موضوع مقاله: اثر اشتارک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # اثر اشتارک | مقدمه: به انتقال و شکافته شدن خطوط طیفی اتم‌ها و مولکول‌ها به دلیل حضور یک میدان الکتریکی خارجی ثابت، اثراشتارک گفته می‌شود. | ## بخش 1: اثر اشتارک | در میدان الکتریکی اعمال شده، اثر مرتبه اول خطی است در حالی که اثر مرتبه دوم نمایی است. وقتی خطهای انتقال یافته یا شکافته شده در جذب ظاهر می‌شود، اثر اشتارک معکوس نامیده می‌شود. اثر اشتارک مشابه الکتریکی اثر زیمان است که به دلیل حضور میدان مغناطیس، خطوط طیفی به چندین جزء شکافته می‌شود. در همان سال توسط فیزیکدان دیگری به نام آنتونینو لو سوردو که ایتالیایی بود، به‌طور مستقل کشف شد. بعد از کشف این اثر توسط دو فیزیکدان نام برده، هیچکدام توسعه فیزیک مدرن را نپذیرفتند و به برنامه‌های سیاسی و نژادی هیتلر و موسولینی پیوستند.M. بعدها ولدمر فویگت با الهام گرفتن از اثر زیمان، به خصوص توضیحات لورنتس دربارهٔ این اثر، محاسبات به روش مکانیک کلاسیک برای جهش کشسان الکترون‌های میدان الکتریکی را انجام داد. بدون در نظر گرفتن این پیشگویی، اشتارک عهده‌دار اندازه‌گیری‌هایی روی حالت‌های بر انگیخته اتم هیدروژن شد و سر انجام موفق شد شکافت‌ها را مشاهده کند. پائول اپشتین و کارل شوارتزشیلد با استفاده از نظریه بور زومرفلد توانستند به‌طور مستقل معادله‌های خطی و نمایی اثر اشتارک را در اتم هیدروژن بدست بیاورند. کرامر همچنین اثر ساختار ریز را که شامل تصحیح انرژی جنبشی و جفت شدگی بین الکترون و اوربیت است را محاسبه کرد.H. 199-223 (1920) اولین عملیات مکانیک کوانتوم (در چارچوب مکانیک ماتریسی هایزنبرگ) توسط ولفگانگ پائولی بود.W. 336 (1926) اروین شرودینگر در سومین مقاله خود در نظریه کوانتوم (که در آن نظریهٔ اختلال خود را معرفی کرد) در مورد اثر اشتارک هم به روش Epstein در سال ۱۹۱۶ و هم به روش اختلال مرتبه اول خودش به‌طور مفصل بحث کرد. او معادله شدت خط را نوشت که این اثر توسعه نتایج بدست آمده از نظریه کوانتوم قدیم توسط کرامر بود. نتایج اختلال مرتبه اول برای اثر اشتارک در هیدروژن با مدل بور-سامرفیلد و نظریه کوانتوم اتم‌ها سازگار است در حالی که نتایج مرتبه‌های بالاتر سازگار نیستند. به این ترتیب اندازه‌گیری‌های اثر اشتارک تحت شدت میدان‌های بالا، صحت نظریه کوانتوم دربارهٔ مدل بور را تأیید کرد. | ## بخش 2: اثر اشتارک | سازوکار چکیده یک میدان الکتریکی، به عنوان مثال از چپ به راست، تمایل دارد هسته را به سمت راست و الکترون را به سمت چپ هدایت کند. از نظر دیگر، در یک حالت الکتریکی که در آن ناخالصی بار الکتریکی به سمت چپ متمایل است، انرژی اش کاهش یافته‌است. در حالی که، در حالتی که در آن ناخالصی بار الکتریکی به سمت راست متمایل است، انرژی اش افزایش یافته‌است. زیرا الکترون‌ها دور تر از هسته‌اند بنابراین بیشتر به سمت راست و چپ حرکت می‌کنند. برای مثال در مدل بور یک الکترون هم در حالت 2s و هم در حالت 2p یک مقدار انرژی داشته باشد. اگرچه در یک میدان الکتریکی اوربیتال‌های هیبریدی ( انطباق کوانتومی هم گفته می‌شود ) حالت‌های 2s و 2p وجود خواهد داشت که در آن الکترون تمایل به سمت چپ دارد که در این صورت انرژی اش کمتر خواهد بود. الکترواستاتیک کلاسیکی اثر اشتارک از برهمکنش توزیع بار ( اتم یا مولکول ) و یک میدان الکتریکی خارجی ناشی می‌شود. قبل از رو کردن به مکانیک کوانتومی، ما