Effetto Stark: atomo di idrogeno

L’effetto Stark è lo spostamento dei livelli di energia atomica causato da un campo elettrico esterno. Ciò causa la separazione delle linee spettrali di atomi e molecole.
È analogo all’effetto Zeeman che consiste nella separazione delle linee spettrali a causa di un campo magnetico esterno.

È detto del primo o del secondo ordine a seconda che l’entità del fenomeno vari linearmente oppure in modo quadratico al variare del campo elettrico applicato.
Il fisico tedesco Johannes Stark nel 1913 osservò per la prima volta per l’atomo di idrogeno e può essere osservato sia per le righe di emissione che per quelle di assorbimento.

Indipendentemente da Stark il fisico italiano Antonino Lo Surdo scoprì lo stesso effetto lo stesso anno e pertanto è spesso denominato effetto Stark-Lo Surdo. Per questa scoperta Stark vinse il Premio Nobel per la Fisica nel 1919.

Atomo di idrogeno e effetto Stark

Per comprendere il fenomeno si applica la teoria delle perturbazioni che comprende metodi per trovare una soluzione approssimativa di un problema, partendo dalla soluzione esatta di un problema correlato e più semplice e aggiungere all’operatore hamiltoniano un termine perturbativo, che rappresenti un disturbo del sistema.

L’effetto può essere osservato come un possibile spostamento del livello di energia, quando si applica un campo elettrico esterno all’atomo di idrogeno.
L’atomo di idrogeno ha un momento di dipolo elettrico dovuto alla carica positiva del protone e alla carica negativa dell’elettrone.  Sono scelti atomi come quello di idrogeno o di metalli alcalini perché sono atomi a singolo elettrone

Esse sono separate da una distanza che è dell’ordine del raggio di Bohr.

Quando è applicato un campo elettrico esterno a un atomo di idrogeno, la perturbazione hamiltoniana è data dal prodotto scalare tra il momento di dipolo elettrico e campo elettrico

effetto stark
effetto stark

In assenza di campo elettrico il livello di energia dipende dal numero quantico principale n:
n = – n/R2 dove R = 13.605693122994 eV

Lo stato fondamentale con  n = 1 ( l= 0 e m =0) è non degenere.

Il primo stato eccitato con n = 2 (l=1 e m=1,0,-1) presenta 22 = 4 gradi di degenerazione

Il secondo stato eccitato con n = 3 (l= 2, m = 2,1,0,-1,-2 e l = 1, m= 1,0,-1). Esso presenta 32= 9 gradi di degenerazione

Per valutare lo shift dei livelli energetici in presenza di un campo elettrico si applica la teoria delle perturbazioni allo stato fondamentale e agli stati eccitati.

È necessario quindi valutare la variazione della densità di probabilità della funzione d’onda dell’atomo di idrogeno quando è applicato il campo elettrico. Ci si aspetta che la densità di probabilità varia in funzione della grandezza e della direzione del campo elettrico.

Spettri atomici

La scissione dei livelli di energia da parte di un campo elettrico richiede prima che il campo polarizzi l’atomo e quindi interagisca con il risultante momento di dipolo elettrico. Questo momento di dipolo dipende dalla grandezza di M j , ma non dal suo segno, cosicché i livelli di energia mostrano uno splitting proporzionale ai numeri quantici J+1 o J+1/2, rispettivamente per spin interi e semi interi.

L’effetto Stark è stato importante nell’analisi degli spettri atomici, ma soprattutto per gli spettri rotazionali molecolari per la misurazione delle energie di transizione tra stati rotazionali quantizzati di molecole in fase gassosa.

Usi

L’effetto Stark ha diverse importanti applicazioni. Viene infatti utilizzato nella spettroscopia atomica per misurare il campo elettrico all’interno di un atomo o di una molecola. Inoltre, l’effetto Stark è determinante nello studio della struttura fine degli spettri atomici e molecolari, fungendo quindi da strumento vitale per esplorare le strutture atomiche e molecolari.

Si possono valutare momenti di dipolo associati a una particolare specie isotopica , stato vibrazionale e transizione rotazionale, è possibile osservare piccoli cambiamenti di μ con queste quantità

ARGOMENTI

GLI ULTIMI ARGOMENTI

TI POTREBBE INTERESSARE

Esercizi sull’entalpia

Gli esercizi sull'entalpia possono essere risolti considerando alcune relazioni esistenti tra le grandezze termodinamiche L'entalpia è una funzione di stato usata in termodinamica definita come...

Energia libera di Gibbs: esercizi svolti, equazioni

L'energia libera è una funzione di stato simboleggiata con la lettera G ed è matematicamente definita dalla relazione G = H – TS. Nell'espressione H...

Legge di Hess: esercizi svolti

Secondo la  legge di Hess dal nome del chimico svizzero Germain Henri Hess “Il calore scambiato in una reazione, sotto il vincolo della pressione costante, è...