슈타르크 효과 (Stark Effect)
쉽게 풀면
전기장을 걸면 원자 속 전자 구름이 한쪽으로 살짝 치우칩니다. 이 치우침 때문에 에너지 준위가 이동하거나 여러 갈래로 갈라지고, 스펙트럼선의 위치가 바뀝니다. 자기장에 의한 제이만 효과의 전기장 판이라고 생각하면 됩니다. 다만 대부분의 원자에서는 전기장 세기에 비례하는 이동이 아니라 세기의 제곱에 비례하는 이동이 나타난다는 차이가 있습니다.
왜 중요한가
고밀도 플라스마나 별의 대기에서는 주변 하전 입자가 만드는 전기장 때문에 스펙트럼선이 넓어지는데, 이 선폭을 해석하면 전자 밀도를 추정할 수 있습니다. 반도체 양자우물에 전압을 걸어 흡수 파장을 바꾸는 양자구속 슈타르크 효과는 광변조기 같은 광통신 소자의 작동 원리입니다. 분자 분광학에서는 전기 쌍극자 모멘트를 측정하는 표준 방법으로 쓰입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
조금 더 깊게 보면
전기장이 없을 때 대부분의 원자는 영구 전기 쌍극자 모멘트를 갖지 않으므로, 준위 이동이 전기장 세기의 제곱에 비례하는 2차 효과로 나타납니다. 반면 수소처럼 에너지가 같은 여러 상태가 겹쳐 있는 경우에는 축퇴 섭동론에 따라 전기장에 1차로 비례하는 갈라짐이 생깁니다. 전기장이 매우 강해지면 전자가 원자 밖으로 터널링해 빠져나가는 전기장 이온화가 일어나며, 이때는 준위가 유한한 수명을 갖게 됩니다. 고체 소자에서는 전자와 정공이 반대 방향으로 밀려나면서 엑시톤 결합 에너지가 변해 흡수 스펙트럼이 이동합니다.
주의할 점
전기장에 의한 효과라는 점에서 자기장에 의한 제이만 효과와 반드시 구분해야 하며, 두 효과가 동시에 나타나는 실험에서는 기여를 분리해야 합니다. 또 원자에서는 2차 효과가 일반적이지만 수소나 축퇴가 있는 계에서는 1차 효과가 나타나므로, 대상에 따라 전기장 의존성이 달라집니다. 화학에서 말하는 '분자 안 국소 전기장에 의한 진동수 이동'도 슈타르크 효과라 부르므로 문맥을 확인해야 합니다.