«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 (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,..., gгде 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 Штарка эффект10⁴ 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 Штарка эффект10⁵в/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 Εможет 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.

ШТАРКА ЭФФЕКТ - расщепление спектральных линий в электрическом поле. Под воздействием электрического поля изменяется движение заряженных частиц, образующих систему (напр., электронов в атоме), и система приобретает дополнительную энергию - ее уровни энергии смещаются и расщепляются, что вызывает расщепление спектральных линий. Открыт Й. Штарком в 1913.

ШТАРКА ЭФФЕКТ, расщепление спектральных линий и уровней энергии атома и других атомных систем в электрическом поле. Открыт немецким физиком Й. Штарком в 1913.

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).

расщепление спектральных линий испускания при воздействии сильного электрического поля на источник излучения. Поле может быть либо внешним по отношению к источнику, либо внутренним, создаваемым соседними атомами или ионами. Эффект назван по имени Й.Штарка, впервые наблюдавшего его в 1913. Он аналогичен эффекту, обнаруженному П.Зееманом в 1896 и состоящему в расщеплении спектральных линий магнитным полем. Эффект Штарка обусловлен тем, что под действием электрического поля облако электронов, окружающих ядро излучающего атома, изменяет свое положение относительно ядра. В результате изменяются энергетические уровни электронов в атоме. Поскольку свет испускается при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой, изменение энергетических уровней приводит к изменению спектра испускаемого света. Эффект Штарка - одно из наиболее убедительных подтверждений квантовой теории строения вещества.

См. также ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ.

ЛИТЕРАТУРА

Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М., 1962 Фриш С.Э. Оптическая спектроскопия атомов. М. - Л., 1963

изменение уровней энергии атомов и молекул во внешнем по отношению к рассматриваемой системе электрич. поле. Проявляется в сдвигах и расщеплении спектральных линий. Во внешнем однородном электрич. поле напряженности Ек гамильтониану свободного атома или молекулы добавляется поправка -d х E, где d - оператор дипольного момента системы. Если поправки к энергии и волновой ф-ции, обусловленные этим членом, малы, то их можно рассматривать методами возмущений теории. В таком случае сдвиг и расщепление уровней меняются либо линейно в зависимости от Е, что определяется 1-м порядком теории возмущений, либо, когда поправка первого порядка обращается в нуль,- квадратично (2-й порядок теории возмущений).

Для атома водорода Ш. э. линеен, причем каждый уровень с главным квантовым числом прасщепляется на 2п - 1 т. наз. штарковских подуровней. Для многоэлектронных атомов, где вырождение уровней с одним и тем же п, но разными орбитальными квантовыми числами l снято за счет межэлектронного взаимодействия, Ш. э. пропорционален квадрату напряженности Е.

У молекул наиб. изучены проявления Ш. э. во вращательных спектрах. Для молекул типа симметричного волчка, имеющих постоянные дипольные моменты, Ш. э. линеен: изменение энергии пропорционально Е и дипольному моменту молекулы d. Для линейных молекул и молекул типа асимметричного волчка Ш. э. квадратичен по напряженности поля и по дипольному моменту. Линейный Ш. э. при величинах напряженности 1000 В/см и дипольного момента 1Д (3,3 х 10^-30 Кл х м) приводит к расщеплениям, обычно не превосходящим 1000/J МГц, где J - вращат. квантовое число. Квадратичный Ш. э. зависит также от частоты перехода: при тех же величинах напряженности и дипольного момента и при частоте перехода 25 000 МГц смещение частот по сравнению с их положением в отсутствие поля составляет величины порядка 100/J² МГц.

Ш. э. в микроволновых спектрах является основой метода определения дипольных моментов молекул, отличающегося высокой точностью, в т. ч. для молекул с малыми дипольными моментами. Этот метод пригоден для установления не только величин, но и направлений дипольного момента асимметричных волчков, поскольку он позволяет определить составляющие дипольного момента по главным осям инерции молекулы.

Кроме расщепления линий в микроволновых спектрах пере-ходы между штарковскими подуровнями можно наблюдать непосредственно в методе электрич. резонанса в мол. пучках. Для неполярных молекул Ш. э. возникает как следствие взаимод. поля с индуцированными им дипольными моментами; он также квадратичен по напряженности поля. Этот эффект позволяет определять анизотропию поляризуемости молекул.

Влияние кристаллич. поля как поля точечных зарядов или диполей, окружающих центр. ион в координац. соед. или кристаллах, есть также проявление Ш. э., обусловленного неоднородным полем, создаваемым этим окружением. Кристаллического поля теория, описывающая эффекты расщепления d- или f-уровней центр. атома или иона, представляет собой теорию Ш. э. в электрич. полях, создаваемых лигандами.

Ш. э. проявляется и в переменных электрич. полях, в частности он используется для модуляции частот и усиления интенсивности переходов в микроволновой спектроскопии.

Эффект открыт И. Штарком в 1913.

Лит.: Таунс Ч., Шавлов А., Радиоспектроскоппя, пер. с англ., М., 1959; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962.

Н. Ф. Степанов.

Шта́рка эффе́кт

расщепление спектральных линий в электрическом поле. Под воздействием электрического поля изменяется движение заряженных частиц, образующих систему (например, электронов в атоме), и система приобретает дополнительную энергию — её уровни энергии смещаются и расщепляются, что вызывает расщепление спектральных линий. Открыт Й. Штарком.

* * *

ШТА́РКА ЭФФЕ́КТ, расщепление спектральных линий в электрическом поле. Под воздействием электрического поля изменяется движение заряженных частиц, образующих систему (напр., электронов в атоме), и система приобретает дополнительную энергию — ее уровни энергии смещаются и расщепляются, что вызывает расщепление спектральных линий. Открыт Й. Штарком в 1913.

расщепление спектральных линий в электрич. поле. Под воздействием электрич. поля изменяется движение заряж. частиц, образующих систему (напр., электронов в атоме), и система приобретает дополнит. энергию - её уровни энергии смещаются и расщепляются, что вызывает расщепление спектральных линий. Открыт И. Штарком в 1913.

ШТАРКА ЭФФЕКТ

ШТАРКА ЭФФЕКТ - расщепление спектральных линий в электрическом поле. Под воздействием электрического поля изменяется движение заряженных частиц, образующих систему (напр., электронов в атоме), и система приобретает дополнительную энергию - ее уровни энергии смещаются и расщепляются, что вызывает расщепление спектральных линий. Открыт Й. Штарком в 1913.

Большой Энциклопедический словарь. 2000.

Источник: