श्टार्क परिणाम : विद्युत् क्षेत्राचा वर्णपट रेषांवर होणाऱ्या परिणामाचा अभ्यास श्टार्क परिणामामध्ये केला जातो. अणू विद्युत् क्षेत्रात ठेवल्यामुळे त्यापासून उत्सर्जित झालेल्या प्रकाशाच्या वर्णपटातील रेषांचे विच्छेदन होते व एका रेषेपासून अनेक घटकरेषा निर्माण होतात. हा परिणाम १९१३ साली जर्मन भौतिकीतज्ञ ⇨योहानेस श्टार्क यांनी प्रथम शोधून काढला. या व इतर संलग्न संशोधनाबद्दल त्यांना १९१९ सालचे भौतिकीचे नोबेल पारितोषिक मिळाले. अल्प दाबाखाली हीलियम अथवा हायड्रोजन वायू भरलेल्या नळीतून विद्युत् प्रवाह सोडल्यावर निर्माण होणारे विद्युत् वाहक अणु-रेणू व त्यांनी उत्सर्जित केलेला प्रकाश यांसंबंधी श्टार्क आणि त्यांचे सहकारी यांनी अनेक वर्षे बहुविध संशोधन केले. हायड्रोजनाखेरीज इतर मूलद्रव्यांमध्ये हा परिणाम अत्यल्प असतो.
चुंबकीय क्षेत्रामुळे प्रकाश वर्णपटातील रेषांचे होणारे विच्छेदन आणि त्यापासून निर्माण होणाऱ्या घटकरेषा म्हणजेच झीमान परिणाम १८९५ सालापासून संशोधकांना माहीत होता. विद्युत् क्षेत्रापासून घडणारा तशाच प्रकारचा परिणाम शोधण्याचे प्रयत्न अनेक संशोधकांनी केले.श्टार्कयांनी सर्वप्रथम हायड्रोजन वायूच्या बाबतीत हा परिणाम शोधून काढला. त्यांनी विद्युत् विसर्जन नलिकेमधील ऋणाग अंध:कारमय अवकाशाभोवती जे बरेच मोठे विद्युत् क्षेत्र असते, त्याचा उपयोग करून घेतला. त्यासाठी त्यांनी एक खास विसर्जन नलिका बनविली होती.
कोणत्याही परिणामामध्ये वर्णपट रेषेचे विच्छेदन हे संबंधित ऊर्जा पातळ्यांच्या विच्छेदनामुळे घडते. साधारणपणे एकाच वेळी (१९१६ साली)कार्ल श्व्हार्टशिल्ट(१८७३-१९१६) या जर्मन आणि पी. एस्.
एप्स्टाइन या ब्रिटिश संशोधकांनी हायड्रोजन अणूमध्ये विद्युत् क्षेत्राव्दारे घडून येणाऱ्या श्टार्क परिणामाचे कारण शोधण्याचा प्रयत्न केला आणि घडून येणारा ऊर्जा बदल (ΔE) हा खाली दर्शविलेल्या एप्स्टाइन सूत्राप्रमाणे मिळतो हे सिद्ध केले.
|
ΔE = |
3 h2F |
. n (nη – nζ) |
… … … (१) |
|
8π2m0Ze |
या सूत्रामध्ये h = प्लांक स्थिरांक, m0= इलेक्ट्रॉनाचे द्रव्यमान, e = इलेक्ट्रॉनाचा विद्युत् भार आणि F = विद्युत् क्षेत्र आहेत.
तसेच प्रधान पुंजांक n = nζ + nη +nψ असून nη आणि nζ या चिन्हांना अन्वस्तीय पुंजांक आणि nψ याला विषुववृत्तीय पुंजांक असे म्हणतात. श्टार्क परिणामामध्ये घडणारे हे विच्छेदन अगदी साध्या उपकरणाव्दारे पाहता येते.
श्टार्क परिणामामध्ये वर्णपट रेषांचे ध्रुवीकरण होते. विद्युत् क्षेत्राच्या लंब दिशेने निरीक्षण करताना वर्णपट रेषांचे एकघाती ध्रुवीकरण झाल्याचे दिसून येते. विद्युत् क्षेत्राशी समांतर दिशेत ध्रुवीकरण झालेल्या रेषांना π घटकरेषा व लंब दिशेत ध्रुवीकरण झालेल्या रेषांना σ घटकरेषा म्हणतात. विद्युत् क्षेत्राशी समांतर दिशेत निरीक्षण केल्यास π घटकरेषा दिसत नाहीत व σ घटकरेषांचे धुवीकरण घडून येत नाही.
