28. Атомы во внешних электрических полях. Поляризуемость атомов и молекул. Эффект Штарка.

Поляризуемость

Поляризуемость атомов, ионов и молекул, способность этих частиц приобретать дипольный момент р в электрическом поле Е. Появление р обусловлено смещением электрических зарядов в атомных системах под действием поляЕ; такой индуцированный момент р исчезает при выключении поля (понятие П. не относят, как правило, к частицам, обладающим постоянным дипольным моментом, например к полярным молекулам).

В относительно слабых полях зависимость р от Е линейная: р =aЕ,

где a имеет размерность объёма и является количественной мерой П. (её также называют П.). Для некоторых молекул значение П. может зависеть от направления Е (анизотропная П.). В сильных электрических полях зависимость р (Е) перестаёт быть линейной.

В формуле (1) E — электрическое поле в месте нахождения частицы — т. н. локальное поле; для изолированной частицы (например, молекулы разреженного газа) оно совпадает с внешним полем Е_внеш; в жидкости или кристалле к Е_внешдобавляются поля Е_внутр, создаваемые окружающими данную частицу другими заряженными частицами.

При включении поля момент р появляется не мгновенно, время установления t момента р зависит от природы частиц и окружающей среды. Статическому полю отвечает статическое значение П. В переменном, например изменяющемся по гармоническому закону, поле П. зависит от его частоты w и времени установления t. При достаточно низких w и коротких t момент р устанавливается синфазно с изменениями поля и П. совпадает со статической П. При очень высоких w или больших t момент р может вообще не возникать (частица "не чувствует" присутствия поля, П. нет). В промежуточных случаях (особенно при w 1/t) наблюдаются явления дисперсии и поглощения.

Различают несколько видов П. Электронная П. обусловлена смещением в поле Е электронных оболочек относительно атомных ядер; ионная П. (в ионных кристаллах) — смещением в противоположных направлениях разноимённых ионов из положения равновесия; атомная П. обусловлена смещением в поле Е атомов разного типа в молекуле (она связана с несимметричным распределением в молекуле электронной плотности). Температурная зависимость этих видов П. слабая: с ростом температуры П. несколько уменьшается.

В физике твёрдых и жидких диэлектриков под П. понимают среднюю П. (поляризацию Р, рассчитанную на 1 частицу и приходящуюся на единицу поля: a = P/EN, где N — число частиц). П. полярных диэлектриков называется ориентационной. Поляризация диэлектриков при скачкообразных переходах его частиц из одного возможного состояния в другое под действием поля Е можно описывать, вводя релаксационную П. Характерной особенностью этих видов П. является их резкая зависимость от температуры.

В литературе по физике диэлектриков иногда называют П. коэффициент пропорциональности c между Р и Е: Р = c Е, т. е. диэлектрическую восприимчивость.

Понятие П. получило большое применение в физике диэлектриков, молекулярной физике и физической химии.

Штарка эффект

- расщепление и сдвиг уровней энергии атомов и молекул под дейстивем электрич. поля. Обнаруживается по расщеплению и сдвигу линий в спектах испускания и поглощения.

Открыт немецким физиком Й. Штарком в 1913 г. при изучении спектра водорода. Кроме водорода Ш.э. подробно изучен в спектрах гелия, щелочных металлов (Li, Na, K и т.д.) и ряда др. элементов

Ш.э. был объяснен на основе квантовой механики. Квантовая система (атом, молекула) в состоянии с определенной энергией приобретает во внеш. электрич. поле E дополнительную энергию (т.к. электрич. поле изменяет состояние входящих в систему заряженных частиц, напр., электронов в атоме). В результате уровень энергии, к-рому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в электрич. поле будет иметь энергию , т.е. он сместится. Для вырожденного уровеня энергии (ему соответствует неск. возможных состояний

Рис. 2. при квадратичном эффекте Штарка .

Рис. 1. Зависимость величины расщепления от напряженности электрического поля E при линейном эффекте Штарка

системы с одинаковой энергией ) различные состояния могут приобрести разные дополнительные энергии 1, 2, ...,g, где g - степень вырождения уровня). В результате вырожденный уровень расщепляется на подуровни с

энергией , число к-рых равно числу различных значений . Так, уровень энергии атома с заданным значением момента количества движения (J=0, 1, 2... - квантовое число) расщепляется в электрич. поле на подуровни, характеризуемые различными значениями др. квантового числа m(различной величиной проекции момента M на направление электрического поля). Однако значениям -m и +m соответствует одинаковая дополнительная энергия , так что все штарковские подуровни (с ) оказываются дважды вырожденными.

Различают линейный Ш.э., когда пропорционально E (рис. 1), и квадратичный Ш.э., когда пропорционально E² (рис. 2). В первом случае картина расщепления уровней энергии и получающихся при переходах между ними спектр. линий симметрична, во втором - несимметрична. Линейный Ш.э. характерен для водорода в не слишком сильных полях (в полях ~ 10⁴ В/см он составляет тысячные доли эВ). Уровень энергии атома водорода с заданным значением главного квантового числа n симметрично расщепляется на 2n-1 равноотстоящих подуровней (рис. 1 соответствует n=3, 2n-1=5). У компонентов спектр. линии, обусловленных переходами между расщепленными в электрич. поле уровнями, наблюдается эффект поляризации. Если электрич. поле ориентировано перпендикулярно к наблюдателю, то часть компонентов поляризована продольно ( -компоненты), остальные - поперечно ( -компоненты). При продольном направлении поля -компоненты не появляются, а на месте -компонентов возникают неполяризованные компоненты. Интенсивности разных компонентов различны. На рис. 3 показано расщепление в результате Ш.э. спектр. линии водорода H .

Кроме водорода линейный Ш.э. наблюдается в водородоподобных атомах (He⁺, Li²⁺, B³⁺ и т.д.) и для сильно возбужденных уровней др. атомомв (в ряде случаев Ш.э. приводит к появлению запрещенных спектральных линий).

В сильных полях, а также в слабых полях для ряда элементов имеет место главным образом квадратичный Ш.э. с асимметричной картиной расщепления. Величина квадратичного эффекта невелика (в полях ~ 10⁵ В/см расщепление достигает десятитысячных долей эВ).

Ш.э. наблюдается не только в постоянных, но и в переменных электрич. полях. Влияние высокочастотного электрич. поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, уширение спектральных линий космич. плазмы. Движение частиц плазмы и связанное с этим изменение расстояний между ними приводят к быстрым изменениям электрич. поля около каждой излучающей частицы. В результате энергетич. уровни атомов (ионов), расщепляясь, смещаются на неодинаковую величину. Для излучения совокупности таких частиц характерно увеличение ширины спектр. линий (т.н. штарковское уширение линий). Ш.э. позволяет оценить концентрацию заряженных частиц в космич. плазме (напр., в атмосферах звезд).