הצגת המקור של הדף "אפקט שטארק"

[[קובץ:hfspec1.svg|350px|ממוזער|רמות האנרגיה של אטום רידברג באטום מימן בקרב שדה חשמלי בסביבות הרמה n=15, בעבור המספר הקוונטי השלישי m=0. כל רמה n מנוונת n-1 פעמים, אך השדה החשמלי שובר את הניוון. שימו לב כי רמות האנרגיה יכולות "לחצות" אחת את השנייה בעקבות הסימטריות של התנועה.{{הערה|שם=Courtney1995|{{cite journal |last=Courtney |first=Michael |author2=Neal Spellmeyer |author3=Hong Jiao |author4=Daniel Kleppner   |title=Classical, semiclassical, and quantum dynamics of lithium in an electric field |journal=Physical Review A |year=1995 |volume=51 |issue=5 |pages=3604–3620 |doi=10.1103/PhysRevA.51.3604|bibcode = 1995PhRvA..51.3604C |pmid=9912027}}}}]]
ב[[מכניקת הקוונטים]], '''אפקט שטארק''' הוא הגורם להסחה ולפיצול של [[הרחבות ספקטרליות|קווים ספקטרליים]] של [[אטום|אטומים]] ו[[מולקולה|מולקולות]] בעקבות הנוכחות של [[שדה חשמלי]]. כמות ההסחה נקראת ''הסחת שטארק''. ניתן לחלק אפקט זה לאפקט מסדר ראשון (העולה ליניארית עם השדה החשמלי) ולאפקט מסדר שני (העולה ריבועית עם השדה החשמלי).

אפקט שטארק הוא המקבילה החשמלית ל[[אפקט זימן]], בו הקווים הספקטרליים מתפצלים בעקבות נוכחות של [[שדה מגנטי]].

ניתן להסביר את אפקט שטארק במלואו באמצעות מכניקת הקוונטים, אבל הוא היווה קרקע פורייה לבדיקת שיטות סמי-קלאסיות.

==היסטוריה==
האפקט קרוי על שמו של [[יוהנס שטארק]], שגילה אותו בשנת 1913. הוא נתגלה באופן בלתי תלוי באותה שנה על ידי הפיזיקאי האיטלקי אנטוניו לו סורדו, ובאיטליה הוא נקרא לעיתים '''אפקט שטארק-לו סורדו'''. גילוי האפקט תרם תרומה חשובה לפיתוח של תורת הקוונטים. זמן מה אחרי גילויים את האפקט המדובר, גם שטארק וגם לו סורדו דחו את הפיתוחים של הפיזיקה המודרנית והצטרפו לתוכניות הפוליטיות הגזעניות של היטלר ומוסוליני{{הערה|{{cite journal |last1=Leone |first1=M. |last2=Paoletti |first2=A. |last3=Robotti | first3=N. |year=2004 |title=A Simultaneous Discovery: The Case of Johannes Stark and Antonino Lo Surdo |journal=Physics in Perspective |volume=6 |issue=3 |pages=271–294 |publisher=Springer |doi=10.1007/s00016-003-0170-2 |bibcode = 2004PhP.....6..271L}}}}.

ולדימיר וויג, ששאב השראה מ[[אפקט זימן]] המגנטי, ובמיוחד מההסבר שלורנץ נתן לו, ביצע חישובים קלאסיים של הגבול הקוואזי-אלסטי של אלקטרונים בשדה חשמלי. על ידי שימוש באמצעים ניסיוניים, הוא נתן הערכה להסחת שטארק. הסחה זו הייתה נמוכה במספר סדרי גודל, אך שטארק, שלא נרתע מכך{{הערה|J. Stark, ''Beobachtungen über den Effekt des elektrischen Feldes auf Spektrallinien I. Quereffekt'' (Observations of the effect of the electric field on spectral lines I. Transverse effect), Annalen der Physik,  vol. '''43''', pp. 965-983 (1914). Published earlier (1913) in Sitzungsberichten der Kgl. Preuss. Akad. d. Wiss.}}, ביצע מספר מדידות על מצבים מעוררים של אטום המימן והצליח למדוד את ההסחות אותן צפה.

