Le déplacement et le fractionnement des niveaux d'énergie et des raies spectrales atomiques ou moléculaires dus à la présence d'un champ électrique externe, produits par l'interaction du champ avec des moments dipolaires électriques (ou des multipôles supérieurs) et par le mélange d'états de parités différentes.

Principe

Un champ électrique externe couple à l'opérateur dipolaire électrique via H = -d·E (ou analogues de multipôles supérieurs) ; si des états dégénérés de parité opposée existent, un effet Stark linéaire apparaît par mélange au premier ordre, sinon des décalages quadratiques résultent du second ordre en théorie des perturbations.

Démonstration

Le sous-ensemble n=2 de l'hydrogène présente un effet Stark linéaire car les états 2s et 2p se mélangent sous un champ E externe, produisant un fractionnement proportionnel à E ; les états fondamentaux non dégénérés montrent en général un décalage Stark quadratique proportionnel à E^2 à moins qu'un dipôle permanent ne soit présent.

Mauvaise application

Traiter un décalage Stark en fort champ par perturbation sans tenir compte de l'ionisation ou du mélange avec le continuum induit par le champ, ou ignorer les considérations de parité lors de la prédiction d'un comportement linéaire ou quadratique, conduit à des conclusions qualitativement erronées.

Conséquence

Produit des décalages et fractionnements spectroscopiques, des polarisations induites par le champ et du mélange d'états, des décalages Stark DC pertinents pour les horloges atomiques et les mesures de précision, et sert d'outil pour la détection de champs électriques et le contrôle d'états quantiques.

Inversion

En l'absence de champ électrique, les dégénérescences fondées sur la parité subsistent et il n'y a pas de fractionnement Stark ; dans des champs très intenses, le concept de niveaux liés discrets peut s'effondrer à cause de l'ionisation par champ et du couplage au continuum, renversant l'image perturbative simple.

Limite

S'applique aux systèmes avec états électroniques bien définis et aux champs statiques (DC) lorsque l'on parle d'effet Stark ; les champs dynamiques (AC) donnent lieu à des phénomènes distincts d'effet Stark AC (décalage de lumière). La validité dépend de la force du champ par rapport aux espacements énergétiques et aux seuils d'ionisation.

Tension sémantique

Étroitement lié aux décalages de Lamb, à la structure fine et hyperfine et aux effets Stark AC ; distinguer les décalages DC Stark (induits par champ statique) des décalages dynamiques de lumière et d'autres perturbations est essentiel en spectroscopie de précision.

Synthèse

L'effet Stark est la modification des énergies de niveaux induite par un champ électrique via le couplage aux moments dipolaires et multipolaires et le mélange de parités, produisant des décalages linéaires ou quadratiques selon la dégénérescence et servant à la fois d'outil de sondage et de contrôle des états quantiques.