ШТАРКА ЭФФЕКТ

ШТАРКА ЭФФЕКТ

       

расщепление спектр. линий атомов, молекул и др. квант. систем в электрич. поле. Открыт в 1913 нем. физиком Й. Штарком (J. Stark), явл. результатом сдвига и расщепления на подуровни уровней энергии под действием электрич. поля Е (штарковское расщепление, штарковские подуровни; термин «Ш. э.» относят также к сдвигу и расщеплению уровней энергии).

Ш. э. получил объяснение на основе квант. механики. Атом (или др. квант. система), находясь в состоянии с определ. энергией ?, приобретает во внеш. поле Е дополнит. энергию D? вследствие поляризуемости его электронной оболочки и возникновения индуцированного дипольного момента. Уровень энергии, к-рому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле Е характеризуется энергией ?+D?, т. е. смещается. Разл. состояния вырожденного уровня энергии могут приобретать разные дополнит. энергии D?a (a=1, 2,. . ., g, где g — степень вырождения уровня; (см. АТОМ). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число к-рых равно числу разл. значений D?a. Так, уровень энергии атома с заданным значением момента кол-ва движения М=ћ?(J(J+1) (где J = 0, 1, 2,. . . — квантовое число полного момента кол-ва движения) расщепляется на подуровни, характеризуемые разными значениями магн. квант. числа mJ, к-рое определяет величину проекции М на направление Е. Значениям -mJ и +mJ соответствует одинаковая дополнит. энергия D?, поэтому штарковские подуровни (кроме подуровня с m=0) дважды вырождены (в отличие от Зеемана эффекта, для к-рого все подуровни не вырождены).

Различают линейный Ш. э. (D? пропорц. Е; рис. 1) и квадратичный Щ. э. (D? пропорц. Е2; рис. 2). В первом случае получается симметричная относительно первичной линии картина расщепления, во втором — несимметричная. Линейный Ш. э. характерен для атомов Н в не слишком сильных полях и составляет

Рис. 1. Зависимость величины расщепления уровня энергии D? от напряжённости электрич. поля Е при линейном эффекте Штарка (расщепление уровня энергии атома Н, определяемого гл. квант. числом n= 3, на 5 подуровней).

Рис. 2. Зависимость величины расщепления уровней энергии D? от напряжённости электрич. поля Е при квадратичном эффекте Штарка.

тысячные доли эВ для Е=104В/см. Уровень энергии атома Н с заданным значением гл. квант. числа n симметрично расщепляется на 2n-1 равноотстоящих подуровней (рис. 3). Компоненты штарковского расщепления поляризованы. При наблюдении в направлении, перпендикулярном направлению Е, появляются продольно поляризованные p-компоненты и поперечно поляризованные s-компоненты. При наблюдении вдоль Е p-компоненты не появляются, а на месте

Рис. 3. Расщепление линии Нa водорода в поле Е. Различно поляризованные компоненты (линии я и а) возникают при определ. комбинациях подуровней.

s-компонент возникают неполяризованные компоненты. Интенсивности разных компонент различны. Линейный Ш. э. наблюдается также для водородоподобных атомов и для сильно возбуждённых уровней др. атомов. Иногда Ш. э. приводит к появлению запрещённых линий.

Для многоэлектронных атомов типичен квадратичный Ш. э. Величина его невелика — в полях = 105 В/см расщепление =10-4 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 крист. решётке под действием внутрикрист. поля, к-рое может достигать сотых долей эВ. Это поле учитывается в спектроскопии кристаллов и в квант. электронике.

Ш. э. наблюдается и в перем. электрич. поле, причём изменение положения штарковских подуровней может быть использовано для изменения частоты квант. перехода в квант. устройствах (штарковская модуляция; (см. МИКРОВОЛНОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ). Влияние быстропеременного электрич. поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, штарковское уширение спектр. линий в плазме, к-рое позволяет оценить концентрацию в ней заряж. ч-ц (напр., в атмосферах звёзд).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ШТАРКА ЭФФЕКТ

- расщепление спектральных линий атомов, молекул и др. квантовых систем в электрич. поле. Открыт в 1913 Й. Штарком (J. Stark) на линиях Бальмера серии водорода, является результатом сдвига и расщепления на подуровни уровней энергии системы под действием электрич. поля E (штарковское расщепление, штарковские подуровни; термин "Ш. э." относят также к сдвигу и расщеплению уровней энергии).

Ш. э. получил объяснение на основе квантовой механики. Атом (или др. квантовая система), находясь в состоянии с определ. энергией приобретает во внеш. поле E дополнит, энергию вследствие его поляризуемости- приобретения в поле E диполъного момента. Уровень энергии, к-рому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле E характеризуется энергией т. е. смещается. Разл. состояния, соответствующие вырожденному уровню энергии, могут приобретать разные дополнит, энергии где g -степень вырождения уровня). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число к-рых равно числу разл. значений Так, уровень энергии атома с заданным значением полного механич. момента ...-соответств. квантовое число) расщепляется на подуровни, характеризуемые разными значениями магн. квантового числа m_J, к-рое определяет величину проекции M на направление E. В однородном электрич. поле, обладающем аксиальной симметрией, сохраняется квантование проекции M. Однако, в отличие от расщепления в магн. поле при Зеемана эффекте на невырожденных подуровня, значениям соответствует одинаковая дополнит, энергия поэтому штарковские подуровни (кроме подуровня с J=0 )дважды вырождены и уровень с заданным J расщепляется при целом J на J+1 подуровень, а при полуцелом J на подуровней (при J= 1/2 вообще не расщепляется). Двукратное вырождение в случае атомов с нечётным числом электронов, для к-рых значения J полуцелые, сохраняется и в неоднородных электрич. полях (см. Крамерса теорема).

