Штарка эффект

Открыт немецким физиком Й. Штарком в 1913 г. при изучении спектра водорода. Кроме водорода Ш.э. подробно изучен в спектрах гелия, щелочных металлов (Li, Na, K и т.д.) и ряда др. элементов.

Ш.э. был объяснен на основе квантовой механики. Квантовая система (атом, молекула) в состоянии с определенной энергией приобретает во внеш. электрич. 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, см. Зеемана эффект).

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 Ш.э., когда пропорционально E (рис. 1), и квадратичный Ш.э., когда пропорционально E² (рис. 2). В первом случае картина расщепления уровней энергии и получающихся при переходах между ними спектр. линий симметрична, во втором - 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). У компонентов спектр. линии, обусловленных переходами между расщепленными в электрич. поле уровнями, наблюдается эффект поляризации (см. Поляризация электромагнитного излучения). Если электрич. 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 Ш.э. спектр. 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 Ш.э. наблюдается в водородоподобных атомах (He⁺, Li²⁺, B³⁺ и т.д.) и для сильно возбужденных уровней др. атомомв (в ряде случаев Ш.э. приводит к появлению запрещенных спектральных линий).

В сильных полях, а также в слабых полях для ряда элементов имеет место главным образом квадратичный Ш.э. с асимметричной картиной расщепления. Величина квадратичного эффекта невелика (в полях ~ 10⁵ 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.

Ш.э. наблюдается не только в постоянных, но и в переменных электрич. полях. Влияние высокочастотного электрич. поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, уширение спектральных линий космич. плазмы. Движение частиц плазмы и связанное с этим изменение расстояний между ними приводят к быстрым изменениям электрич. поля около каждой излучающей частицы. В результате энергетич. уровни атомов (ионов), расщепляясь, смещаются на неодинаковую величину. Для излучения совокупности таких частиц характерно увеличение ширины спектр. линий (т.н. штарковское уширение линий). Ш.э. позволяет оценить концентрацию заряженных частиц в космич. плазме (напр., в атмосферах звезд).

Лит.:
Ельяшевич М.А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Мустель Э.Р., Звездные атмосферы, М., 1960.

(М.А. Ельяшевич)