Неупругие удары второго рода.

Расщепление уровней энергии атома происходит также во внешнем электрическом поле. Это эффект Штарка (1913). В экспериментах Штарка применялся светящийся пучок каналовых лучей (рис.3.34). Этот пучок через отверстия катода – К разрядной трубки попадал в плоский конденсатор, который состоял из самого катода и вспомогательного анода .

Эффект Штарка наблюдается в любой разрядной трубке в непосредственной близости от катода, где возникает сильный градиент потенциала. Квантовое объяснение особенностей явления Штарка (Эпштейн и Шварцшильд, 1916). Дополнительная энергия атома определяется взаимодействием его среднего дипольного электрического момента с внешним электрическим полем :

. (3.71)

Эффект Штарка существенно зависит от природы дипольного момента атома. Если атом имеет собственный электрический дипольный момент, то дополнительная энергия (3.71) пропорциональна напряженности электрического поля. Это линейный эффект Штарка. Если же атомне обладает собственным дипольным моментом, то во внешнем электрическом поле он приобретает индуцированный дипольный момент, который пропорционален напряженности электрического поля: , где – коэффициент статической поляризуемости атома. Это квадратичный эффект Штарка. Квадратичный эффект проявляется также и для атомов с собственным дипольным моментом. Для большинства атомов эффект Штарка является квадратичным. Исключение составляет атом водорода.

Эффект Штарка для атома водорода в случаесильного электрического поля - штарковское расщепление уровня энергии велико по сравнению с его тонкой структурой. Спин электрона не учитывается. Состояния атома водорода вырождены по орбитальному квантовому числу с кратностью вырождения . Существуют состояния, в которых при отсутствии внешнего электрического поля атом водорода имеет собственный дипольный момент. В этом случае распределение зарядов в атоме водорода несимметрично относительно плоскости z = 0, где ось z –выделенное направление внешнего электрического поля. Водородоподобный атом приобретает дополнительную энергию (3.71). Уравнение Шредингера: .

Из решения уравнения Шредингера следует: во внешнем постоянном электрическом поле вырождение уровней энергии атома водорода частично снимается, и уровень энергии с главным квантовым числом n расщепляется на 2 n – 1 подуровней. Основной уровень не расщепляется. Первый возбужденный уровень расщепляется на три подуровня (рис.3.35) и т.д. При комбинации 2 n –1 компонентов данного терма с 2 n’ –1 компонентами какого-нибудь другого терма возникают (2 n –1)(2 n’ –1) линий. Например, головная линия лаймановской серии расщепляется на три компоненты.Линии имеют разную поляризацию: при наблюдении поперек поля линии () поляризованы по полю ( –компоненты), при линии поляризованы перпендикулярно полю ( –компоненты).

Во внешнем электрическом поле происходит не только расщепление уровней энергии, но и изменение времени жизни атомных состояний. В достаточно сильном электрическом поле может произойти ионизация атома. Эффект Штарка и ионизация атома происходит также во внешнем переменном электромагнитном поле, в частности, в поле лазерного излучения. В монохроматическом поле с частотой необходимо рассматривать единую систему «атом + поле». Энергия ионизации «одетого атома» выше, чем потенциал ионизации невозмущенного атома. Волновая функция такой системы есть суперпозиция стационарных состояний с энергиями , где – энергия атома в некотором стационарном состоянии, к – целое число, принимающее значения от - до + . Существенную роль при этом играет соотношение между частотой поля и частотой перехода в атоме. По этому признаку внешнее поле может быть «низкочастотным» или «высокочастотным». Разделяют также «слабые» и «сильные» поля.

Вероятность ионизации атома возрастает с увеличением напряженности внешнего электрического поля, пока , и уменьшается – при , т.е. максимум вероятности фотоионизации соответствует . В сверхатомном поле возникает эффект стабилизации атома по отношению к процессу ионизации

Возбуждение атомов осуществляется многими методами. В частности: возбуждение электронным ударом – при бомбардировке атомов газа направленным пучком электронов, при электрон–атомных столкновениях в газовом разряде; оптическое возбуждение, или оптическая накачка -при воздействии на атом резонансного электромагнитного излучения; термическое возбуждение –при нагревании газа и повышении энергии теплового движения сталкивающихся атомов

Нижние возбужденные состояния атомов условно делятся на резонансно–возбужденные и метастабильные состояния. Эти состояния резко отличаются друг от друга по излучательному времени жизни атома

Резонансно-возбужденные атомы освобождаются от избытка энергии как при столкновениях с другими частицами, так и при высвечивании фотонов. Атомы становятся источниками излучения в соответствующем спектральном интервале. На таком принципе работают некоторые газоразрядные источники излучения, например, ртутные лампы.

Когда спонтанное испускание фотона (однофотонный распад) запрещается правилами отбора, то оказывается возможным двухфотонный спонтанный распад. Обычно вероятность двухфотонного распада много меньше вероятности однофотонногораспада.

Существует также процесс многофотонной ионизации атома. В эксперименте наблюдалась ионизация атома гелия в результате поглощения 21 фотона излучения лазера.

Высоковозбужденные состояния атома - ридберговские состояния: один из электронов внешней оболочки атома имеет большие значения главного квантового числа. Поэтому он слабо связан с остальными электронами и ядром атома. В этом смысле высоковозбужденный (ридберговский) атом аналогичен атомам щелочных металлов. По аналогии с моделью валентного электрона можно считать, что энергия связи электрона (потенциал ионизации) в ридберговском атоме равна , где – потенциал ионизации атома водорода, – квантовый дефект, зависящий от орбитального квантового числа . Параметр характеризует смещение уровня энергии из-за короткодействующего взаимодействия валентного электрона с атомным остатком. При больших значениях главного квантового числа частота перехода на соседний уровень становится равной классической частоте обращения электрона. Для ридберговских атомов атомное электрическое поле зависит от главного квантового числа по закону . При больших n такие поля легко реализуются

Неупругие столкновения электронов с атомами приводят к потере энергии электронами и возбуждению атомов. Это неупругие удары первого рода. Существует обратный процесс - неупругий удар второго рода: возбужденный атом сталкивается с медленно движущимся электроном. В результате удара второго рода атом без излучения переходит в основное состояние, а его избыточная энергия передается электрону, который приобретает дополнительную кинетическую энергию. Наиболее вероятными удары второго рода являются в случае возбужденных атомов, находящихся в метастабильном состоянии.

Удары второго рода происходят также между возбужденным и невозбужденным атомами. Переход энергии возбужденного атома в кинетическую энергию сталкивающихся атомов маловероятный процесс. Наиболее вероятен следующий механизм освобождения энергии возбужденного атома: допустим, что сталкиваются два атома разной природы – А и В. Пусть их возбужденные уровни имеют не сильно различающиеся значения энергии: и при (рис.3.37). Если атом А возбужден, а атом В находится в основном состоянии, то при их столкновении атом А без излучения переходит в основное состояние. Его энергия возбуждения передается атому В, который переходит в возбужденное состояние и затем спонтанно возвращается в основное состояние. При таком переходе испускается фотон с энергией . Это явление сенсибилизированной флуоресценции (Карио, Франк, 1922). Избыток энергии переходит в кинетическую энергию сталкивающихся атомов. Это проявляется в уширении линии излучения вследствие эффекта Доплера. Если возбуждение атома А получено с помощью облучения светом частоты , то в результате ударов второго рода в смеси газов возникает свечение с частотой : происходит преобразование коротковолнового излучения в длинноволновое. Этот процесс тем более эффективен, чем меньше разность между уровнями энергии атомов А и В.