ШТАРКА ЭФФЕКТ

ШТАРКА ЭФФЕКТ расщепление спектральных
линий в электрич. полях. Открыт в 1913 И. Штарком при изучении спектра
атома водорода. Наблюдается в спектрах атомов и др. квантовых систем; является
результатом сдвига и расщепления на подуровни их уровней энергии под
действием электрич. полей (штарковское расщепление, штарковские подуровни).
Термин "Ш. э." относят не только к расщеплению спектральных линий в электрич.
полях, но и к сдвигу и расщеплению в них уровней энергии.

Ш. э. был объяснён на основе квантовой
механики. Атом (или др. квантовая система) в состоянии с определённой энергией
Е
приобретает
во внеш. электрич. поле E дополнит, энергию дельта Е вследствие
поляризуемости его электронной оболочки и возникновения индуцированного
дипольного момента. Уровень энергии, к-рому соответствует одно возможное
состояние атома (невырожденный уровень), в поле E будет иметь энергию
Е + дельта Е ,т. е. сместится. Различные состояния вырожденного
уровня энергии могут приобрести разные дополнительные энергии дельта Е
(а = 1, 2, ..., g, где g - степень вырождения уровня; см.
Атом). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские
подуровни, число к-рых равно числу различных значений дельта ЕТак, уровень энергии атома с заданным значением момента количества движения

(h - Планка постоянная, J = 0,
1, 2, ..., квантовое число полного момента количества движения)
расщепляется в электрич. поле на подуровни, характеризуемые различными
значениями магнитного квантового числа m(определяющего
величину проекции момента M на направление электрич. поля), причём
значениям - mи + mсоответствует
одинаковая дополнит, энергия дельта-Е, поэтому все штарковские подуровни
(кроме подуровня с т = 0) оказываются дважды вырожденными (в отличие
от расщепления в магнитном поле, где все подуровни не вырождены; см. Зеемана
эффект).

Различают линейный Ш. э., когда дельта
Е пропорционально E (рис. 1), и квадратичный Ш. э., когда дельта-Е
пропорционально E² (рис. 2). В первом случае картина
расщепления уровней энергии и получающихся при переходах между ними спектральных
линий симметрична, во втором - несимметрична.

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

Рис. 2. Зависимость величины расщепления
уровней дельта-Е от напряжённости электрического поля Е
при квадратичном
эффекте Штарка (подуровни оказываются отстоящими на разные расстояния).

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). Компоненты расщепившейся
в поле E спектральной линии поляризованы. Если E ориентировано
перпендикулярно к наблюдателю, то часть компонент поляризована продольно
(пи-компоненты), остальные - поперечно (сигма-компоненты). При наблюдении
вдоль направления поля пи-компоненты не появляются, а на месте сигма-компонент
возникают неполяризованные компоненты. Интенсивности разных компонент различны.
На рис. 3 показано расщепление в результате Ш. э. спектральной линии водорода
На (головной линии Балъмера серии).

Рис. 3. Расщепление линий Нводорода в электрическом поле. Различно поляризованные компоненты линии
(пи и сигма) возникают при определённых комбинациях подуровней.

Линейный Ш э. наблюдается также в водородоподобных
атомах (He⁺, Li²⁺, B³⁺,...) и для сильно
возбуждённых уровней др. атомов (в ряде случаев Ш. э. приводит к появлению
запрещённых
линии). Типичным для многоэлектронных атомов является квадратичный
Ш. э. с асимметричной картиной расщепления. Величина квадратичного эффекта
невелика (в полях 10⁵ в/см расщепление составляет десятитысячные
доли эв). Для достаточно симметричных молекул, обладающих постоянным дипольным
моментом, характерен линейный Ш. э. В др. случаях обычно наблюдается квадратичный
Ш. э.

Важный случай Ш. э.- расщепление электронных
уровней энергии иона в кристаллич. решётке под действием внутрикристаллического
поля Есоздаваемого окружающими ионами. Оно может
достигать сотых долей эв, учитывается в спектроскопии кристаллов
и
существенно для работы квантовых усилителей.

Ш. э. наблюдается и в переменных электрич.
полях. Изменение положения штарковских подуровней в переменном поле E
может
быть использовано для изменения частоты квантового перехода в квантовых
устройствах (ш т а р к о вская модуляция, см., напр.,
Микроволновая
спектроскопия).

Влияние быстропеременного электрич.
поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, штарковское
уширение спектральных линий в плазме. Движение частиц плазмы и связанное
с этим изменение расстояний между ними приводит к быстрым изменениям электрич.
поля около каждой излучающей частицы. В результате энергетич. уровни атомов
(ионов), расщепляясь, смещаются на неодинаковую величину, что и приводит
к уширению спектральных линий в спектрах излучения плазмы. Штарковское
уширение позволяет оценить концентрацию заряженных частиц в плазме (напр.,
в атмосферах звёзд).

Лит.: Ельяшевич M. А., Атомная
и молекулярная спектроскопия, M., 1962; Фриш С. Э., Оптические спектры
атомов, М.- Л., 1963; T а у н с Ч., Ш а в л о в А., Радиоспектроскопия,
пер. с англ., M., 1959. M. А. Ельяшевич.