к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Э Ю Я

Штарка эффект

Штарка эффект - расщепление спектральных линий атомов, молекул и др. квантовых систем в электрич. поле. Открыт в 1913 Й. Штарком (J. Stark) на линиях Бальмера серии водорода, является результатом сдвига и расщепления на подуровни уровней энергии системы под действием электрич. поля E (штарковское расщепление, штарковские подуровни; термин "Ш. э." относят также к сдвигу и расщеплению уровней энергии).

Ш. э. получил объяснение на основе квантовой механики. Атом (или др. квантовая система), находясь в состоянии с определ. энергиейприобретает во внеш. поле E дополнит, энергиювследствие его поляризуемости - приобретения в поле E диполъного момента. Уровень энергии, к-рому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле E характеризуется энергией т. е. смещается. Разл. состояния, соответствующие вырожденному уровню энергии, могут приобретать разные дополнит, энергиигде g-степень вырождения уровня). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число к-рых равно числу разл. значенийТак, уровень энергии атома с заданным значением полного механич. момента ...-соответств. квантовое число) расщепляется на подуровни, характеризуемые разными значениями магн. квантового числа m_J, к-рое определяет величину проекции M на направление E. В однородном электрич. поле, обладающем аксиальной симметрией, сохраняется квантование проекции M. Однако, в отличие от расщепления в магн. поле при Зеемана эффекте наневырожденных подуровня, значениям соответствует одинаковая дополнит, энергия поэтому штарковские подуровни (кроме подуровня с J=0)дважды вырождены и уровень с заданным J расщепляется при целом J на J+ 1 подуровень, а при полуцелом J наподуровней (при J= 1/2 вообще не расщепляется). Двукратное вырождение в случае атомов с нечётным числом электронов, для к-рых значения J полуцелые, сохраняется и в неоднородных электрич. полях (см. Крамерса теорема).

Различают линейный Ш. э.рис. 1), к-рый наблюдается в важнейшем частном случае водорода (а также для водородоподобных атомов и для сильно возбуждённых уровней др. атомов), и квадратичный Ш. э. рис. 2), типичный для общего случая уровней энергии многоэлектронных атомов. Расщепление при линейном Ш. э. для атомов H составляет тысячные доли эВ при напряжённостях полейпри квадратичном Ш. э. оно значительно меньше, достигая при напряжённостях полей

Рис. 1. Зависимость величины расщепления уровней энергии от напряжённости электрического поля E при линейном эффекте Штарка (расщепление уровня энергии атома H, определяемого главным квантовым числом n= 3, на 5 подуровней).

Рис. 2. Зависимость величины расщепления уровней энергииот напряжённости электрического поля E при квадратичном эффекте Штарка (расщепление уровня энергии многоэлектронного атома при J=3 на 4 подуровня).

Причиной линейного Ш. э., наблюдаемого для H, является, при заданном значении гл. квантового числа n (при наличие вырождения по l (связанного с движением электрона в кулоновском поле ядра и отсутствующего в многоэлектронных атомах). Если пренебречь влиянием спина на орбит. движение (ввиду малости спин-орбитального взаимодействия это справедливо при не очень малых полях E, когда штарковское расщепление оказывается значительно больше величины тонкой структуры, см. Атом ),то при заданном h совпадают уровни с обладающие разл. чётностью (чётные уровни с и нечётные уровни с В электрич. поле нарушается сферич. симметрия атома, исчезает его центр симметрии, с отражением в к-ром связано деление уровней энергии на чётные и нечётные, квантовое число l теряет свой смысл и происходит смешение состояний разл. чётности, что приводит, согласно квантовой механике, к линейному Ш. э. Квантовомеханич. задача проще всего решается в т. н. параболических координатах, при введении к-рых состояния атома характеризуются параболическими квантовыми числами - 1 и Разность этих квантовых чисел n₁-n₂ входит в ф-лу, определяющую линейное расщепление уровня с заданным п:

где A₀ - постоянная. Расщепление симметрично и происходит наподуровней с расстояниямимежду ними. Переходы между подуровнями двух комбинирующих уровней энергии дают симметричную картину расщепления спектральных линий, как и при эффекте Зеемана.

При наблюдении в направлении, перпендикулярном E, получаются продольно поляризованные компоненты и поперечно поляризованныекомпоненты. При наблюдении вдоль Eкомпоненты отсутствуют, а на месте s-компонент возникают неполяризованные компоненты. Рассчитанные интенсивности компонент находятся в согласии с опытом. Для линиисерии Бальмера (переход уровень n = 3 (l=0, 1, 2, степень вырождения 9) расщепляется на 5 подуровней, а уровень степень вырождения 4) на 3 подуровня, переходы между к-рыми дают 15 компонент (8 p-компонент и 7 s-компонент).

Квадратичный Ш. э. может быть объяснён на основе представлений о поляризуемости атома. В поле E атом приобретает дипольный момент-поляризуемость. Cp. значение этого момента для атома как системы, обладающей центром симметрии, равно нулю, что и обусловливает отсутствие, в общем случае многоэлектронных атомов, линейного Ш. э. Дополнит. энергия атома с дипольным моментом d в поле E равначто даёт, с учётом работы поляризации для индуцированного дипольного момента квадратичную зависимость V от E:

Согласно квантовомеханич. расчёту, для подуровня с заданным значением квантового числа дополнит, энергия при квадратичном Ш. э. равна

где А и В - постоянные. Это и приводит к несимметричной картине расщепления уровней энергии и спектральных линий.

Для молекул вследствие Ш. э. происходит расщепление вращательных уровней энергии, причём для молекул типа симметричного волчка, обладающих пост. дипольным моментом (примером является молекула аммиака NH₃), характерен линейный Ш. э. Для таких молекул методом ЭПР в молекулярных пучках, аналогичным методу ЯМР, могут наблюдаться переходы между подуровнями штарковского расщепления и с большой точностью определяться величины дипольных моментов.

Важный случай Ш. э.- расщепления электронных уровней энергии иона в ионном кристалле (а также примесного иона в молекулярном кристалле, содержащем дипольные молекулы) под действием внутрикристаллич. поля; штарковское расщепление может достигать сотых долей эВ. Этот эффект учитывается в спектроскопии кристаллов и важен для твердотельных лазеров.

Ш. э. наблюдается и в переменном электрич. поле, причём изменение положения штарковских подуровней может быть использовано для изменения частоты квантового перехода в квантовых устройствах (штарковская модуля-ция; см., напр., Микроволновая спектроскопия ).Влияние быстропеременного электрич. поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, ударное штар-ковское уширение спектральных линий в плазме (см. Излучение плазмы ),к-рое позволяет оценить концентрацию в ней заряж. частиц (напр., в атмосферах звёзд).

Литература по

Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, M., 1962; Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, 2 изд., M., 1977; Бете Г., СолпитерЭ., Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами, пер. с англ., M., 1960. M. А. Ельяшевич.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира