Эффект Штарка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эффект Штарка — явление расщепления электронных термов атомов во внешнем электрическом поле. 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. Штарковское расщепление лежит в основе теории кристалличного поля, которая имеет большое значение в химии.

Йоханнес Штарк открыл явление расщепления оптических линий в электрическом поле в 1913 г., за что в 1919 г. получил нобелевскую премию.

[править] Линейный эффект Штарка

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.

Гамильтониан водородоподобного атома во внешнем электрическом поле с напряженностью принимает вид

,

где m_e — масса электрона, e — элементарный заряд, Z — зарядовое число ядра (равно 1 для атома водорода),  — приведённая постоянная Планка. Формула записана в гауссовой системе.

Задачу об отыскании собственных значений этого гамильтониана невозможно решить аналитически. Задача некорректна в том смысле, что стационарных состояний не существует из-за отсутствия у гамильтониана (для случая однородного электрического поля) дискретного спектра.^[1] Квантовый туннельный эффект рано или поздно приведёт атом к ионизации. Линейные относительно электрического поля смещения электронных термов находятся с помощью теории возмущений. Теория возмущений справедлива, если напряжённость поля не превышает 10⁴ В ·см^{-1[источник не указан 57 дней]}. Единственный точный результат, который вытекает из осевой симметрии задачи — это сохранение магнитного квантового числа m. Другие результаты сводятся к следующим утверждениям:

• энергия основного состояния не меняется.
• Первое возбуждённое состояние с главным квантовым числом n=2 в случае, когда поля нет, четырёхкратно вырождено. В электрическом поле вырождение снимается частично. Два состояния остаются на месте, два другие имеют энергию

  ,

  где  — боровский радиус.

• Высшие термы атома водорода расщепляются на 2n — 1 компоненту, где n — главное квантовое число. Частичное снятие вырождения связано с тем фактом, что во внешнем электрическом поле сохраняется осевая симметрия.

Расщепление электронных термов проявляется в оптических спектрах. При этом состояния из Δm = 0, где m — магнитное квантовое число, при наблюдении в направлении перпендикулярному к полю поляризованные за полем (π-компоненты), а линии с Δm = 1 — перпендикулярно к полю (σ-компоненты).

[править] Квадратичный эффект Штарка

В отличных от атома водорода веществ расщепление линий в электрическом поле пропорционально квадрату напряженности электрического поля. Такой эффект Штарка называется квадратичным. Теория этого эффекта была построена в 1927 г. Она утверждает, что уровень, который характеризуется главным квантовым числом n и орбитальним квантовым числом l, расщепляется на l+1 подуровней (по числу возможных значений модуля магнитного квантового числа m. Смещение каждого из подуровней пропорциональное квадрату напряженности электрического поля, но разное по величине. Более всего смещается уровень с m=0, меньше всего — с m = l.

[править] См. также

• Эффект Зеемана

[править] Литература

• Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики. Справочник.- Киев: Наукова Думка, 1989.-864с.

У этой статьи нет иллюстраций. Вы можете помочь проекту, добавив их (с соблюдением правил использования изображений). Для поиска иллюстраций можно: попробовать воспользоваться инструментом FIST. попытаться найти изображение на Викискладе; просмотреть иноязычные варианты статьи (если они есть); см. также Википедия:Источники изображений.