§3.6 Штарк эффектісі

Атом шығаратын жарықтың жиілігі мен поляризациясына магнит өрісінің ғана емес, электр өрісінің де әсері болады. Электр өрісінде спектрлік сызықтардың жіктелуі Штарк эффектісі деп аталады. Бұл құбылысты сутегі спектрін зерттеу кезінде ең алғаш 1913 ж. неміс физигі И. Штарк (1874-1957) бақылаған. Мұны бақылау Зееман эффектісіне қарағанда көп күрделі, өйткені сәуле шығаратын газ (плазма) немесе бу, алып жатқан көлемде күшті электр өрісін жасау қиын. Осы қиындықты жеңу үшін әдетте былай жасайды. Разрядтық түтіктің катодына жасалған жіңішке каналдар арқылы газ разрядынан (3.6-сурет) K катод пен B пластина аралығына яғни күшті электр өрісі бар кеңістікке, оң иондар және де қоздырылған атомдар шоғы түсіріледі ("каналдық сәулелер")

3.6-сурет

B-K аралығынан, осында газ атомдарының еркін жолының ұзындығы жеткілікті үлкен болуы үшін газға қосымша сору жүргізіледі. Электр өрісінің кернеулігі әдетте 10⁷-10⁸ B/м болады.

Атомға электр өрісі әсер етіп, оны поляризациялайды, яғни оң зарядталған ауыр ядроға қатысты электрондарды ығыстырады. Атомда өрісін туғызған (индукцияланған) дипольдық момент пайда болады; ол өріспен әсерлесіп, жүйе энергиясын өзгертеді.

(3.6.1)

Дипольдық моменттің өзі өріске тәуелді болғандықтан, энергияға электрлік қосымша өріс кернеулігінің квадратық функциясы болуы тиіс (Штарктың квадраттық эффектісі). Классикалық электрондық теория спектрлік сызықтардың жіктелуін емес, бұлардың -қа пропорционал ығысуын ғана түсіндіруге жарайды.Ал Штарктың квадраттық эффектісі көп электронды атомдардың көпшілігі үшін тәжірибелерде байқалады. Мысал ретінде 3.7-суретте калийдың дублет сызықтарының

(4s²S_1/2→5p²P_1/2 және 4s²S_1/2→5p²P_3/2) ығысуы электр өрісі кернеулігі квадратына тәуелділігі келтірілген. 3.8-суретте сутегі атомы Бальмер сериясының -сызығы шығарылуына жауапты атомдық термдердің Штарк эффектісі жағдайында жіктелу сипаты көрсетілген.

3.7-сурет

Суреттің төменгі бөлігінде кескінделген сызықтардың биіктігі спектрдің жеке құраушыларының салыстырмалы интенсивтілігін береді. Штарк эффектісін Z осі бойымен бағытталған сыртқы бір текті электр өрісінде (3.8-сурет) электронның потенциалдық энергиясына қосымшаны сипаттайтын eεZs қосымша мүшесі бар сутегі атомы үшін Шредингер теңдеуін шығарып Штарк эффектісін теориялық қарастыруға болады:

(3.6.2)

Бір текті өріс кулондық өрістің сфералық симметриясын бұзатындықтан, оған кіші қосымша ұйытқу теориясы пайдаланылады.

Ұйытқу теориясын қолданып екінші жуықтауда термнің қосымша энергиясы үшін формуланы алуға болады

(3.6.3)

мұндағы және -параболалық кванттық сандар (бүтін, оң мәндер) шартын қанағаттандырады; -орбиталық магниттік кванттық санның абсолют мәнімен мағынасы бойынша дәл келеді.

болатындықтан, болады. (3.6.3) өрнегінің бірінші мүшесі сызықтық, екіншісі-Штарктың квадраттық эффектісін бейнелейді. Штарктың квадраттық эффектісі ε>10⁸В/м болған жағдайда ғана біліне бастайды.

белгілеуін енгізіп спектрлік сызықтардың Штарк-эффект кезінде жіктелуі үшін өрнекті былай жазамыз

(3.6.4)

3.8-сурет

Сұрыптау ережелері: жұп санға тең болғанда сәуленің -құраушысы, ал тақ санға тең болғанда- -құраушысы пайда болады. -құраушы деп, Зееман эффектісіндегідей, сыртқы өріс бағыты сызықты поляризацияланған сәуле құраушысын айтады, ал -құраушы-өріске перпендикуляр жазықтықта сызықты поляризацияланған сәуле. Квадраттық эффект жағдайында сәулені өріс бойымен бақылағанда поляризация болмайды, өйткені энергия -дің таңбасына тәуелсіз болғандықтан, оң және теріс дөңгелек бойынша поляризацияланған құраушылар бірдей болады. Штарк эффектісінің тәжірибедегінәтижелері кванттық теориямен жақсы үйлеседі.

Атомдар соқтығысқан кезде деңгейлердің орны атомды қоршап тұрған бөлшектердің өрістері әсерінен өзгеруі мүмкін екендігін ескеру керек. Бұл спектрлік сызықтардың штарктық кеңеюі деп аталады. Электр өрісінің атомға әсерінің тағы бір көрінісі спектрде тыиым салынғандарға жататын жаңа сызықтардың пайда болуы. Электр өрісі ықпалынан пайда болған электрлік дипольдық момент кванттық сандары әртүрлі күйлер үшін әртүрлі болады. Сондықтан осындай күйлер арасындағы көшулер кезінде дипольдық момент өзгереді, демек тек жағдайда емес, әуелі және 3 болған жағдайда да сәуле шығарылатын болады.