 | Штарка эффект |  |
Расщепление уровней энергии и спектральных линий атомов в электрическом поле
Анимация Описание Штарка эффект, расщепление спектральных линий атомов, молекул и других квантовых систем в электрическом поле, является результатом сдвига и расщепления на подуровни уровней энергии под действием электрического поля Е (штарковское расщепление, штарковские подуровни; термин "Ш.Э." относят также к сдвигу и расщеплению уровней энергии). Штарковский эффект получил объяснение на основе квантовой механики. Атом (или другая квантовая система), находясь в состоянии с определенной энергией, приобретает во внешнем поле Е дополнительную энергию вследствие поляризуемости его электронной оболочки и возникновения индуцированного дипольного момента. Уровень энергии, которому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле Е характеризуется энергией e+De, т.е. смещается. Различные состояния вырожденного уровня энергии могут приобретать разные дополнительные энергии  (a=1, 2, …,g, где g - степень вырождения уровня). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские уровни, число которых равно числу различных значений энергий  . Так, уровень энергии атома с заданным значением момента количества движения:  , где J= 0, 1, 2, … - квантовое число полного момента количества движения, расщепляется на подуровни, характеризуемые различными значениями магнитного квантового числа mj, которое определяет величину проекции М на направление Е. Значениям -mj u +mj соответствует одинаковая дополнительная энергия De, поэтому штарковские подуровни (кроме подуровня с т=0) дважды вырождены (в отличие от Зеемана эффекта, для которого все подуровни не вырождены). Различают линейный Штарка эффект (De пропорционален Е; рис. 1) и квадратичный (De пропорционален Е 2; рис. 2). Зависимость величины расщепления уровня энергии De от напряженности электрического поля Е при линейном эффекте Штарка 
Рис. 1 Расщепление уровня энергии атома Н, определяемого главным квантовым числом n=3, на 5 подуровней Зависимость величины расщепления уровня энергии De от напряженности электрического поля Е при квадратичном эффекте Штарка 
Рис. 2 В первом случае получается симметричная относительно первичной линии картина расщепления, во втором несимметричная. Линейный Штарка эффект характерен для атомов Н в не слишком сильных полях и составляет тысячные доли эВ для Е~104 В/см. Уровень энергии атома Н с заданным значением главного квантового числа n симметрично расщепляется на 2n-1 равноотстоящих подуровней (рис. 3). Расщепление линии  водорода в поле Е 
Рис. 3 Различно поляризованные компоненты (линии p и s) возникают при определенных комбинациях подуровней. 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 место s - компонент возникают неполяризованные компоненты. Интенсивности разных компонент различны. Линейный Штарка эффект наблюдается также для водородоподобных атомов и для сильно возбужденных уровней других атомов. Иногда Штарка эффект приводит к появлению запрещенных линий. Для многоэлектронных атомов типичен квадратичный Штарка эффект. Величина его невелика - в полях ~105 В/см расщепление ~10-4 эВ. Для достаточно симметричных молекул, обладающих постоянным дипольным моментом, характерен Штарка эффект, в других случаях обычно наблюдается квадратичный Штарка эффект. Временные характеристики Время инициации (log to от -9 до -6); Время существования (log tc от -6 до 6); Время деградации (log td от -9 до -6); Время оптимального проявления (log tk от -1 до 5). Диаграмма: 
Технические реализации эффекта Техническая реализация эффекта Штарка Наблюдение эффекта Зеемана осуществляется по спектру поглощения света в изотропном веществе в присутствии электрического поля. Схема соответствующей установки представлена на рис. 4. Схема наблюдения эффекта Штарка 
Рис. 4 Обозначения: 1 - источник излучения (исследуемый объект); 2 - силовые линии электрического поля; 3 - линза; 4 - поляроид; 5 - пластинка в 1/4 длины волны света; 6 - спектрометр; 7 - p|| и s^ - компоненты поляризованного излучения. При этом для компоненты поляризации, параллельной магнитному полю (p-компонента) линия не расщепляется, а для компоненты поляризации, перпендикулярной магнитному полю (s-компонента) линия расщепляется в триплет (см. рис. 4). Применение эффекта В технике данный эффект практически не используется, его применения имеют лабораторный характер, применяется в исследованиях структуры энергетических спектров атомов и молекул. Литература  1. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.- C.90, 460.
2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.- C.20, 231, 460. |