Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
История паровозов
От 1804 г. до наших дней
Некоторые конструкторы первых паровозов предполагали, что гладкие колеса будут пробуксовывать, скользить при старте и предлагали свои варианты решения этой проблемы. Модель Бленкинсопа имела пару колес с зубцами. Это создавало трудности в строительстве колеи и создавало неимоверный шум. Далее...

Изобретение паровозов

Модель первого паровоза

штарка эффект

ШТАРКА ЭФФЕКТ - расщепление спектральных линий атомов, молекул и др. квантовых систем в электрич. поле. Открыт в 1913 Й. Штарком (J. Stark) на линиях Бальмера серии водорода, является результатом сдвига и расщепления на подуровни уровней энергии системы под действием электрич. поля E (штарковское расщепление, штарковские подуровни; термин "Ш. э." относят также к сдвигу и расщеплению уровней энергии).

Ш. э. получил объяснение на основе квантовой механики. Атом (или др. квантовая система), находясь в состоянии с определ. энергией469-512_02-10.jpgприобретает во внеш. поле E дополнит, энергию469-512_02-11.jpgвследствие его поляризуемости - приобретения в поле E диполъного момента. Уровень энергии, к-рому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле E характеризуется энергией 469-512_02-12.jpg т. е. смещается. Разл. состояния, соответствующие вырожденному уровню энергии, могут приобретать разные дополнит, энергии469-512_02-13.jpgгде g-степень вырождения уровня). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число к-рых равно числу разл. значений469-512_02-14.jpgТак, уровень энергии атома с заданным значением полного механич. момента 469-512_02-15.jpg ...-соответств. квантовое число) расщепляется на подуровни, характеризуемые разными значениями магн. квантового числа mJ, к-рое определяет величину проекции M на направление E. В однородном электрич. поле, обладающем аксиальной симметрией, сохраняется квантование проекции M. Однако, в отличие от расщепления в магн. поле при Зеемана эффекте на469-512_02-16.jpgневырожденных подуровня, значениям 469-512_02-17.jpg соответствует одинаковая дополнит, энергия 469-512_02-18.jpg поэтому штарковские подуровни (кроме подуровня с J=0)дважды вырождены и уровень с заданным J расщепляется при целом J на J+ 1 подуровень, а при полуцелом J на469-512_02-19.jpgподуровней (при J= 1/2 вообще не расщепляется). Двукратное вырождение в случае атомов с нечётным числом электронов, для к-рых значения J полуцелые, сохраняется и в неоднородных электрич. полях (см. Крамерса теорема).

Различают линейный Ш. э.469-512_02-20.jpgрис. 1), к-рый наблюдается в важнейшем частном случае водорода (а также для водородоподобных атомов и для сильно возбуждённых уровней др. атомов), и квадратичный Ш. э. 469-512_02-23.jpg рис. 2), типичный для общего случая уровней энергии многоэлектронных атомов. Расщепление при линейном Ш. э. для атомов H составляет тысячные доли эВ при напряжённостях полей469-512_02-24.jpgпри квадратичном Ш. э. оно значительно меньше, достигая 469-512_02-25.jpg при напряжённостях полей469-512_02-26.jpg


469-512_02-21.jpg

Рис. 1. Зависимость величины расщепления уровней энергии 469-512_02-22.jpg от напряжённости электрического поля E при линейном эффекте Штарка (расщепление уровня энергии атома H, определяемого главным квантовым числом n= 3, на 5 подуровней).

469-512_02-27.jpg

Рис. 2. Зависимость величины расщепления уровней энергии469-512_02-28.jpgот напряжённости электрического поля E при квадратичном эффекте Штарка (расщепление уровня энергии многоэлектронного атома при J=3 на 4 подуровня).