Различают линейный Ш. э.рис. 1), к-рый наблюдается в важнейшем частном случае водорода (а также для водородоподобных атомов и для сильно возбуждённых уровней др. атомов), и квадратичный Ш. э. рис. 2), типичный для общего случая уровней энергии многоэлектронных атомов. Расщепление при линейном Ш. э. для атомов H составляет тысячные доли эВ при напряжённостях полей при квадратичном Ш. э. оно значительно меньше, достигая при напряжённостях полей

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

Рис. 2. Зависимость величины расщепления уровней энергии от напряжённости электрического поля E при квадратичном эффекте Штарка (расщепление уровня энергии многоэлектронного атома при J=3 на 4 подуровня).

Причиной линейного Ш. э., наблюдаемого для H, является, при заданном значении гл. квантового числа n (при наличие вырождения по l (связанного с движением электрона в кулоновском поле ядра и отсутствующего в многоэлектронных атомах). Если пренебречь влиянием спина на орбит. движение (ввиду малости спин-орбитального взаимодействия это справедливо при не очень малых полях E, когда штарковское расщепление оказывается значительно больше величины тонкой структуры, см. Атом), то при заданном h совпадают уровни с обладающие разл. чётностью (чётные уровни с и нечётные уровни с В электрич. поле нарушается сферич. симметрия атома, исчезает его центр симметрии, с отражением в к-ром связано деление уровней энергии на чётные и нечётные, квантовое число l теряет свой смысл и происходит смешение состояний разл. чётности, что приводит, согласно квантовой механике, к линейному Ш. э. Квантовомеханич. задача проще всего решается в т. н. параболических координатах, при введении к-рых состояния атома характеризуются параболическими квантовыми числами - 1 и Разность этих квантовых чисел n₁-n₂ входит в ф-лу, определяющую линейное расщепление уровня с заданным п:

где A₀- постоянная. Расщепление симметрично и происходит на подуровней с расстояниями между ними. Переходы между подуровнями двух комбинирующих уровней энергии дают симметричную картину расщепления спектральных линий, как и при эффекте Зеемана.

При наблюдении в направлении, перпендикулярном E, получаются продольно поляризованные компоненты и поперечно поляризованные компоненты. При наблюдении вдоль Eкомпоненты отсутствуют, а на месте s-компонент возникают неполяризованные компоненты. Рассчитанные интенсивности компонент находятся в согласии с опытом. Для линии серии Бальмера (переход уровень n = 3 (l=0, 1, 2, степень вырождения 9) расщепляется на 5 подуровней, а уровень степень вырождения 4) на 3 подуровня, переходы между к-рыми дают 15 компонент (8 p-компонент и 7 s-компонент).

Квадратичный Ш. э. может быть объяснён на основе представлений о поляризуемости атома. В поле E атом приобретает дипольный момент -поляризуемость. Cp. значение этого момента для атома как системы, обладающей центром симметрии, равно нулю, что и обусловливает отсутствие, в общем случае многоэлектронных атомов, линейного Ш. э. Дополнит. энергия атома с дипольным моментом d в поле E равна что даёт, с учётом работы поляризации для индуцированного дипольного момента квадратичную зависимость V от E:

Согласно квантовомеханич. расчёту, для подуровня с заданным значением квантового числа дополнит, энергия при квадратичном Ш. э. равна

где А и В- постоянные. Это и приводит к несимметричной картине расщепления уровней энергии и спектральных линий.

Для молекул вследствие Ш. э. происходит расщепление вращательных уровней энергии, причём для молекул типа симметричного волчка, обладающих пост. дипольным моментом (примером является молекула аммиака NH₃), характерен линейный Ш. э. Для таких молекул методом ЭПР в молекулярных пучках, аналогичным методу ЯМР, могут наблюдаться переходы между подуровнями штарковского расщепления и с большой точностью определяться величины дипольных моментов.

Важный случай Ш. э.- расщепления электронных уровней энергии иона в ионном кристалле (а также примесного иона в молекулярном кристалле, содержащем дипольные молекулы) под действием внутрикристаллич. поля; штарковское расщепление может достигать сотых долей эВ. Этот эффект учитывается в спектроскопии кристаллов и важен для твердотельных лазеров.

Ш. э. наблюдается и в переменном электрич. поле, причём изменение положения штарковских подуровней может быть использовано для изменения частоты квантового перехода в квантовых устройствах (штарковская модуля-ция; см., напр., Микроволновая спектроскопия). Влияние быстропеременного электрич. поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, ударное штар-ковское уширение спектральных линий в плазме (см. Излучение плазмы), к-рое позволяет оценить концентрацию в ней заряж. частиц (напр., в атмосферах звёзд).

Лит.: Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, M., 1962; Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, 2 изд., M., 1977; Бете Г., СолпитерЭ., Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами, пер. с англ., M., 1960. M. А. Ельяшевич.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.