Физическая энциклопедия - 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=С›?(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). .