Ефект штарка

Відео: Нормальний ефект Зеемана - спостереження поперек поля

ефект Штарка - явище розщеплення електронних термів атомів у зовнішньому електричному полі.
Ефект Штарка - цілком і повністю квантовомеханічну явище і не може бути пояснений в класичній фізиці.
Спектральний розщеплюються не тільки в зовнішньому полі, але і в полі, створеному сусідніми атомами і молекулами. Штарківське розщеплення лежить в основі теорії кристалічного поля, яка має велике значення в хімії.
Йоханнес Штарк відкрив явище розщеплення оптичних ліній в електричному полі в 1913 р, за що в 1919 р отримав Нобелівську премію.
Зсуви Штарка першого і другого порядку в водні, магнітне квантове число: m = 1. Кожна n-рівень складається з n-1 вироджені подуровні- використання електричного поля знімає виродження. Зміна енергії стаціонарних станів під впливом зовнішнього електричного поля залежить від того, в атому є дипольний електричний момент Чи ні. У першому випадку при включенні електричного поля з напруженістю в наближенні, лінійному по полю, атом отримує додаткову енергію

Тоді зміщення з розщеплення спектральних ліній буде також пропорційно першого ступеня напруженості . Таке розщеплення називають "лінійним ефектом Штарка".
Якщо атом не має власного електричного дипольного моменту, то в присутності електричного поля він приймає середній електричний дипольний момент . Якщо зовнішнє поле досить слабке, тобто воно значно менше електричного поля в атомах, яке створюють заряди ядра (не менше 10 10) В / м, то



де коефіцієнт пропорційності? називають поляризуемостью атома. Для атомів з сферичної симетрією? - скаляр, а в загальному випадку він являє собою симетричний тензор. Полярізуємостью атома може бути обчислення методами квантової механіки. При збільшенні електричного поля від нуля до , Дипольний момент атома також змінюється від нуля до . При цьому над атомом здійснюється робота

яка йде на збільшення потенційної енергії атома в зовнішньому полі. Зміщення і розщеплення спектральних ліній в таких атомів пропорційне . Таке розщеплення називають "квадратичним ефектом Штарка". Цей ефект менш лінійного. Атом, який має власний дипольний момент в електричному полі, отримує і додатковий (індукований) дипольний момент, який в першому наближенні пропорційний . Протікає накладка лінійного і квадратичного ефектів Штарка. Зсув ліній виявляється несиметричним - вони зміщуються в червону сторону спектра, в область менших енергій. У водородоподобних атомів ефект Штарка лінійний. Це пояснюється тим, що в таких атомах електричне поле ядра, в якому рухаються електрони, є кулоновское, і його енергетичні рівні виродилися по l. Рівняння Шредінгера в водородоподобних атомів у зовнішньому електричному полі E має вигляд
,
який відрізняється стандартного наявністю члена - e z E, який обумовлений обуренням w 0 з боку поля. Тут враховано, що електричний момент атома з одним електроном , І обрана вісь z системи координат уздовж вектора напруженості електричного поля , Тобто , де W - енергія атома в поле, - Енергія атома без поля, має вигляд:



де? n - власні функції, що відповідають власним значенням Хвильові функції? n будуються з урахуванням можливого виродження по l.
Основним станом атома водню є 1 s - (релятивістські ефекти не враховуються). Використавши явний вигляд хвильової функції для водню, можна показати, що , Тобто в першому наближенні енергія основного стану в зовнішньому полі не змінюється. У першому збудженому стані n = 2 необхідно врахувати виродження хвильової функції? 2 по l. Це можна зробити записавши? 2 у вигляді лінійної комбінації функцій? n l m водню з квантовими числами n, l, m = 2,0,0- 2,1,0- 2,1,1- 2,1, - 1:

де позначено для простоти? 1 =? 200,? 2 =? 210,? 3 =? 211,? 4 =? 21 - 1. Підставляючи останній вираз в рівняння Шредінгера для Z = 1 і інтегруючи його з функціями , Отримуємо систему рівнянь для коефіцієнтів b i. З умови можливості розв`язання цієї системи знаходимо, що поправка до енергії? W 2 може приймати три значення:
? W 2 = 3 e a 0 E, ? W 2 = - 3 e a 0 E, ? W 2 = 0
де є двократно виродженим. Величина розщеплення рівнів? W n пропорційна напруженості електричного поля E. У загальному випадку рівень з головним квантовим числом n в постійному електричному полі розщіплюеться на n - 2 підрівнів. У більш складних атомах з одним валентним електроном поле, яке діє на зовнішній електрон, спотворене внутрішніми електронаміі тому не є кулоновским. В такому полі виродження по l немає. Можна показати, що в першому наближенні теорії збурень? W n = 0 для кожного n і l. У цьому випадку вплив електричного поля E потрібно враховувати в другому порядку наближення теорії збурень, який призводить до величини розщеплення рівнів енергії атомів, квадратичною по полю E.
У разі атома водню складовими, пропорційними E 2, можна знехтувати при В / м. При більш сильних полях необхідно враховувати члени з E 2, а при - Члени з E 3. Сьогодні ми маємо повний збіг теорії з експірементом, до полів порядку ~ 10 9.
Спостерігається в напівпровідникових гетероструктурах, де матеріал з вузькою Широна зони знаходиться між двома матералами з широкими зонами. Як правило, драматично пов`язаний зі зв`язаними Ексітон. Справа в тому, що електрони і дірки екситонів в електричному полі відштовхуються одна від одної, проте все ж вони залишаються пов`язаними всередині області з вузькою зоною. Цей ефект широко використовується в напівпровідникових оптичних модуляторах і в оптоволоконної оптики.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!