[[קרל שוורצשילד]]{{הערה|K. Schwarzschild, Sitzungsberichten der Kgl. Preuss. Akad. d. Wiss. April 1916, p. 548}} ו[[פול אפשטיין]]{{הערה|P. S. Epstein, ''Zur Theorie des Starkeffektes'', Annalen der Physik, vol. '''50''', pp. 489-520 (1916)}}, על ידי שימוש במכניקת הקוונטים ה"ישנה" של בוהר וזומרפלד, הצליחו באופן בלתי תלוי להגיע למשוואות לאפקט שטארק הליניארי והריבועי במימן. ארבע שנים מאוחר יותר, [[הנס קרמרס]]{{הערה|H. A. Kramers, Roy. Danish Academy, ''Intensities of Spectral Lines. On the Application of the Quantum Theory to the Problem of Relative Intensities of the Components of the Fine Structure and of the Stark Effect of the Lines of the Hydrogen Spectrum'', p. 287 (1919);''Über den Einfluß eines elektrischen Feldes auf die Feinstruktur der Wasserstofflinien'' (On the influence of an electric field on the fine structure of hydrogen lines), Zeitschrift für Physik, vol. '''3''', pp. 199-223  (1920)}}  הגיע לנוסחאות לעוצמות ההסחות הספקטרליות. קרמרס גם כלל את האפקט של [[המבנה הדק]], שהוסיף תיקונים יחסותיים לאנרגיה הקינטית וצימוד בין ספין האלקטרון והתנע הזוויתי האורביטלי שלו. הטיפול הקוונטי הראשון נעשה על ידי וולפגנג פאולי{{הערה|W. Pauli, ''Über dass Wasserstoffspektrum vom Standpunkt der neuen Quantenmechanik'' (On the hydrogen spectrum from the point of view of the new quantum mechanics). Zeitschrift für Physik, vol. '''36''' p. 336 (1926)}}. [[ארווין שרדינגר]] דן באריכות באפקט שטארק במאמרו השלישי{{הערה|E. Schrödinger, ''Quantisierung als Eigenwertproblem'', Annalen der Physik, vol. '''385''' Issue 13, 437-490 (1926)}} על מכניקת הקוונטים (בו הוא הציג את תורת ההפרעות), פעם אחת בעבודתו של אפשטיין בשנת 1916 (תוך כדי הכללתו ממכניקת הקוונטים ה"ישנה" למכניקת הקוונטים ה"חדשה"), ופעם אחת על ידי קירוב סדר ראשון בתורת ההפרעות. לבסוף, אפשטיין{{הערה|P. S. Epstein, ''The Stark Effect from the Point of View of Schroedinger's Quantum Theory'', Physical Review, vol '''28''', pp. 695-710 (1926)}} בחן את אפקט שטארק הליניארי והריבועי מנקודת מבט של מכניקת הקוונטים החדשה. הוא הגיע למשוואות לעוצמות הקווים הספקטרליים שהיוו שיפור ניכר לתוצאותיו של קרמרס שהושגו באמצעות מכניקת הקוונטים הישנה.

בעוד שקירוב סדר ראשון של אפקט שטארק באטום המימן מסכים עם מודל בוהר-זומרפלד ומכניקת הקוונטים של האטום, סדרים גבוהים יותר לא. מדידות של אפקט שטארק תחת שדות חזקים מאשרים את נכונות מכניקת הקוונטים על פני מודל בוהר.

==אופן הפעולה==
כששדה חשמלי פועל, לדוגמה, משמאל לימין, הוא נוטה למשוך גרעינים לימין ואלקטרונים לשמאל. ניתן גם לחשוב על זה כך: אם בעבור מצב אלקטרוני מסוים האלקטרון נמצא באופן לא פרופורציוני לשמאל, האנרגיה שלו יורדת, בעוד שאם הוא נמצא באופן לא פרופורציוני לימין, האנרגיה שלו עולה. על כן, האפקט משמעותי יותר בעבור אלקטרונים הנמצאים ב[[קליפת אלקטרונים|קליפה]] חיצונית יותר, היות שהם יותר רחוקים מהגרעין, ועל כן יוכלו להתרחק יותר לשמאל.

