Штарка эффект

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 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 Eэл дополнит. энергию DE вследствие поляризуемости его электронной оболочки и возникновения индуцированного дипольного момента. Уровень энергии, которому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле Eэл будет иметь энергию E + DE, т. е. сместится. Различные состояния вырожденного уровня энергии могут приобрести разные дополнительные энергии DEa (a = 1, 2,..., g где g — степень вырождения уровня; см. Атом). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число которых равно числу различных значений DEa. Так, уровень энергии атома с заданным значением момента количества движения (h — Планка постоянная, J = 0, 1, 2,..., квантовое число полного момента количества движения) расщепляется в электрическом поле на подуровни, характеризуемые различными значениями магнитного квантового числа mJ; (определяющего величину проекции момента М на направление электрического поля), причём значениям - mJ и + mJ соответствует одинаковая дополнит. энергия DE, 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 DE пропорционально Eэл(рис. 1), и квадратичный Ш. э., когда DE пропорционально (рис. 2). В первом случае картина расщепления уровней энергии и получающихся при переходах между ними спектральных линий симметрична, во втором ¾ 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 E спектральной линии поляризованы. Если E ориентировано перпендикулярно к наблюдателю, то часть компонент поляризована продольно (p-компоненты), остальные — поперечно (s-компоненты). При наблюдении вдоль направления поля p-компоненты не появляются, а на месте s-компонент возникают неполяризованные компоненты. Интенсивности разных компонент различны. На рис. 3 показано расщепление в результате Ш. э. спектральной линии водорода Нa (головной линии Бальмера серии).

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). 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 Ekp, создаваемого окружающими ионами. Оно может достигать сотых долей эв, учитывается в спектроскопии кристаллов и существенно для работы квантовых усилителей.

Ш. э. наблюдается и в переменных электрических полях. Изменение положения штарковских подуровней в переменном поле Eможет 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.