Efeito Stark

Definição

O efeito Stark, em física, é a divisão em dois ou mais componentes das linhas espectrais de átomos em um campo elétrico.

A divisão das linhas espectrais atômicas como resultado de um campo elétrico aplicado externamente foi descoberta por Stark e é chamada de efeito Stark.

O efeito Stark tem sido de benefício marginal na análise dos espectros atômicos, mas tem sido uma importante ferramenta para os espectros de rotação molecular.

Efeito Stark – O que é

O efeito Stark é a mudança e divisão de linhas espectrais de átomos e moléculas devido à presença de um campo elétrico externo.

É o análogo do campo elétrico do efeito Zeeman, onde uma linha espectral é dividida em vários componentes devido à presença do campo magnético.

Embora inicialmente cunhado para o caso estático, também é usado em um contexto mais amplo para descrever o efeito dos campos elétricos dependentes do tempo.

Em particular, o efeito Stark é responsável pelo alargamento da pressão (alargamento Stark) das linhas espectrais por partículas carregadas em plasmas.

Para a maioria das linhas espectrais, o efeito Stark é linear (proporcional ao campo elétrico aplicado) ou quadrático com alta precisão.

O efeito Stark pode ser observado tanto para linhas de emissão quanto para linhas de absorção. Este último é algumas vezes chamado de efeito Stark inverso, mas este termo não é mais usado na literatura moderna.

Efeito Stark – Física

Efeito Stark é a divisão das linhas espectrais observadas quando os átomos, íons ou moléculas radiantes são submetidos a um forte campo elétrico.

O análogo elétrico do efeito Zeeman (ou seja, a divisão magnética de linhas espectrais), foi descoberto por um físico alemão, Johannes Stark (1913).

Os primeiros experimentadores não conseguiram manter um campo elétrico forte em fontes de luz espectroscópicas convencionais devido à alta condutividade elétrica dos gases ou vapores luminosos.

Stark observou o espectro de hidrogênio emitido logo atrás do cátodo perfurado em um tubo de raio positivo.

Com um segundo eletrodo carregado paralelo e próximo a este cátodo, ele foi capaz de produzir um forte campo elétrico em um espaço de alguns milímetros.

Em intensidades de campo elétrico de 100.000 volts por centímetro, Stark observou com um espectroscópio que as linhas espectrais características, chamadas linhas de Balmer, de hidrogênio foram divididas em uma série de componentes simetricamente espaçados, alguns dos quais estavam linearmente polarizados (vibrando em um plano) com o vetor elétrico paralelo às linhas de força, sendo o restante polarizado perpendicularmente à direção do campo, exceto quando visto ao longo do campo.

Este efeito Stark transversal se assemelha em alguns aspectos ao efeito Zeeman transversal, mas, por causa de sua complexidade, o efeito Stark tem relativamente menos valor na análise de espectros complicados ou de estrutura atômica.

Historicamente, a explicação satisfatória do efeito Stark (1916) foi um dos grandes triunfos da mecânica quântica inicial.

História

O efeito tem o nome do físico alemão Johannes Stark, que o descobriu em 1913.

Foi descoberto de forma independente no mesmo ano pelo físico italiano Antonino Lo Surdo e, na Itália, às vezes é chamado de efeito Stark-Lo Surdo.

A descoberta desse efeito contribuiu de maneira importante para o desenvolvimento da teoria quântica e foi premiada com o Prêmio Nobel de Física para Johannes Stark no ano de 1919.

Inspirado pelo efeito Zeeman magnético, e especialmente pela explicação de Lorentz sobre ele, Woldemar Voigt realizou cálculos mecânicos clássicos de elétrons quase elasticamente ligados em um campo elétrico.

Usando índices experimentais de refração, ele deu uma estimativa das divisões Stark. Essa estimativa era algumas ordens de magnitude muito baixa.

Não desanimado por esta previsão, Stark realizou medições nos estados excitados do átomo de hidrogênio e conseguiu observar divisões.

