外電場作用下,原子或分子的能級分裂及移位,發射和吸收譜線的分裂及移位的通稱。1913年J.斯塔克在105V/cm 量級的電場中觀察到氫原子的巴耳末線有相當明顯的分裂,首先發現瞭這一效應。

  外電場作用下各分裂能級的移位元隨電場強度線性增加的稱線性斯塔克效應或一級斯塔克效應;隨電場強度二次方增加的稱平方斯塔克效應或二級斯塔克效應,等等。線性斯塔克效應來自自原子或分子的電偶極矩與電場本身的相互作用,二級斯塔克效應來自電場感生的電偶極矩和這電場本身的作用。

  斯塔克效應除由偶極矩引起外,還來自它們的電四極矩與外電場的相互作用。外電場的類型有:均勻或非均勻的靜電場、交變電場、脈沖電場、電磁輻射的電場和附近其他帶電粒子的電場。

  電場不僅可以使原子或分子的能級發生分裂和移位,還可以使能級間的躍遷幾率發生變化,甚至可以使某些禁戒躍遷變為允許躍遷。

  研究斯塔克效應的正確的理論方法是量子力學的微擾論方法。這是因為原子內庫侖場的量級為1011V/m.而實驗室裡,因氣體擊穿的限制,場強隻能達到108V/m,所以與前者相比,後者可看作是一很小的微擾。然而在處理高精度的實驗結果時,則需要做比微擾法更精確的計算。

  外電場強度E引起的微擾能量在偶極近似中為-P·EP是原子或分子的電偶極矩。因為P對坐標空間的反演(即

時)要變號(即 宇稱為負),而非簡並態的幾率密度 | ψ| 2在反演下總保持不變,所以 P的平均值為零,因此非簡並能級沒有一級斯塔克效應。對於氫原子和類氫原子,在可忽略相對論效應的情況下,簡並能級包含宇稱相反的態, P的平均值不為零,所以有一級斯塔克效應。在分子中,由於同樣的原因,隻在分子的轉動軸方向有一平均電偶極矩時,才有一級斯塔克效應。

  氫原子和類氫原子的斯塔克效應 ① 忽略相對論效應的情形:當忽略電子質量對速度的依賴和電子自旋與軌道運動的作用這些相對論效應時,氫原子或類氫原子中有相同主量子數n、不同軌道角動量量子數l的態是簡並的。對於氫原子,用簡並微擾法計算得到的描述能級分裂和移位的公式為

式中a0為玻爾半徑;(n1-n2)取值-(n-1),-(n-2),…,(n-1)。可見n=2的能級分裂為3, n=3的分裂為5。同樣n的各分裂能級以磁量子數的絕對值|ml|=n-n1-n2-1區分。n=2和3的能級的斯塔克分裂和各分裂能級的ml值表示在圖1中。

  圖中的躍遷預言瞭氫原子的Hα=656.279nm線的斯塔克分裂。躍遷遵從選擇定則Δml=0(π 成分)和 Δml=±1(σ 成分)。前一情形中光的電矢量平行於電場,後一情形中它垂直於電場。任何原子的很高激發態類氫能級具有類似的一級斯塔克效應。

  氫原子的二級斯塔克效應的公式為

對於類氫原子,隻要以n/Z代替公式中的n即可。

  ② 計及相對論效應的情形:對於104V/m以下的弱電場,相對論效應所引起的精細結構不能忽略。已知氫原子中n=1的能級沒有精細結構,自n=2開始有精細結構,它們的精細結構的分裂間隔隨1/n3的下降而下降(見氫原子光譜、原子光譜的精細結構)。n=2 能級的精細結構由態S½;和P½;的簡並能級和態P3/2的能級構成。因簡並的態S½;和P½;的宇稱相反,所以這能級有一級斯塔克效應。然而,由於電子與真空的相互作用, P½;和P½;並非完全簡並,這能級有微小的分裂(蘭姆移位,所以在弱電場下能級的分裂具有較復雜的性質。分裂的情況如圖2所示。

  非類氫原子的斯塔克效應 對於非類氫原子,除很高激發態的類氫能級外,沒有一級斯塔克效應。它們的二級斯塔克效應的一般表示式為

式中γ表示某一電子態, JMJ是電子軌道角動量量子數和對應的磁量子數。如果電場足夠強,以至於使電場引起的能量變化比相鄰的

能級的能量差還大得多,則從二級斯塔克效應過渡到一級斯塔克效應。

  分子的斯塔克效應 廣泛用於分析具有永久電偶極矩的分子的微波譜及精確測定這些分子的振動基態和很低激發態的電偶極矩。在光頻區域,自從有瞭相幹光源,斯塔克效應已用於分析分子振動帶和電子躍遷帶以及測定激發態的電偶極矩。電偶極矩的測定值提供分子在其所處的態中的結構和性質的知識。

  不同類型的分子具有不同斯塔克效應特征。線性分子的永久電偶極矩必沿分子軸方向,而它的整體轉動軸垂直於分子軸,因此在轉軸方向沒有永久電偶極矩的分量,結果是,斯塔克能量(-P·E)在轉動一周內的平均值幾乎為零,剩餘的一個小量正比於電場的二次方。如果線性分子中沿分子軸方向有軌道角動量,則它有一級斯塔克效應。不對稱陀螺分子也類似,由於轉動的平均作用,它們也沒有一級斯塔克效應。對於對稱陀螺分子,有的分子在對稱軸方向有永久電偶極矩,它在轉動軸方向的分量一般不為零,這分量不受轉動的影響,因此有一級斯塔克效應。近似於對稱陀螺的不對稱陀螺分子,在電場較高時可以表現出一級斯塔克效應。球形陀螺分子沒有通常的永久電偶極矩和一級斯塔克效應,然而在某些振動激發態可能有由振動感生的很小的永久電偶極矩引起的一級斯塔克效應。

  應用 主要用於研究原子或分子的結構。等離子體譜線的斯塔克增寬和場感生譜線的出現,用於其中電場強度和帶電粒子密度的測定。斯塔克效應可用於光強度調制,光通過斯塔克共振吸收池,強度隨調制電場而變。對於固體和晶體,這個效應可以用來直接研究其中的定域電場和研究雜質的激發態,晶體中激子光譜的斯塔克效應可以檢驗其中能態的對稱性。