श्टार्क परिणामामध्ये १,००,००० व्होल्ट/सेंमी. विद्युत् दाबापर्यंत वर्णपट रेषांचे विच्छेदन विद्युत् दाबाच्या समप्रमाणात आढळून येते. यामुळे ‘ एकघाती श्टार्क परिणाम ’असे म्हणतात. त्याहून अधिक जास्त विद्युत् दाब वापरल्यास घडून येणारा श्टार्क परिणाम हा फारच गुंतागुंतीचा आणि क्लिष्ट असून साधारणत: वर्णपट रेषांचे विच्छेदन विद्युत् दाबाच्या वर्गाच्या समप्रमाणात असते. या प्रकारास ‘ द्विघाती श्टार्क परिणाम ’असे म्हणतात. याशिवाय राऊच व्हॉन ट्राउबेन या भौतिकीविज्ञांनी अतिप्रचंड प्रमाणात विद्युत् दाब (दशलक्ष व्होल्ट/सेंमी.) वापरल्यास उच्च कोटीतील श्टार्क परिणाम आढळून येतो, हे प्रयोगाव्दारे सिद्ध केले. हायड्रोजनामध्ये आढळून येणारा द्विघाती श्टार्क परिणाम प्रथम टी. ताकामीनेआणि एन्. कोकूबू यांनी शोधून काढला. त्यांनी १,४७,००० व्होल्ट प्रती सेंमी. इतक्या प्रचंड विद्युत् दाबाचा वापर केला असता Hγ या वर्णपट रेषेचे विच्छेदन ०.८Å इतके लाल रंगाच्या दिशेने झालेले त्यांना आढळून आले.
सामान्यतः इलेक्ट्रॉनाची कक्षा अंडाकृती असते व तिचे विद्युत् क्षेत्राच्या दिशेभोवती घूर्णन होते. या घूर्णनाची कंप्रता पुढील सूत्राने मिळते.
|
Wf = |
3 |
. |
ħF |
.n … … … (२) |
|
2 |
m0e |
यावरून ऊर्जा बदल Δ E = nf ħWf अशा मूल्याचा मिळू शकतो. हा ऊर्जा बदल सूत्र क. १ ने दिलेल्या बदलाइतकाच असतो व त्यासाठी nf चे मूल्य nf = nη – nζ असे घेतात.
इलेक्ट्रॉन कक्षेचे घूर्णन अतिवेगाने फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉनाच्या द्रव्यमूल्यात झालेल्या वाढीमुळे घडत असते. ही वाढ सापेक्षता सिद्धांताने समजू शकते. जर विद्युत् क्षेत्र निर्मिती घूर्णन फार वेगात नसेल म्हणजे विद्युत् क्षेत्र क्षीण असेल, तर विद्युत् क्षेत्रामुळे होणारा ऊर्जा बदल विद्युत् क्षेत्राच्या वर्गाशी समप्रमाणात असतो, असे एच्. ए. क्रॅमर्स या डच शास्त्रज्ञांनी सिद्घ केले. त्यासाठी त्यांनी एक गणितीय सूत्र तयार केले. त्यावरून या ऊर्जा बदलाला द्विघाती परिणाम असे म्हणतात. विद्युत् क्षेत्र जर क्षीण असेल, तर सापेक्षता घूर्णन बरेच जलद असते व एका क्षेत्रजन्य घूर्णनामध्ये अनेक सापेक्षता घूर्णने पूर्ण होतात. सापेक्षता घूर्णनामध्ये इलेक्ट्रॉन कक्षेचा गुरूत्वमध्य काही काळ अणुकेंद्रसापेक्ष वर व काही काळ खाली राहतो. त्यामुळे एका घूर्णनामध्ये समप्रमाणात काही काळ ऊर्जा बदल धन व काही काळ ऋण असतो. त्यामुळे सरासरी मूल्य शून्यप्राय होते व उरते ती फक्त कॅमर्स यांच्या सूत्रातील द्विधाती राशीच.
