g - степень вырождения уровня; см. Атом). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число которых равно числу различных значений
Δα. Так, уровень энергии атома с заданным значением момента количества движения
(h -
Планка постоянная, J = 0, 1, 2,..., квантовое число полного момента количества движения) расщепляется в электрическом поле на подуровни, характеризуемые различными значениями магнитного квантового
числа m
J; (определяющего
величину проекции момента М на
направление электрического поля),
причём значениям −m
J и +m
J соответствует одинаковая дополнит. энергия
Δ,
поэтому все штарковские подуровни
(кроме подуровня с m = 0) оказываются
дважды вырожденными (в
отличие от расщепления в магнитном поле, где все подуровни не вырождены; см. Зеемана эффект).
Различают линейный Ш. э.,
когда Δ пропорционально Ε (рис. 1), и
квадратичный Ш. э., когда Δ пропорционально
E
2 (рис. 2). В первом случае
картина расщепления уровней энергии и получающихся при переходах
между ними спектральных линий симметрична, во втором
― несимметрична.
Линейный Ш. э. характерен для водорода в не
слишком сильных полях (в полях ∼10
4 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 (π-компоненты),
остальные -
поперечно (σ-компоненты). При
наблюдении вдоль направления поля π-компоненты не появляются, а на месте σ-компонент возникают неполяризованные компоненты.
Интенсивности разных компонент различны. На рис. 3
показано расщепление в результате Ш. э. спектральной линии водорода Н
α (головной линии Бальмера серии).
Линейный Ш. э. наблюдается
также в водородоподобных атомах (He
+, Li
2+, B
3+,...) и для
сильно возбуждённых уровней др. атомов (в ряде случаев Ш. э. приводит к
появлению запрещенных линий). Типичным для многоэлектронных атомов является квадратичный Ш. э. с
асимметричной картиной расщепления.
Величина квадратичного эффекта невелика (в полях ∼10
5 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 кристаллической решётке под действием внутрикристаллического поля E
кр, 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 электрических полях.
Изменение положения штарковских подуровней в переменном поле Ε может быть
использовано для
изменения частоты квантового перехода в квантовых устройствах (штарковская модуляция, см.,
например, Микроволновая спектроскопия).
Влияние быстропеременного электрического 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 электрического поля
около каждой излучающей
частицы. В результате энергетические 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 (например, в атмосферах звёзд).
Лит.:
Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Фриш С. Э., Оптические спектры атомов, М.- Л., 1963;
Таунс Ч.,
Шавлов А.,
Радиоспектроскопия, пер. с англ., М., 1959.
М. А. Ельяшевич.
Рис. 1.
Зависимость величины расщепления Δ от
напряжённости электрического поля E при линейном эффекте Штарка (расщепление уровня атома водорода, определяемого
главным квантовым числом n = 3, на 5 подуровней).
Рис. 2. Зависимость величины расщепления уровней Δ от напряжённости электрического поля E при квадратичном эффекте Штарка (подуровни оказываются отстоящими на разные расстояния).
Рис. 3.
Расщепление линий H
α водорода в электрическом поле.
Различно поляризованные
компоненты линии (π и σ) возникают при определённых комбинациях подуровней.
Штарк
Штарка Эффект
Штасфуртский Соленосный Бассейн