Эффект Штарка

§ 6.3.  Эффект Штарка.

Явление Штарка состоит в том, что при наложении электрического поля энергетические уровни атомов, молекул  и кристаллов расщепляются на подуровни и смещаются. Экспериментально это наблюдается в расщеплении и смещении спектральных линий  в спектрах испускания и поглощения. Штарк подробно исследовал это явление на линиях серии Бальмера атома водорода. Позднее оно было обнаружено на молекулах и кристаллах.

Классическая теория не в состоянии объяснить эффект Штарка. Теория явления Штарка, основанная на полуклассической теории Бора, была построена Шварцшильдом и Эпштейном в 1916 г. Их основные результаты были подтверждены в квантово-механической теории Шредингера в 1926 г. В обеих теориях использовались методы теории возмущений, суть которой состоит в том, что при взаимодействии двух частиц учитывается основная энергия, то есть та энергия, которая максимальна. Далее решается уравнение Гамильтона. Потом учитываются малые поправки – малые энергии – возмущения.

Рассмотрим эффект Штарка в атоме. Внешнее электрическое поле будем считать однородным. Явление Штарка проявляется по-разному в зависимости от того, имеется ли у атома в отсутствии внешнего электрического поля собственный дипольный момент, или нет. Если дипольный момент имеется, то при наложении  электрического поля атом получает дополнительную энергию: , где  – дипольный момент. Тогда смещение энергетических уровней и расщепление будут пропорциональны первой степени напряжённости поля. Этот эффект и был обнаружен Штарком. Если же у атома нет собственного дипольного момента, то при помещении атома во внешнее электрическое поле, возбуждается индуцированный дипольный момент. Этот дипольный момент есть , где  есть поляризуемость атома. При увеличении электрического поля от 0 до , дипольный момент атома будет увеличиваться от 0 до , при этом над атомом будет совершаться работа: . Эта работа идёт на приращение энергии атома в электрическом поле, а значит на расщепление и смещение спектральных линий (энергетических уровней). То есть эффект Штарка в этом случае пропорционален  и называется квадратичным эффектом Штарка. При прочих равных условиях квадратичный эффект Штарка гораздо меньше линейного эффекта Штарка.

Если у атома был дипольный момент, то возникает добавочный. Его можно считать пропорциональным полю. Тогда происходит наложение квадратичного и линейного эффектов Штарка. Картина расщепления становится несимметричной, всё больше смещаясь в сторону низких энергий, и тем сильнее, чем выше они расположены. Спектральные линии смещаются в сторону меньших частот. Это смещение не велико. Для серии Бальмера . Расстояние между крайними: .

Если напряжённость поля меньше , квадратичный эффект Штарка практически не сказывается. Его необходимо учитывать при напряжённостях порядка .