(Spectrul nivelelor energetice ale atomului Rydberg regulat calculat (non-haotic) al hidrogenului într-un câmp electric lângă n = 15 pentru numărul cuantic magnetic m = 0. Fiecare nivel n constă din n-1 subsnivele degenerate; aplicarea unui câmp electric frânează degenerarea Rețineți că nivelele de energie se pot traversa datorită simetriei subiacente a mișcării dinamice. )
Efectul Stark constă în deplasarea și divizarea liniilor spectrale ale atomilor și moleculelor datorită prezenței unui câmp electric extern. Este analogul pentru câmpul electric al efectului Zeeman, unde o linie spectrală este divizată în mai multe componente datorită prezenței câmpului magnetic. Deși inițial a fost numit așa pentru cazul static, este folosit și în contextul mai larg pentru a descrie efectul câmpurilor electrice dependente de timp. În particular, efectul Stark este responsabil de extinderea presiunii (extinderea Stark) a liniilor spectrale de către particulele încărcate în plasme. Pentru majoritatea liniilor spectrale, efectul Stark este fie linear (proporțional cu câmpul electric aplicat), fie cu un grad mare de precizie.
Efectul Stark poate fi observat atât pentru linii de emisie cât și pentru cele de absorbție. Acesta din urmă este denumit uneori efect Stark invers, dar acest termen nu mai este folosit în literatura modernă.
(Spectrele nivelelor energetice ale atomului Rydberg haotic calculat ale litiului în câmp electric, în apropierea n = 15 pentru m = 0. Observați că nivelele de energie nu se pot traversa datorită miezului ionic (și a defectului cuantic rezultat. )
Istorie
Efectul este numit după fizicianul german Johannes Stark, care l-a descoperit în 1913. A fost descoperit independent în același an de fizicianul italian Antonino Lo Surdo, iar în Italia se numește uneori efectul Stark-Lo Surdo. Descoperirea acestui efect a contribuit în mod semnificativ la dezvoltarea teoriei cuantice și a fost recompensată cu Premiul Nobel pentru Fizică pentru Johannes Stark în anul 1919.
Inspirat de efectul magnetic Zeeman, și mai ales de explicația lui Lorentz, Woldemar Voigt a efectuat calcule mecanice clasice ale electronilor cvasie-elastici legați într-un câmp electric. Folosind indicii experimentali de refracție, el a dat o estimare a divizărilor Stark. Această estimare a fost cu câteva ordine de mărime prea mică. Nu a fost descurajat de această predicție, și Stark a efectuat măsurători asupra stărilor excitate ale atomului de hidrogen unde a reușit să observe divizarea.
Prin folosirea teoriei cuantice Bohr-Sommerfeld (cea „veche”), Paul Epstein și Karl Schwarzschild au putut să obțină ecuații pentru efectul Stark linear și cuadratic în hidrogen. Patru ani mai târziu, Hendrik Kramers a derivat formule pentru intensitățile tranzițiilor spectrale. Kramers a inclus, de asemenea, efectul unei structuri fine, care include corecții pentru energia cinetică relativistă și cuplajul dintre mișcarea electronică și mișcarea orbitală. Primul tratament mecanic cuantic (în cadrul mecanicii matriceale a lui Heisenberg) a fost dezvoltat de Wolfgang Pauli. Erwin Schrödinger a discutat pe larg efectul Stark în cea de-a treia lucrare despre teoria cuantică (în care și-a prezentat teoria perturbării), o dată în maniera lucrării lui Epstein din 1916 (dar generalizată de la teoria cuantică veche la cea nouă) și o dată prin abordarea sa a perturbației (de ordinul întâi). În cele din urmă, Epstein a reconsiderat efectul Stark linear și cuadratic din punctul de vedere al noii teorii cuantice. El a derivat ecuații pentru intensitățile liniei care au fost o îmbunătățire decisivă față de rezultatele lui Kramers obținute prin vechea teorie cuantică.
Deși efectele de perturbare de ordinul întâi pentru efectul Stark în hidrogen sunt în acord cu modelul Bohr-Sommerfeld și cu teoria mecanică cuantică a atomului, efectele de ordin superior nu sunt. Măsurătorile efectului Stark pentru intensități mari ale câmpurilor au confirmat corectitudinea teoriei cuantice asupra modelului Bohr.
Mecanism
Un câmp electric direcționat de la stânga la dreapta, de exemplu, tinde să atragă nucleele spre dreapta și electronii spre stânga. Într-un alt mod de vizualizare, dacă o stare electronică are un electron disproporționat spre stânga, energia sa este redusă, în timp ce dacă are electronul disproporționat spre dreapta, energia sa este ridicată.
Pentru alte aspecte egale, efectul câmpului electric este mai mare pentru învelișurile de electroni exterioare, deoarece electronul este mai îndepărtat de nucleu, deci se deplasează mai departe spre stânga și spre dreapta.
Efectul Stark poate duce la divizarea nivelurilor de energie degenerate. De exemplu, în modelul Bohr, un electron are aceeași energie, fie că este în starea 2s, fie în oricare dintre stările 2p. Cu toate acestea, într-un câmp electric vor exista orbitale hibride (numite și suprapuneri cuantice) ale stărilor 2s și 2p unde electronul tinde să fie la stânga, obținând o energie mai mică, și alte orbitale hibride unde electronul tinde să fie la dreapta, obșinând o energie mai mare. Prin urmare, nivelele de energie degenerate anterior se vor diviza în nivele de energie ușor mai mici și mai puțin ridicate.
Teoria perturbării
Perturbarea electrică a câmpului aplicată unui atom de hidrogen clasic produce o distorsiune a orbitei electronice într-o direcție perpendiculară pe câmpul aplicat. Acest efect poate fi arătat fără teoria perturbației, utilizând relația dintre impulsul unghiular și vectorul Laplace-Runge-Lenz. Folosind abordarea Laplace-Runge-Lenz, se poate observa distorsiunea transversală și efectul obișnuit Stark. Distorsiunea transversală nu este menționată în majoritatea manualelor. Această abordare poate, de asemenea, să conducă la un model aproximativ hamiltonian solvabil exact pentru un atom într-un câmp oscilator puternic. „Există puține probleme cu rezolvare exactă în mecanica cuantică, și chiar mai puțin cu un hamiltonian dependent de timp”.
Dacă ne referim la mecanica cuantică, un atom sau o moleculă poate fi considerată o colecție de sarcini punctuale (electroni și nuclee), astfel că se aplică a doua definiție a dipolului. Interacțiunea atomului sau a moleculei cu un câmp extern uniform este descrisă de operator
Vint = –F·μ.
Acest operator este folosit ca o perturbație în teoria perturbării de ordinul întâi și al doilea pentru a ține cont de efectul Stark de primul și al doilea ordin.
Efect stark limitat cuantic
Într-o heterostructură semiconductoare, unde un material cu bandă interzisă mică se găsește între două straturi dintr-un material cu bandă interzisă mai mare, efectul Stark poate fi sporit dramatic de excitonii legați. Acest lucru se datorează faptului că electronul și gaura care formează excitonul sunt trași în direcții opuse de câmpul electric aplicat, dar rămân limitate în materialul cu bandă interzisă mică, astfel încât excitonul nu este doar tras în afară de câmp. Efectul Stark limitat cuantic este folosit pe scară largă pentru modulele optice pe bază de semiconductoare, în special pentru comunicațiile cu fibră optică.
Lasă un răspuns