Эффе́кт Шта́рка — смещение и расщепление электронных термов атомов во внешнем электрическом поле .

Эффект Штарка имеет место как в постоянном, так и переменных (включая свет) электрических полях. В последнем случае его называют переменным эффектом Штарка .

Электронные термы смещаются не только во внешнем поле, но и в поле, созданном соседними атомами и молекулами . Штарковский эффект лежит в основе теории кристаллического поля , имеющей большое значение в химии . Использование переменного эффекта Штарка позволило охлаждать атомы различных металлов до сверхнизких температур при помощи лазерного излучения (см. Сизифово охлаждение ).

Йоханнес Штарк открыл явление расщепления оптических линий в электрическом поле в 1913 году, за что в 1919 году был награждён Нобелевской премией . Независимо от Штарка, а по мнению исследователей, до него, эффект был обнаружен итальянским физиком .

Линейный эффект Штарка

Линейный эффект Штарка, то есть расщепление спектральных термов , величина которого пропорциональна первой степени напряжённости электрического поля , наблюдается только у водородоподобных атомов . Этот факт объясняется тем обстоятельством, что только у таких атомов наблюдается вырождение термов с разными значениями орбитального квантового числа .

Оператор Гамильтона водородоподобного атома во внешнем электрическом поле с напряженностью ${\displaystyle \mathbf {E} }$ имеет вид

${\displaystyle {\hat {H}}=-{\frac {\hbar ^{2}}{2m_{e}}}\Delta -{\frac {Ze^{2}}{r}}-e\mathbf {r} \cdot \mathbf {E} }$ ,

где m _e — масса электрона , e — элементарный заряд , Z — зарядовое число ядра (равно 1 для атома водорода), ${\displaystyle \hbar }$ — приведённая постоянная Планка . Формула записана в гауссовой системе .

Задачу об отыскании собственных значений этого гамильтониана невозможно решить аналитически. Задача некорректна в том смысле, что стационарных состояний не существует из-за отсутствия у гамильтониана (для случая однородного электрического поля) дискретного спектра . Квантовый туннельный эффект рано или поздно приведёт атом к ионизации . Линейные относительно электрического поля смещения электронных термов находятся с помощью теории возмущений . Теория возмущений справедлива, если напряжённость поля не превышает 10 ⁴ В / см . Единственный точный результат, который вытекает из осевой симметрии задачи — это сохранение магнитного квантового числа m . Другие результаты сводятся к следующим утверждениям:

• энергия основного состояния не меняется.
• Первое возбуждённое состояние с главным квантовым числом n =2 в случае, когда поля нет, четырёхкратно вырождено. В электрическом поле вырождение снимается частично. Два состояния остаются на месте, два других имеют энергию

  ${\displaystyle E=-{\frac {(Ze)^{2}}{8a_{0}}}\pm 3e|\mathbf {E} |a_{0}/Z}$ ,

  где ${\displaystyle a_{0}}$ — боровский радиус .

• Высшие термы атома водорода расщепляются на 2 n − 1 компоненту, где n — главное квантовое число. Частичное снятие вырождения связано с тем фактом, что во внешнем электрическом поле сохраняется осевая симметрия .

Расщепление электронных термов проявляется в оптических спектрах . При этом переходы с ${\displaystyle \Delta m=0}$ , где m — магнитное квантовое число , при наблюдении в направлении, перпендикулярном к полю, поляризованы продольно полю ( π -компоненты), а линии с ${\displaystyle \Delta m=1}$ — поперечно ему ( σ -компоненты).

Квадратичный эффект Штарка

Большинство атомов не является водородоподобными, и расщепление их спектральных линий в электрическом поле пропорционально квадрату напряжённости электрического поля. Такой эффект Штарка называется квадратичным. Теория этого эффекта была построена в 1927 году. Она утверждает, что уровень, который характеризуется главным квантовым числом n и орбитальным квантовым числом l , расщепляется на l + 1 подуровней по числу возможных значений модуля магнитного квантового числа m . Смещение каждого из подуровней пропорционально квадрату напряжённости электрического поля, но разное по величине. Самое большое смещение имеет уровень с m = 0 , самое маленькое — с m = l .

Уширение Штарка

Переменный эффект Штарка является причиной уширения спектральных линий в интенсивных электромагнитных полях .

См. также

• Эффект Зеемана
• Квантово-размерный эффект Штарка

Примечания

Литература

• Кузьмичёв В. Е. Законы и формулы физики. Справочник. — К. : Наукова думка, 1989. — 864 с.