расщепление спектральных линий в электрических полях. Открыт в 1913 Й.
Штарком при изучении спектра атома водорода. Наблюдается в спектрах атомов и др. квантовых систем; является результатом сдвига и расщепления на подуровни их уровней энергии (См.
Уровни энергии) под действием электрических полей (штарковское расщепление, штарковские подуровни). Термин "Ш. э." относят не только к расщеплению спектральных линий в электрических 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
E приобретает во внешнем электрическом поле Ε
эл дополнит. энергию Δ
E вследствие поляризуемости его электронной оболочки и возникновения индуцированного дипольного момента. Уровень энергии, которому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле Ε
эл будет иметь энергию
E + Δ
E, т. е. сместится. Различные состояния вырожденного уровня энергии могут приобрести разные дополнительные энергии Δ
Eα (α = 1, 2,...,
g где
g - степень вырождения уровня; см.
Атом)
. В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число которых равно числу различных значений Δ
Eα. Так, уровень энергии атома с заданным значением момента количества движения
(
h - Планка постоянная,
J = 0, 1, 2,..., квантовое число (См.
Квантовые числа) полного момента количества движения) расщепляется в электрическом поле на подуровни, характеризуемые различными значениями магнитного квантового числа
mJ; (определяющего величину проекции момента
М на направление электрического поля), причём значениям -
mJ и +
mJ соответствует одинаковая дополнит. энергия Δ
E, поэтому все штарковские подуровни (кроме подуровня с
m = 0) оказываются дважды вырожденными (в отличие от расщепления в магнитном поле, где все подуровни не вырождены; см.
Зеемана эффект)
.
Различают линейный Ш. э., когда Δ
E пропорционально Ε
эл (
рис. 1), и квадратичный Ш. э., когда Δ
E пропорционально
(
рис. 2). В первом случае картина расщепления уровней энергии и получающихся при переходах между ними спектральных линий симметрична, во втором ― несимметрична.
Линейный Ш. э. характерен для водорода в не слишком сильных полях (в полях Шт
арка эфф
ект10
4 в/см он составляет тысячные доли
эв)
. Уровень энергии атома водорода с заданным значением главного квантового числа
n симметрично расщепляется на 2
n - 1 равноотстоящих подуровней (рис. 1 соответствует
n = 3,
2
n - 1= 5). Компоненты расщепившейся в поле Ε спектральной линии поляризованы. Если Ε ориентировано перпендикулярно к наблюдателю, то часть компонент поляризована продольно (π-компоненты), остальные - поперечно (σ-компоненты). При наблюдении вдоль направления поля π-компоненты не появляются, а на месте σ-компонент возникают неполяризованные компоненты. Интенсивности разных компонент различны. На рис. 3 показано расщепление в результате Ш. э. спектральной линии водорода Н
α (головной линии Бальмера серии (См.
Бальмера серия))
.
Линейный Ш. э. наблюдается также в водородоподобных атомах (Не+, Li
2+, B
3+,...) и для сильно возбуждённых уровней др. атомов (в ряде случаев Ш. э. приводит к появлению запрещенных линий (См.
Запрещенные линии))
. Типичным для многоэлектронных атомов является квадратичный Ш. э. с асимметричной картиной расщепления. Величина квадратичного эффекта невелика (в полях Шт
арка эфф
ект10
5 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 кристаллической решётке под действием внутрикристаллического поля
Ekp, создаваемого окружающими ионами. Оно может достигать сотых долей
эв, учитывается в спектроскопии кристаллов (См.
Спектроскопия кристаллов) и существенно для работы квантовых усилителей.
Ш. э. наблюдается и в переменных электрических полях. Изменение положения штарковских подуровней в переменном поле Ε
может быть использовано для изменения частоты квантового перехода в квантовых устройствах (штарковская модуляция, см., например,
Микроволновая спектроскопия)
.
Влияние быстропеременного электрического 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 электрического поля около каждой излучающей частицы. В результате энергетические 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 (например, в атмосферах звёзд).
Лит.: Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Фриш С. Э., Оптические спектры атомов, М.- Л., 1963; Таунс Ч., Шавлов А., Радиоспектроскопия, пер. с англ., М., 1959.
М. А. Ельяшевич.
Рис. 1. Зависимость величины расщепления ΔЕ от напряжённости электрического поля E при линейном эффекте Штарка (расщепление уровня атома водорода, определяемого главным квантовым числом n = 3, на 5 подуровней).
Рис. 2. Зависимость величины расщепления уровней ΔЕ от напряжённости электрического поля Е при квадратичном эффекте Штарка (подуровни оказываются отстоящими на разные расстояния).
Рис. 3. Расщепление линий Hα водорода в электрическом поле. Различно поляризованные компоненты линии (π и σ) возникают при определённых комбинациях подуровней.