این برهمکنش را به صورت کلاسیکی توصیف خواهیم کرد و یک توزیع بار متوالی فرض می‌کنیم. اگر این توزیع بار قطبش ناپذیر باشد، انرژی برهمکنش آن با پتانسیل الکتروستاتیکی خارجی V(r)خواهد بود: . یعنی V دوجمله از بسط تیلور می‌باشد: میدان الکتریکی: در اینجا ما مبدأ 0 را درون ρ گرفتیم. در صورتی که ρ متشکل از N بار نقطه ای qj باشد،انتگرال به صورت جمع خواهد بود: نظریۀ اختلال حال به مکانیک کوانتوم برمی گردیم. یک اتم یا مولکول را به عنوان مجموعه‌ای از بارهای نقطه‌ای می‌بینیم(الکترون و هسته)، در نتیجه تعریف دوم دوقطبی بکار می‌رود. برهمکنش اتم‌ها یا مولکول‌ها با یک میدان خارجی یکنواخت به صورت زیر تعریف می‌شود: این عملگر به عنوان اختلال در نظریه ی اختلال برای محاسبه اثر اشتارک در مرتبهٔ اول و مرتبه دوم استفاده می‌شود. مرتبه ی اول فرض می‌کنیم تابع حالت‌های مرتب صفرم اتم‌ها یا مولکول‌های مختل شده در تبهگنی gتایی به صورت باشد.(ناواگنی (غیر تبهگنی) حالت خاص g=1 است.) بر اساس نظریهٔ اختلال، انرژی‌های مرتبهٔ اول، ویژه مقادیر ماتریس g x g می‌باشند. | ## بخش 3: اثر اشتارک | چون تکانه دو قطبی، بردار است، عناصر قطری ماتریس اختلال Vint، برای یک سیستم با یک مرکز وارونگی (مثل اتم ها) صفر است. برای بدست آوردن یک ماتریس غیر صفر Vint، برای سیستم‌هایی با مرکز وارونگی، ضروری است که بعضی از توابع مختل نشده پاریتهٔ معکوس داشته باشند. حالت‌های مرتبه صفرم تبهگن پاریتهٔ مثبت، برای اتم‌های هیدروژن گونهٔ ( تک الکترونی) برانگیخته اتفاق می افتد. حالت بر انگیخته اتم‌های هیدروژن گونه با عدد کوانتومی اصلی n، تبهگنی n2 تایی است و در این حالت داریم: که در آن عدد کوانتومی تکانه زاویه‌ای مداری است. برای مثال حالت براگیخته n=4، حالت‌های زیر را در بر دارد: حالت‌های تک الکترونی با های زوج، تحت پاریته زوج هستند. اثر اشتارک مرتبهٔ اول، درگذار دورانی مولکول‌های متقارن اتفاق می افتد( نه برای مولکول‌های نا متقارن و خطی). یک دوران گر صلب متقارن، ویژه حالت‌های مختل نشده دارد: با انرژی تبهگنی 2(2J+1)تایی برای |K|> 0 و انرژی تبهگنی (2J+1)تایی برای K=0. ماتریس اختلال مرتبهٔ اول بر اساس تابع دورانگر صلب مختل نشده که غیر صفر است و می‌توان آن را قطری کرد، این انتقال‌ها و شکافت‌ها را در طیف چرخشی به دست می‌دهد. با تحلیل کمی این انتقال اشتارک می‌توان تکتنهٔ دوقطبی الکتریکی ثابت مولکول متقارن را نتیجه گرفت. مرتبه ی دوم همانطور که گفته شد، اثر اشتارک مرتبه دوم با نظریهٔ اختلال مرتبهٔ دوم توصیف می‌شود. چنین معمول است که حالت‌های مرتبهٔ صفرم مختل نشده، ناواگن فرض می‌شود و اگر حالت پایه را به عنوان حالت ناواگن ( برای اتم‌های هیدروِژن گونهn = 1) در نظر بگیریم، طبق نظریهٔ اختلال داریم: مؤلفه‌های تانسور قطبش پذیری α چنین تعریف می‌شود: انرژی E(2)، اثر اشتارک نمایی را بدست می‌دهد. اثر اشتارک کوانتومی در یک آلیاژ نیمه رسانا، در جایی از آن که یک نوار ممنوعه کوچک ( گاف انرژی ) بین دولایهٔ ماده قرار می‌گیرد، ملاحظه می‌شود که اثر اشتارک به‌طور چشمگیری زیاد می‌شود. علت این امر این است که الکترون و حفره نیمه رسانا، توسط میدان در جهت مخالف وادار به حرکت می‌شوند ولی همچنان در آن نوار ممنوعه باقی میمانند. | ## جمع‌بندی | اثر اشتارک کوانتومی به‌طور گسترده در مدولاتور(تلفیق‌کننده)های اپتیکی و ارتباطات فیبر اپتیکی استفاده می‌شود.