אפקט שטארק יכול לבטל [[ניוון (פיזיקה)|ניוון]] ברמות האנרגיה. לדוגמה, ב[[מודל בוהר]], לאלקטרון יש את אותה [[רמת אנרגיה]] אם הוא במצב 2s או במצב 2p. לעומת זאת, תחת השפעת שדה חשמלי, יהיו [[הכלאת אורביטלים אטומיים|אורביטלים היברידיים]] (הנקראים גם [[סופרפוזיציה קוונטית]]) של המצבים 2s ו-2p, כאשר האלקטרון ייטה יותר לשמאל, מה שייתן אנרגיה נמוכה יותר, ואורביטליים היברידיים שבהם האלקטרון ייטה יותר לימין, מה שייתן אנרגיה גבוהה יותר. על כן, המצבים המנוונים יתפצלו לרמות אנרגיה גבוהות ונמוכות יותר.

===אלקטרוסטטיקה קלאסית===
אפקט שטארק נובע מהאינטראקציה שבין התפלגות מטען (אטום או מולקולה) ושדה חשמלי חיצוני. לפני הפעלת כלים של מכניקת הקוונטים, ניתן לתאר את האינטראקציה בצורה קלאסית ולהתחשב בהתפלגות מטען רציפה <math>\rho (r)</math>. אם המטען אינו פולריזבילי, אנרגיית האינטראקציה עם הפוטנציאל האלקטרוסטטי <math>V (r)</math> היא:

<math> E_{\mathrm{int}} = \int \rho(\mathbf{r}) V(\mathbf{r}) d\mathbf{r}^3</math>

אם השדה החשמלי מגיע ממקור מקרוסקופי והתפלגות המטען היא מיקרוסקופית, ניתן להניח שהשדה החשמלי אחיד על כל התפלגות המטען. כלומר, ניתן לפתח את הפוטנציאל החשמלי ל[[טור טיילור]]:

<math>
V(\mathbf{r}) = V(\mathbf{0}) - \sum_{i=1}^3 r_i F_i </math>

כאשר מתקיים: <math>F_i \equiv  -\left. \left(\frac{\partial V}{\partial r_i} \right)\right|_{\mathbf{0}}</math>

כאשר נקודת האפס היא נקודה כלשהי בתוך התפלגות המטען. נקבע את <math>V (0)</math> כאנרגיית האפס, ועל כן האינטראקציה תהפוך להיות:

<math>E_{\mathrm{int}} = - \sum_{i=1}^3 F_i  \int \rho(\mathbf{r}) r_i d\mathbf{r} \equiv
- \sum_{i=1}^3 F_i  \mu_i = - \mathbf{F}\cdot \boldsymbol{\mu}</math>

כאשר הצגנו את [[דיפול|מומנט הדיפול]] <math>\mu</math> כאינטגרל על פני התפלגות המטען. במקרה שהתפלגות המטען מורכבת מ-N מטענים נקודתיים במטען <math>q_j</math>, הגדרה זו לדיפול הופכת לסכום:

<math>\boldsymbol{\mu} \equiv \sum_{j=1}^N  q_j \mathbf{r}_j</math>

===תורת הפרעות===
במעבר למכניקת הקוונטים, ניתן להסתכל על אטום או על מולקולה כעל אוסף של מטענים נקודתיים (אלקטרונים וגרעינים), כך שההגדרה השנייה לדיפול עובדת. האינטראקציה בין אטום או מולקולה לשדה חיצוני אחיד מתוארת על ידי האופרטור:

<math>V_{int} = - F \cdot \mu</math>

האופרטור הזה שימושי בהפרעות מסדר ראשון ושני בתורת ההפרעות, שעוזרים לנו לחשב את ההפרעות בסדר ראשון ושני של אפקט שטארק.

==קישורים חיצוניים==
* {{בריטניקה}}

==הערות שוליים==
{{הערות שוליים|יישור=שמאל}}


[[קטגוריה:מכניקת הקוונטים]]