Причиной линейного Ш. э., наблюдаемого для H, является, при заданном значении гл. квантового числа n (при 469-512_02-29.jpg наличие вырождения по l (связанного с движением электрона в кулоновском поле ядра и отсутствующего в многоэлектронных атомах). Если пренебречь влиянием спина на орбит. движение (ввиду малости спин-орбитального взаимодействия это справедливо при не очень малых полях E, когда штарковское расщепление оказывается значительно больше величины тонкой структуры, см. Атом ),то при заданном h совпадают уровни с469-512_02-30.jpg обладающие разл. чётностью (чётные уровни с469-512_02-31.jpg и нечётные уровни с 469-512_02-32.jpg В электрич. поле нарушается сферич. симметрия атома, исчезает его центр симметрии, с отражением в к-ром связано деление уровней энергии на чётные и нечётные, квантовое число l теряет свой смысл и происходит смешение состояний разл. чётности, что приводит, согласно квантовой механике, к линейному Ш. э. Квантовомеханич. задача проще всего решается в т. н. параболических координатах, при введении к-рых состояния атома характеризуются параболическими квантовыми числами 469-512_02-33.jpg- 1 и 469-512_02-34.jpg Разность этих квантовых чисел n1-n2 входит в ф-лу, определяющую линейное расщепление уровня с заданным п:

469-512_02-35.jpg

где A0 - постоянная. Расщепление симметрично и происходит на469-512_02-36.jpgподуровней с расстояниями469-512_02-37.jpgмежду ними. Переходы между подуровнями двух комбинирующих уровней энергии дают симметричную картину расщепления спектральных линий, как и при эффекте Зеемана.

При наблюдении в направлении, перпендикулярном E, получаются продольно поляризованные 469-512_02-38.jpgкомпоненты и поперечно поляризованные469-512_02-39.jpgкомпоненты. При наблюдении вдоль E469-512_02-40.jpgкомпоненты отсутствуют, а на месте s-компонент возникают неполяризованные компоненты. Рассчитанные интенсивности компонент находятся в согласии с опытом. Для линии469-512_02-41.jpgсерии Бальмера (переход 469-512_02-42.jpg уровень n = 3 (l=0, 1, 2, степень вырождения 9) расщепляется на 5 подуровней, а уровень469-512_02-43.jpg степень вырождения 4) на 3 подуровня, переходы между к-рыми дают 15 компонент (8 p-компонент и 7 s-компонент).

Квадратичный Ш. э. может быть объяснён на основе представлений о поляризуемости атома. В поле E атом приобретает дипольный момент469-512_02-44.jpg-поляризуемость. Cp. значение этого момента для атома как системы, обладающей центром симметрии, равно нулю, что и обусловливает отсутствие, в общем случае многоэлектронных атомов, линейного Ш. э. Дополнит. энергия атома с дипольным моментом d в поле E равна469-512_02-45.jpgчто даёт, с учётом работы поляризации для индуцированного дипольного момента469-512_02-46.jpg квадратичную зависимость V от E:

469-512_02-47.jpg

Согласно квантовомеханич. расчёту, для подуровня с заданным значением квантового числа 469-512_02-48.jpgдополнит, энергия при квадратичном Ш. э. равна

469-512_02-49.jpg

где А и В - постоянные. Это и приводит к несимметричной картине расщепления уровней энергии и спектральных линий.

Для молекул вследствие Ш. э. происходит расщепление вращательных уровней энергии, причём для молекул типа симметричного волчка, обладающих пост. дипольным моментом (примером является молекула аммиака NH3), характерен линейный Ш. э. Для таких молекул методом ЭПР в молекулярных пучках, аналогичным методу ЯМР, могут наблюдаться переходы между подуровнями штарковского расщепления и с большой точностью определяться величины дипольных моментов.

Важный случай Ш. э.- расщепления электронных уровней энергии иона в ионном кристалле (а также примесного иона в молекулярном кристалле, содержащем дипольные молекулы) под действием внутрикристаллич. поля; штарковское расщепление может достигать сотых долей эВ. Этот эффект учитывается в спектроскопии кристаллов и важен для твердотельных лазеров.

Ш. э. наблюдается и в переменном электрич. поле, причём изменение положения штарковских подуровней может быть использовано для изменения частоты квантового перехода в квантовых устройствах (штарковская модуля-ция; см., напр., Микроволновая спектроскопия ).Влияние быстропеременного электрич. поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, ударное штар-ковское уширение спектральных линий в плазме (см. Излучение плазмы ),к-рое позволяет оценить концентрацию в ней заряж. частиц (напр., в атмосферах звёзд).

Лит.: Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, M., 1962; Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, 2 изд., M., 1977; Бете Г., СолпитерЭ., Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами, пер. с англ., M., 1960. M. А. Ельяшевич.

  Предметный указатель