Pelo uso da teoria quântica de Bohr-Sommerfeld (“velha”), Paul Epstein e Karl Schwarzschild foram independentemente capazes de derivar equações para o efeito Stark linear e quadrático no hidrogênio.

Quatro anos depois, Hendrik Kramers derivou fórmulas para intensidades de transições espectrais.

Kramers também incluiu o efeito de estrutura fina, que inclui correções para a energia cinética relativística e o acoplamento entre o spin do elétron e o movimento orbital.

O primeiro tratamento de mecânica quântica (na estrutura da mecânica de matriz de Heisenberg) foi por Wolfgang Pauli. Erwin Schrödinger discutiu longamente o efeito Stark em seu terceiro artigo sobre a teoria quântica (em que ele introduziu sua teoria de perturbação), uma vez na forma do trabalho de 1916 de Epstein (mas generalizado da velha para a nova teoria quântica) e uma vez por sua abordagem de perturbação (de primeira ordem).

Finalmente, Epstein reconsiderou o efeito Stark linear e quadrático do ponto de vista da nova teoria quântica.

Ele derivou equações para as intensidades de linha que foram uma melhoria decidida sobre os resultados de Kramers obtidos pela velha teoria quântica.

Embora os efeitos de perturbação de primeira ordem para o efeito Stark no hidrogênio estejam de acordo com o modelo de Bohr-Sommerfeld e a teoria da mecânica quântica do átomo, os efeitos de ordem superior não estão.

Medições do efeito Stark sob alto campo pontos fortes confirmaram a correção da teoria quântica sobre o modelo de Bohr.

Efeito Stark – Resumo

O efeito Stark é o efeito de um campo elétrico nas linhas do espectro.

O campo elétrico pode ser aplicado externamente; mas em muitos casos é um campo interno causado pela presença de íons ou átomos vizinhos em um gás, líquido ou sólido.

Descoberto em 1913 por J. Stark, o efeito é mais facilmente estudado nos espectros de hidrogênio e hélio, observando a luz do espaço escuro do cátodo de uma descarga elétrica.

Devido à grande queda de potencial nesta região, as linhas são divididas em vários componentes. Para observação perpendicular ao campo, a luz desses componentes é linearmente polarizada.

O efeito linear Stark exibe padrões grandes, quase simétricos. A interpretação do efeito Stark linear foi um dos primeiros sucessos da teoria quântica. Segundo essa teoria, o efeito do campo elétrico na órbita do elétron é dividir cada nível de energia do número quântico principal n em 2n – 1 níveis equidistantes, de separação proporcional à intensidade do campo.

O efeito quadrático Stark ocorre em linhas resultantes dos estados de menor energia de átomos com muitos elétrons.

O efeito quadrático Stark é básico para a explicação da formação de moléculas a partir de átomos, de constantes dielétricas e do alargamento das linhas espectrais.

O efeito intermolecular Stark é produzido pela ação do campo elétrico dos átomos ou íons circundantes no átomo emissor. O efeito intermolecular causa uma mudança e ampliação das linhas do espectro.

Estando as moléculas em movimento, esses campos não são homogêneos no espaço e também no tempo. Portanto, a linha não é dividida em componentes resolvidos, mas apenas alargada.

O efeito Stark confinado por quantum é o efeito Stark observado em estruturas nas quais o sistema hidrogenico está confinado em uma camada de espessura muito menor que seu diâmetro normal. Isso não é prático com átomos, mas o efeito é observado com excitons em heteroestruturas de poços quânticos semicondutores.

É importante que os deslocamentos Stark confinados ao quantum possam ser muito maiores do que a energia de ligação do sistema hidrogenico.

As mudanças resultantes das linhas de absorção ótica de excitons podem ser usadas para fazer moduladores de feixe ótico e dispositivos de comutação ótica de efeito eletro-ótico.

Fonte: farside.ph.utexas.edu/www.dictionary.com/homepage.univie.ac.at/encyclopedia2.thefreedictionary.com/Encyclopaedia Britannica/hyperphysics.phy-astr.gsu.edu