загрузка...
загрузка...
На головну

ефект Штарка

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Ефект встановлений в 1913 році німецьким вченим Йоханесса Штарком. Характеризує залежність спектра випромінювання атомів від напруженості електричного поля. Залежність може бути лінійної і квадратичної. Для атомів, що мають ненульовий дипольний момент зрушення ліній спектру пропорційний напруженості електричного поля в першого ступеня, а для інших атомів - у другій. Пояснюється це тим, що диполь з дипольним моментом в електричному полі має додаткову енергію :

, . (5.3)

Якщо в звичайному стані дипольний момент у молекул відсутня, то під дією поля він з'являється. Це є причиною квадратичної залежності спектра розщеплення від напруженості електричного поля. При цьому поле може бути або зовнішнім по відношенню до джерела, або внутрішнім, створюваним сусідніми атомами або іонами.

Ефект Штарка по суті аналогічний ефекту Зеемана. Під дією електричного поля хмара електронів, що оточують ядро випромінює атома, змінює своє положення щодо ядра. В результаті змінюються енергетичні рівні електронів в атомі. Оскільки світло випускається при переході електрона з одного енергетичного рівня на інший, зміна енергетичних рівнів призводить до зміни спектра світла, що випускається. Ефект Штарка є одним з найбільш переконливих підтверджень квантової теорії будови речовини.

Теорія квантово - розмірного ефекту Штарка використовується при дослідженні напівпровідникових нанокристалів, що знаходяться в умовах, коли поляризаційна взаємодія електрона і дірки з поверхнею нанокристалів грає домінуючу роль. Встановлено, що зрушення рівнів розмірного квантування електрона і дірки в нанокристалів в зовнішньому однорідному електричному полі в області міжзонного поглинання визначаються квадратичним ефектом Штарка. Запропоновано новий електрооптичний метод, що дає можливість визначити величини критичних радіусів нанокристалів, в яких можуть виникнути об'ємні екситон.

Ефект був відкритий при вивченні спектру водню. Крім водню даний ефект детально вивчений в спектрах гелію, лужних металів (Li, Na, K і т. Д.) І ряду ін. Елементів.

Цей ефект має повністю квантовомеханічну природу і не може бути пояснений в рамках класичної фізики. Електронні терми розщеплюються не тільки в зовнішньому полі, але і в полі, створеному сусідніми атомами і молекулами. Тому штарковское розщеплення лежить в основі теорії кристалличностью поля, яка має велике значення в хімії.

Лінійний ефект Штарка, Тобто розщеплення термів, величина якого пропорційна напруженості електричного поля, спостерігається для єдиною фізичної системи - атома водню. Цей факт пояснюється тією обставиною, що для атома водню існує виродження електронних термів з різними значеннями орбітального квантового числа, яке не властиво ніякому іншому елементу.

Ефект Штарка був пояснений на основі квантової механіки. Квантова система (атом, молекула) в стані з певною енергією набуває у зовн. Електричному полі E додаткову енергію (Т. К. Елект. Поле змінює стан входять до системи заряджених частинок, напр., Електронів в атомі). В результаті рівень енергії, до-рому відповідає одне можливе стан атома (невироджених рівень), в електричні. поле матиме енергію , Т. Е. Він зміститься. Для виродженого уровеня енергії (йому відповідає неск. Можливих станів системи з однаковою енергією ) Різні стани можуть придбати різні додаткові енергії 1, 2, ..., g, де g - ступінь виродження рівня). В результаті вироджений рівень розщеплюється на підрівні з енергією , Число яких брало дорівнює числу різних значень . Так, рівень енергії атома із заданим значенням моменту кількості руху (J = 0, 1, 2 ... - квантове число) розщеплюється в електричні. поле на підрівні, що характеризуються різними значеннями ін. квантового числа m (різною величиною проекції моменту M на напрям електричного поля). Однак значенням -m і + m відповідає однакова додаткова енергія , Так що все штарковскіе підрівні (з ) Виявляються двічі виродженими (на відміну від розщеплення в магнітному полі, де все підрівні НЕ виродилися).

Мал. 1. Залежність величини розщеплення від напруженості електричного поля E при лінійному ефекті Штарка (розщеплення рівня атома водню, якому відповідав би головне квантове число n = 3, на 5 підрівнів).

Розрізняють лінійний ефект Штарка, коли пропорційно E (рис. 1), і квадратичний ефект Штарка, коли пропорційно E2 (рис. 2). У першому випадку картина розщеплення рівнів енергії і виходять при переходах між ними спектральних ліній симетрична, в другому - несиметрична. Лінійний ефект Штарка характерний для водню в не дуже сильних полях (в полях ~ В / см він становить тисячні частки еВ). Рівень енергії атома водню із заданим значенням головного квантового числа n симетрично розщеплюється на 2n-1 рівновіддалених підрівнів (рис. 1 відповідає n = 3, 2n-1 = 5). У компонентів спектральні лінії, обумовлених переходами між розщепленими в електричному полі рівнями, спостерігається ефект поляризації. Якщо електричне поле орієнтоване перпендикулярно до спостерігача, то частина компонентів поляризована поздовжньо (-компоненти), решта - поперечно (-компоненти). При поздовжньому напрямку поля -компоненти не з'являються, а на місці -компонента виникають неполяризовані компоненти. Інтенсивності різних компонентів різні.

На рис. 3 показано розщеплювання в результаті ефект Штарка спектральні лінії водню H.

Мал. 2. Залежність величини розщеплення
 від напруженості електричного поля E
 при квадратичному ефекті Штарка
 (Підрівні виявляються віддаленими на
 різні відстані).

Крім водню лінійний ефект Штарка спостерігається в водородоподобних атомах (He +, Li2 +, B3 + і т. Д.) І для сильно збуджених рівнів інших атомів (в ряді випадків ефект Штарка призводить до появи заборонених спектральних ліній).

У сильних полях, а також в слабких полях для ряду елементів має місце головним чином квадратичний ефект Штарка з асиметричною картиною розщеплення. Величина квадратичного ефекту невелика (в полях ~ В / см розщеплення досягає десятитисячних доль еВ).

Мал. 3. Розщеплення лінії водню H
 в електричному полі.
 По-різному поляризовані компоненти лінії
( и ) Виникають при певних
 комбінаціях підрівнів.

Ефект Штарка спостерігається не тільки в постійних, але і в змінних електричних полях. Вплив високочастотного електричного поля на рівні енергії атомів (іонів) визначає, зокрема, розширення спектральних ліній космічної плазми. Рух частинок плазми і пов'язане з цим зміна відстаней між ними призводять до швидких змін електричного поля біля кожної випромінюючої частки. В результаті енергетичні рівні атомів (іонів), розщеплюючись, зміщуються на неоднакову величину. Для випромінювання сукупності таких частинок характерно збільшення ширини спектральних ліній (т. Н. Штарковское розширення ліній).

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Читайте також:

Архітектура Кантільоверниє датчиків і системи контролю за становищем консолей

Перетворення енергії подразника в рецепторах. Рецепторний потенціал. Абсолютний поріг. Тривалість відчуття. Адаптація рецепторів.

Фізичні основи створення мікро- і нано-електромеханічних систем (МЕМС)

Растровиий едектронний мікроскоп

амперометричний аналізатор

Сенсорні системи людини

Скануючий СКВІД-мікроскоп (ССМ-77)

ефект Ганна

розгортається пристрої

Застосування використання MEMS в телекомунікаціях

ємнісний иммуносенсор

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua