Қак было показано в $§ 91$, однородное электрическое поле не меняет собственную частоту $\omega_{0}$ гармонического осциллятора. Однако при учете ангармоничности такое изменение должно происходить. Если ограничиться линейными членами по внешнему полю $E_{0}$, то оно будет выражаться формулой (91.1), из которой следует $\Delta \omega_{0}=$ $=-\beta e E_{0} /\left(m \omega_{0}^{3}\right)$. В этом приближении внешнее поле $E_{0}$ не вызывает расщепления спектральных линий, а только производит небольшое смещение их в сторону, пропорциональнбе напряженности поля $E_{0}$. При учете членов высших степеней можно ожидать расщепления спектральных линий с расстояниями между компонентами, пропорциональными квадрату поля $E_{0}$, а йменно
\[
\delta \omega_{0} \sim\left[e /\left(m \omega_{0}^{3}\right)\right] E_{0}^{2} .
\]
На возможность такого расщепления указывал Фохт (18501919). Однако из-за экспериментальных трудностей ему не удалось наблюдать ожидаемое явление. Трудность состояла в том, что для наблюдения эффекта требуются электрические поля $E_{0}$ порядка $100000 \mathrm{~B} / \mathrm{cm}$. В обычных же газоразрядных трубках, излучающих узкие спектральные линии (например, водородной серии Бальмера), такие сильные поля создавать и поддерживать невозможно из-за сильной ионизации газа в трубках.
Штарк (1874-1957) в 1913 г. преодолел эту трудность, создавая сильное электрическое поле за катодом в узком зазоре ( $\sim 1$ мм) между $F$ и $K$ (рис. 315 ), в котором непрерывной откачкой поддерживался высокий вакуум, так что в этом зазоре практически не происходило ионизации частиц из-за столкновений между ними. Возбуждение свечения атомов газа происходило в другой части трубки, как в обычной газоразрядной трубке. Светяциеся атомы (каналовые лучи) проникали через отверстия (каналы) в катоде и попадали в пространство между $F$ и $K$, где и подвергались воздействию внешнего электрического поля.
С помощью такой установки Штарку удалось наблюдать расщепление спектральных линий в электрическом поле. Это явление было названо его именем. Оно оказалось совсем не похожим на то, что ожидал Фохт. Штарк исследовал расщепление спектральных линий водородной серии Бальмера. В видимой области спектра она содержит четыре линии: $\mathrm{H}_{\alpha} \quad(\lambda=656,285 \mathrm{нм}), \mathrm{H}_{\beta} \quad(\lambda=$ $=486,132 \mathrm{Hm}), \mathrm{H}_{\gamma}(\lambda=434,046 \mathrm{HM}), \mathrm{H}_{\delta}(\lambda=410,173 \mathrm{Hm})$. Расщепление в водороде, а также в случае всех одноэлектронных ионов оказалось пропорциональным не второй степени электрического поля, а первой, т. е. значительно более сильным. По этой причине такое расщепление стали называть линейным эффектом Штарка.
Картина расщепления оказалась довольно сложной и различной для различных спектральных линий. Каждая спектральная
Рис. 315.
линия водорода расщеплялась на несколько компонент. Для линии $\mathrm{H}_{\alpha}$ было найдено расщепление на 16 компонент, для $\mathrm{H}_{\beta}$ на 20, для $\mathrm{H}_{\gamma}$ на 28 и для $\mathrm{H}_{6}$ на 32 компоненты. В электрическом поле $E_{0}=104000 \mathrm{~B} /$ см для расстояния между крайними компонентами Штарк нашел 2,$3 ; 3,88 ; 5,88$ и 7,5 нм для линий $\mathrm{H}_{\alpha}, \mathrm{H}_{\beta}, \mathrm{H}_{\gamma}, \mathrm{H}_{\delta}$ соответственно. Эти расстояния довольно велики по сравнению с соответствующими расстояниями между крайними компонентами простого триплета Зеемана. (В поле $B=104000$ Гс для указанных линий зеемановские расщепления составляли бы соответственно 0,$42 ; 0,23 ; 0,18$ и 0,16 нм.)
При наблюдении поперек поля $\boldsymbol{E}_{0}$ компоненты поляризованы линейно, причем часть из них является $\pi$-компонентами (у которых электрическое поле параллельно внешнему полю $\boldsymbol{E}_{0}$ ), а часть $\sigma$-компонентами (у которых электрическое поле перпендикулярно к внешнему полю $E_{0}$ ). При наблюдении вдоль поля $E_{0} \pi$-компоненты не появляются, а $\sigma$-компоненты не поляризованы. Более сильные $\pi$-компоненты в общем случае лежат снаружи, а более сильные $\sigma$-компоненты – внутри. Расщепление и поляризация у водорода по обе стороны от первоначальной линии симметричны; у других атомов часто встречается несимметричное расположение. Расстояния (в шкале частот) компонент от первоначальной линии оказались кратными наименьшему возможному расстоянию между компонентами, причем опыты показали, что последнее одно и то же для всех линий бальмеровской серии водорода. В сильных полях (превосходящих примерно $100000 \mathrm{~B} / \mathrm{cm}$ ) были обнаружены отступления от линейной зависимости между расщеплением и напряженностью внешнего поля $E_{0}$. Линии атомов или ионов, содержащих более одного электрона, дают не линейный, а квадратичный эффект Штарка, в котором расщепление пропорционально квадрату электрического поля $E_{0}$.
Қлассическая теория не дает объяснения эффекта Штарка, как и всякого явления, связанного с излучением и поглощением спектральных линий. Его теория – существенно квантовая и не может быть изложена в этом томе.