हायड्रोजनाव्यतिरिक्त अणूमधील श्टार्क परिणाम बराच क्षीण असतो आणि तो द्विघाती स्वरूपातच आढळून येतो. त्यासाठी बऱ्याच उच्च तीव्रतेचे विद्युत् क्षेत्र वापरावे लागते. या विद्युत् क्षेत्रामुळे अणूंना द्विध्रुवीय परिबल (P) मिळते व ते विद्युत् क्षेत्राला समप्रमाणात असते. द्विध्रुवीय परिबल विद्युत् क्षेत्रात ठेवल्यामुळे P F इतका ऊर्जा बदल होतो व तो अंतिमत: विद्युत् क्षेत्राच्या वर्गाशी समप्रमाणात राहतो.
विद्युत् क्षेत्रामुळे सर्व पातळ्यांची ऊर्जामूल्ये कमी होतात. हा बदल पातळीच्या सर्व पुंजांकांशी संबंधित असतो. अणूच्या मूळ पातळीपासून जसजसे दूर जावे तसतसा हा फरक वाढत जातो. याचा परिणाम म्हणून वर्णपट रेषांचे विच्छेदन होताना नवीन रेषा मूळ रेषेच्या एकाच बाजूला पडतात आणि सर्वांची तरंगलांबी वाढलेली दिसते.
इलेक्ट्रॉनाच्या परिभ्रमणामुळे अणूला एक प्रकारचे कोणीय परिबल (J) निर्माण होते. Jγ (अथवा M) हा J चा विद्युत् क्षेत्रातील घटक स्थायी राहील अशा तऱ्हेने J चे घूर्णन चालू असते. यासाठी कोणीय परिबलासाठी 2J + 1 अशा संभवनीय दिशा असतात. यालाच अवकाश पुंजीकरण म्हणतात. इलेक्ट्रॉनाची भमण दिशा उलट केली, तर J ची दिशा उलट होईल आणि Jγ चे मूल्य – M होईल. मात्र दोन्ही परिस्थितींत विद्युत् क्षेत्र निर्मित ऊर्जामूल्य तेच राहते. म्हणून 2 J +1 इतक्या संभवनीय इलेक्ट्रॉन अवस्था असतील, तर J + 1/2 (जर J अर्धपूर्णांक असेल तर) अशा ऊर्जापातळ्या निर्माण होतात. हे दोन्ही निष्कर्ष लेडनबुर्ग यांनी सोडियमाच्या D रेषांच्या श्टार्क परिणामामध्ये पडताळून पाहिले.
वायुरूप माध्यमात कोणत्याही अणूवर त्याच्या समीप असलेल्या इतर अणू , रेणू अथवा आयनांच्या विद्युत् क्षेत्राचाही प्रभाव पडतो. त्यामुळे घडून येणाऱ्या श्टार्क परिणामाला आंतर-आणवीय म्हणतात. मात्र यामध्ये अणू गतिमान असल्यामुळे व विद्युत् क्षेत्र समांगी नसल्यामुळे वर्णपट रेषांचे विच्छेदन न दिसता फक्त विस्तारच दिसून येतो.
श्टार्क परिणामामध्ये वर्णपट रेषांचे विच्छेदन बरेच क्लिष्ट असते. यामुळे वर्णपटांच्या अभ्यासासाठी याचा तादृश उपयोग होत नाही. मात्र दोन अणूंपासून रेणू कसा बनतो, याच्या सैद्धांतिक विवेचनाकरिता अथवा विद्युत् द्विध्रुवीय परिबलासंबंधी अथवा वर्णपट रेषांच्या विस्तारासंबंधीच्या विवेचनाकरिता त्याचा उपयोग होतो.
हायड्रोजन सदृश्य अर्धसंवाहक पदार्थ त्यांच्या व्यासापेक्षा कमी जाडी असणाऱ्या पदार्थाच्या थरामध्ये बंदिस्त करून लंब दिशेने विद्युत् दाब वापरला असता जो श्टार्क परिणाम दिसून येतो, त्यास ‘बंदिस्त पुंज श्टार्क परिणाम’ असे म्हणतात. या प्रकारचा श्टार्क परिणाम मुख्यत्वे गॅलियम आर्सेनाइड व ॲल्युमिनियम गॅलियम आर्सेनाइड यांसारख्या अर्धसंवाहक पदार्थांत दिसून येतो. याचा सखोल अभ्यास पुंजयामिकीत करण्यात येतो.
संदर्भ : 1. Herzberg, Gerhard, Atomic Spectra and Atomic Structure, New York.
2. Rajam, J. B. Atomic Physics, New Delhi, 1966.
3. Ruark, A.E. Very, H.C. Atoms, Molecules and Quanta, New York, 1964.
राजोपाध्ये, वि. य. बोटे, शशिकांत रा.
“