Штарка эффект

Шта́рка 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 (См. Уровни 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 E приобретает во внешнем электрическом поле Ε_эл дополнит. энергию ΔE вследствие поляризуемости его электронной оболочки и возникновения индуцированного дипольного момента. Уровень энергии, которому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле Ε_эл будет иметь энергию E + ΔE, т. е. сместится. Различные состояния вырожденного уровня энергии могут приобрести разные дополнительные энергии ΔE_α (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 ΔE_α. Так, уровень энергии атома с заданным значением момента количества движения (h — Планка постоянная, J = 0, 1, 2,..., квантовое число (См. Квантовые числа) 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 ΔE, 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 ΔE пропорционально Ε_эл (рис. 1), и квадратичный Ш. э., когда ΔE пропорционально (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 ~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 Ε спектральной линии поляризованы. Если Ε 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 (См. Бальмера серия)).

Линейный Ш. э. наблюдается также в водородоподобных атомах (Не+, Li²+, B³+,...) и для сильно возбуждённых уровней др. атомов (в ряде случаев Ш. э. приводит к появлению запрещенных линий (См. Запрещенные 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 кристаллической решётке под действием внутрикристаллического поля E_kp, создаваемого окружающими ионами. Оно может достигать сотых долей эв, учитывается в спектроскопии кристаллов (См. Спектроскопия 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 ΔЕ 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 ΔЕ от напряжённости электрического поля Е 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.