Der Stark-Effekt

Der Stark-Effekt ist die Verschiebung und Aufspaltung von atomaren Energieniveaus und Spektrallinien, die durch ein externes elektrisches Feld hervorgerufen wird.

Definition

Der Stark-Effekt ist die Änderung der atomaren Energieniveaus, die durch ein externes elektrisches Feld über die Wechselwirkung des Feldes mit dem permanenten oder induzierten elektrischen Dipolmoment des Atoms verursacht wird; er ist linear im Feld für Zustände mit entarteten Komponenten entgegengesetzter Parität und ansonsten quadratisch.

Scope

Dieses Thema behandelt die Reaktion von Atomen auf angelegte elektrische Felder: den linearen Stark-Effekt, der in den entarteten Niveaus des Wasserstoffs auftritt, den quadratischen Stark-Effekt, der proportional zur atomaren Polarisierbarkeit ist und in den meisten Atomen dominiert, die starke Empfindlichkeit hoher Rydberg-Zustände gegenüber Feldern und die AC- (dynamische) Stark-Verschiebung, die durch oszillierende optische Felder erzeugt wird. Es wird behandelt, wie diese Verschiebungen mittels Störungstheorie berechnet werden.

Core questions

• Wie verschiebt und spaltet ein elektrisches Feld atomare Energieniveaus?
• Warum ist der Effekt in Wasserstoff linear, in den meisten anderen Atomen jedoch quadratisch?
• Wie hängt die Stark-Verschiebung von der atomaren Polarisierbarkeit ab?
• Was ist die AC-Stark-Verschiebung, die durch ein oszillierendes Feld erzeugt wird?

Key concepts

• Elektrische Dipolwechselwirkung
• Linearer versus quadratischer Stark-Effekt
• Statische und dynamische Polarisierbarkeit
• Stark-Verschiebung von Rydberg-Zuständen
• AC-Stark- (Licht-) Verschiebung
• Feldionisation

Key theories

Linearer und quadratischer Stark-Effekt

Die Störungstheorie erster Ordnung ergibt eine nicht-null-lineare Verschiebung nur für entartete Zustände entgegengesetzter Parität, wie im Wasserstoff; ansonsten ist der führende Effekt zweiter Ordnung, eine quadratische Verschiebung proportional zur statischen Polarisierbarkeit des Niveaus.

AC-Stark- (Licht-) Verschiebung

Ein oszillierendes elektrisches Feld, wie das eines Lasers, verschiebt atomare Niveaus durch ihre dynamische Polarisierbarkeit; diese Lichtverschiebung ist die Grundlage optischer Dipolfallen und ein wichtiger systematischer Effekt in optischen Atomuhren.

Clinical relevance

Stark-Verschiebungen ermöglichen die elektrische Feldsteuerung von Atomen: Die AC-Stark-Verschiebung liefert das Fangpotential optischer Dipolfallen und optischer Gitter, muss als systematischer Fehler in optischen Uhren sorgfältig kompensiert werden, und die extreme Feldempfindlichkeit von Rydberg-Atomen macht sie zu effektiven Feldsensoren und einer Ressource für die Quantentechnologie.

History

Stark entdeckte 1913 die Aufspaltung von Wasserstofflinien in einem elektrischen Feld, und der lineare Effekt war ein früher Triumph sowohl der alten Quantentheorie (Epstein, Schwarzschild) als auch der Schrödinger'schen Wellenmechanik. Der quadratische Effekt und, viel später, die durch Laserfelder angetriebene AC-Stark-Verschiebung erweiterten das Phänomen auf die Atomfalle und die Präzisionsmetrologie.

Key figures

• Johannes Stark
• Erwin Schrödinger
• Paul Epstein

Seminal works

• stark1914
• bransden2003

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen dem DC- und dem AC-Stark-Effekt?

Der DC-Stark-Effekt ist die Verschiebung in einem statischen elektrischen Feld, die durch die statische Polarisierbarkeit bestimmt wird. Der AC-Stark-Effekt ist die Verschiebung in einem oszillierenden Feld, die durch die frequenzabhängige dynamische Polarisierbarkeit bestimmt wird und der Mechanismus hinter der optischen Dipolfalle ist.

Warum sind Rydberg-Atome so empfindlich gegenüber elektrischen Feldern?

Rydberg-Atome haben sehr große Bahnen und daher enorme Polarisierbarkeiten und Dipolmomente, sodass selbst moderate elektrische Felder große Stark-Verschiebungen hervorrufen und sie ionisieren können, was die Grundlage der zustandsselektiven Feldionisationsdetektion ist.