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).

Физические основы создания микро- и нано-электромеханических систем (МЕМС)

Нисходящее торможение (усиление). Механизм отрицательной обратной связи. Механизм положительной обратной связи. Многоканальность.

Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора

Вернуться в оглавление: Физические явления