Эффект Штарка

Эффект установлен в 1913 г. немецким ученым Йоханессом Штарком. Характеризует зависимость спектра излучения атомов от напряжённости электрического поля. Зависимость может быть линейной и квадратичной. Для атомов, имеющих ненулевой дипольный момент сдвиг линий спектра пропорционален напряженности электрического поля в первой степени, а для других атомов – во второй. Объясняется это тем, что диполь с дипольным моментом в электрическом поле имеет дополнительную энергию :

, . (5.3)

Если в обычном состоянии дипольный момент у молекул отсутствует, то под действием поля он появляется. Это является причиной квадратичной зависимости спектра расщепления от напряженности электрического поля. При этом поле может быть либо внешним по отношению к источнику, либо внутренним, создаваемым соседними атомами или ионами.

Эффект Штарка по сути аналогичен эффекту Зеемана. 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 является одним из наиболее убедительных подтверждений квантовой теории строения вещества.

Теория квантово - размерного эффекта Штарка используется при исследовании полупроводниковых нанокристаллов, находящихся в условиях, когда поляризационное взаимодействие электрона и дырки с поверхностью нанокристалла играет доминирующую роль. Установлено, что сдвиги уровней размерного квантования электрона и дырки в нанокристалле во внешнем однородном электрическом поле в области межзонного поглощения определяются квадратичным эффектом Штарка. Предложен новый электрооптический метод, дающий возможность определить величины критических радиусов нанокристаллов, в которых могут возникнуть объемные экситоны.

Эффект был открыт при изучении спектра водорода. Кроме водорода данный эффект подробно изучен в спектрах гелия, щелочных металлов (Li, Na, K и т.д.) и ряда др. элементов.

Этот эффект имеет полностью квантовомеханическую природу и не может быть объяснён в рамках классической физики. Электронные термы расщепляются не только во внешнем поле, но и в поле, созданном соседними атомами и молекулами. Поэтому штарковское расщепление лежит в основе теории кристалличного поля, которая имеет большое значение в химии.

Линейный эффект Штарка, то есть расщепление термов, величина которого пропорциональна напряжённости электрического поля, наблюдается для единственной физической системы — атома водорода. Этот факт объясняется тем обстоятельством, что для атома водорода существует вырождение электронных термов с разными значениями орбитального квантового числа, какое не присуще никакому другому элементу.

Эффект Штарка был объяснен на основе квантовой механики. Квантовая система (атом, молекула) в состоянии с определенной энергией приобретает во внеш. Электрическом поле E дополнительную энергию (т.к. электрич. поле изменяет состояние входящих в систему заряженных частиц, напр., электронов в атоме). В результате уровень энергии, к-рому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в электрич. поле будет иметь энергию , т.е. он сместится. Для вырожденного уровеня энергии (ему соответствует неск. возможных состояний системы с одинаковой энергией ) различные состояния могут приобрести разные дополнительные энергии 1, 2, ...,g, где g - степень вырождения уровня). В результате вырожденный уровень расщепляется на подуровни с энергией , число к-рых равно числу различных значений . Так, уровень энергии атома с заданным значением момента количества движения (J=0, 1, 2... - квантовое число) расщепляется в электрич. поле на подуровни, характеризуемые различными значениями др. квантового числа m (различной величиной проекции момента M на направление электрического поля). Однако значениям -m и +m соответствует одинаковая дополнительная энергия , так что все штарковские подуровни (с ) оказываются дважды вырожденными (в отличие от расщепления в магнитном поле, где все подуровни не вырождены).

Рис. 1. Зависимость величины расщепления от напряженности электрического поля E при линейном эффекте Штарка (расщепление уровня атома водорода, которому соответствует главное квантовое число n=3, на 5 подуровней).

Различают линейный эффект Штарка, когда пропорционально E (рис. 1), и квадратичный эффект Штарка, когда пропорционально E2 (рис. 2). В первом случае картина расщепления уровней энергии и получающихся при переходах между ними спектральных линий симметрична, во втором - несимметрична. Линейный эффект Штарка характерен для водорода в не слишком сильных полях (в полях ~ 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). У компонентов спектральные линии, обусловленных переходами между расщепленными в электрическом поле уровнями, наблюдается эффект поляризации. Если электрическое поле ориентировано перпендикулярно к наблюдателю, то часть компонентов поляризована продольно (-компоненты), остальные - поперечно (-компоненты). При продольном направлении поля -компоненты не появляются, а на месте -компонентов возникают неполяризованные компоненты. Интенсивности разных компонентов различны.

На рис. 3 показано расщепление в результате эффект Штарка спектральные линии водорода H.

Рис. 2. Зависимость величины расщепления
от напряженности электрического поля E
при квадратичном эффекте Штарка
(подуровни оказываются отстоящими на
разные расстояния).

Кроме водорода линейный эффект Штарка наблюдается в водородоподобных атомах (He+, Li2+, B3+ и т.д.) и для сильно возбужденных уровней других атомов (в ряде случаев эффект Штарка приводит к появлению запрещенных спектральных линий).

В сильных полях, а также в слабых полях для ряда элементов имеет место главным образом квадратичный эффект Штарка с асимметричной картиной расщепления. Величина квадратичного эффекта невелика (в полях ~ В/см расщепление достигает десятитысячных долей эВ).

Рис. 3. Расщепление линии водорода H
в электрическом поле.
Различно поляризованы компоненты линии
( и ) возникают при определенных
комбинациях подуровней.

Эффект Штарка наблюдается не только в постоянных, но и в переменных электрических полях. Влияние высокочастотного электрического поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, уширение спектральных линий космической плазмы. Движение частиц плазмы и связанное с этим изменение расстояний между ними приводят к быстрым изменениям электрического поля около каждой излучающей частицы. В результате энергетические уровни атомов (ионов), расщепляясь, смещаются на неодинаковую величину. Для излучения совокупности таких частиц характерно увеличение ширины спектральных линий (т.н. штарковское уширение линий).

Проприоцептивная чувствительность, ощущения, восприятие

Физические основы электронной микроскопии Электронный микроскоп

Сенсорные сигналы от проприоцепторов

Физическая электроника и нанофизика, нанотехнологии и наноматериалы, общие замечания

Вернуться в оглавление: Физические явления