اقرأ في هذا المقال
ظاهرة ستارك الخطية هي التحول الذي يعمل على تقليل الانحطاط للخطوط الطيفية في الأنواع الذرية أو الجزيئية تحت تأثير مجال كهربائي مطبق خارجيًا، ويعتبر أحيانًا التناظرية الكهربائية لتقليل الانحطاط في الأنواع الذرية والجزيئية بسبب المجال المغناطيسي الذي يتم تطبيقه خارجيًا؛ إن التنبؤات الميكانيكية الكمية لهذا التأثير دقيقة للغاية، وهي حقيقة قدمت أدلة مبكرة مقنعة لميكانيكا الكم.
ظاهرة ستارك في فيزياء الكم
ظاهرة ستارك الخطية هي عملية تقسيم، حيث يتم رؤية الخطوط الطيفية عندما تتعرض الذرات أو الأيونات أو الجزيئات المنبعثة لقوة المجال الكهربائي في التناظرية الكهربائية من تأثير زيمان، (أي التقسيم المغناطيسي للخطوط الطيفية)، الذي اكتشفه فيزيائي ألماني، يوهانس ستارك (1913).
بالتقريب الخطي، لذرة أيون شبيه بالهيدروجين، أخذ اتجاه المجال الكهربائي الخارجي، والذي يكون دائمًا منتظمًا دائمًا على المقياس الذري، حيث يمكن تمثيل الاضطراب بواسطة هاميلتونيان، حيث تعتمد مستويات الطاقة لذرة أيون شبيه بالهيدروجين فقط على رقم الكم الأساسي.
أنواع ظاهرة ستارك في فيزياء الكم
- التأثير الخطي الصارخ:يعتمد التأثير الخطي الصارخ خطيًا على المجال الكهربائي المطبق.
- النسخة التربيعية للتأثير الصارخ: يكون التأثير الصارخ التربيعي أصغر في قيمة الانقسام ويختلف كمربع المجال الكهربائي المطبق.
ظاهرة ستارك المحصور بالكم
في البنية غير المتجانسة لأشباه الموصلات، حيث تكون مادة فجوة نطاق صغيرة محصورة بين طبقتين من مادة فجوة نطاق أكبر، ويمكن تحسين تأثير ستارك بشكل كبير عن طريق الإكسيتونات المرتبطة، هذا لأن الإلكترون والثقب اللذين يشكلان الإكسيتون يتم سحبهما في اتجاهين متعاكسين بواسطة المجال الكهربائي المطبق، لكنهما يظلان محصورين في مادة فجوة النطاق الأصغر، وبالتالي فإن الإكسيتون لا ينفصل فقط عن طريق المجال.
إلى جانب ذلك فقد يستخدم تأثير ستارك المحصور الكمي على نطاق واسع للمعدِّلات الضوئية القائمة على أشباه الموصلات، لا سيما في اتصالات الألياف الضوئية.
النظرية المرتبطة في ظاهرة ستارك الخطية
إن أفضل طريقة للتعامل مع تأثير ستارك نظريًا هي نظرية الاضطراب، حيث أن الفكرة هي أن هاملتونيان للذرة أو الجزيء يصف الطاقات والوظائف الموجية في غياب مجال كهربائي مطبق ونفترض ببساطة أن التغيير في هاميلتوني، وعندما نطبق مجالًا كهربائيًا خارجيًا، يمكن التعبير عنه على أنه أصغر “اضطراب” في هاميلتونيان الرئيسي.
ظاهرة ستارك الخطية في الأطياف الذرية
اكتشف ستارك انقسام الخطوط الطيفية الذرية نتيجة مجال كهربائي مطبق خارجيًا، ويسمى تأثير ستارك، فكما يظهر انقسام خط من طيف الهيليوم، فإن الانقسام ليس متماثلًا مثل تأثير زيمان.
يتطلب تقسيم مستويات الطاقة بواسطة مجال كهربائي؛ أولاً أن يستقطب الحقل الذرة ثم يتفاعل مع العزم الكهربائي ثنائي القطب الناتج، حيث تعتمد العزم ثنائي القطب على حجم M j، ولكن ليس علامته، بحيث تظهر مستويات الطاقة انقسامًا متناسبًا مع الأرقام الكمومية J + 1 أو J + 1/2، من أجل عدد صحيح ودوران نصف صحيح على التوالي. كان تأثير ستارك ذا فائدة هامشية في تحليل الأطياف الذرية، لكنه كان أداة رئيسية لأطياف الدوران الجزيئي.
الفرق بين تأثير زيمان وتأثير ستارك
- تأثير زيمان وتأثير ستارك هما مفهومان في الكيمياء اكتشفهما العلماء في أواخر القرن العشرين، حيث يمكن ملاحظة تأثير زيمان والتأثير الصارخ فيما يتعلق بالأطياف الذرية للذرة.
- يمكن أن تكون الأطياف الذرية إما أطياف الامتصاص أو أطياف الانبعاث.
- عندما يتم إعطاء الطاقة للذرات، تصبح الذرات متحمسة وتتحرك الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى عن طريق امتصاص هذه الطاقة، حيث يعطي هذا الامتصاص أطياف الامتصاص.
- ومع ذلك، نظرًا لأن مستوى الطاقة الأعلى غير مستقر، فإن هذه الإلكترونات تعود إلى مستوى طاقة الأرض، وتطلق الطاقة الممتصة كإشعاع، ينتج عن هذا أطياف الانبعاث.
- إن الفرق الرئيسي بين تأثير زيمان وتأثير ستارك هو أنه لوحظ تأثير زيمان في وجود مجال مغناطيسي خارجي بينما لوحظ تأثير ستارك في وجود مجال كهربائي خارجي.
وفي نهاية ذلك فإنه يتم تقسيم الخطوط الطيفية المفردة لطيف انبعاث أو امتصاص مادة ما إلى عدة مكونات عند وضع المادة في مجال كهربائي، حيث يحدث التأثير عندما يكون للعديد من مدارات الإلكترون في نفس الغلاف، والتي عادة ما يكون لها نفس مستوى الطاقة في طاقات مختلفة بسبب توجهاتها المختلفة في المجال الكهربائي.
