Ширина́ спектральної лі́нії — кількісна характеристика розмитості спектральної лінії. Зазвичай позначається літерою . Існує два найпопулярніших визначення ширини спектральної лінії — ширина на піввисоті та еквівалентна ширина.

Існує багато фізичних ефектів, які визначають ширину спектральних ліній — природна ширина через скінченну тривалість процесу випромінювання, допленівське розширення через тепловий рух атомів або через обертання тіла-випромінювача як цілого, розширення тиском через взаємодію атомів-випромінювачів з іншими атомами.

Профіль спектральної лінії під одночасним впливом різних факторів визначається згорткою профілів, зумовлених кожним фактором окремо.

Визначення

Ширина лінії на піввисоті, іноді звана напівшириною — це різниця між довжинами хвиль або частотами, на яких інтенсивність випромінювання або глибина лінії становить половину від максимальної. Цей параметр позначається як (від ). Ділянка лінії, що міститься всередині ширини на піввисоті, називається центральною частиною, а ділянки, розташовані обабіч — крилами.

Еквівалентну ширину визначають як розмір ділянки в довжинах хвиль () або в частотах (), в якому неперервний спектр випромінює сумарно стільки ж енергії, скільки поглинається у всій лінії. Формально вона визначається через залишкову інтенсивність як або . Теоретично, інтегрування має проводитися від до , але на практиці інтегрують на скінченному інтервалі, що включає основні частини лінії — як правило, ширина інтервалу становить не більше кількох десятків нанометрів. Іншими словами, це ширина прямокутника з висотою, що дорівнює інтенсивності неперервного спектра, площа якого дорівнює площі над спектральною лінією.

Причини розширення ліній Існує низка ефектів, що визначають форму спектральної лінії, у результаті чого спектральна лінія займає невелику смугу частот з ненульовою шириною, а не одну-єдину частоту. Крім того, її центр може бути зміщений відносно номінальної центральної довжини хвилі. Існує кілька причин такого розширення та зсуву. Їх можна поділити на дві загальні категорії — розширення через локальні умови та розширення через глобальні явища. Розширення через локальні умови зумовлене ефектами, що діють у малій області навколо випромінювального елемента, зазвичай достатньо малій для забезпечення локальної термодинамічної рівноваги. Розширення через глобальні умови може виникати внаслідок змін спектрального розподілу випромінювання під час його проходження до спостерігача. Воно також може бути наслідком поєднання випромінювання з багатьох віддалених одна від одної ділянок.

Розширення через локальні ефекти

Природне розширення

Скінченний час життя збуджених станів спричиняє природну ширину спектральної лінії розширення. Принцип невизначеності пов'язує час життя збудженого стану (внаслідок спонтанного випромінювання або ефекту Оже) з невизначеністю його енергії. Деякі автори використовують термін «радіаційне розширення» саме для тієї частини природного розширення, яка спричинена спонтанним випромінюванням. Короткий час життя відповідає великій невизначеності енергії та широкій емісійній лінії. Це розширення створює незміщений лоренців профіль. Експериментально змінити природну ширину можна лише настільки, наскільки вдається штучно пригнічувати або підсилювати час життя збуджених станівFor example, in the following article, decay was suppressed via a microwave cavity, thus reducing the natural broadening: .

Теплове доплерівське розширення

Атоми газу, що випромінюють світло, мають різні швидкості. Кожен випромінений фотон зазнає «червоного» або «синього» зсуву через ефект Доплера залежно від швидкості атома відносно спостерігача. Що вища температура газу, то ширший розподіл швидкостей у ньому. Оскільки спектральна лінія є сумою всього випромінювання, то зі зростанням температури газу випромінена ним спектральна лінія розширюється. Для максвеллівського розподілу атомів за швидкостями теплове доплерівське розширення описується гаусовим профілем.

Розширення тиском

Розширення тиском складається з двох окремих факторів. По-перше, зіткнення інших частинок з частинкою-випромінювачем перериває процес випромінювання і, скорочуючи характерний час цього процесу, збільшує невизначеність в енергії випромінювання, подібно до природного розширення. (так зване ударне розширення тиском). По-друге, наявність інших частинок зміщує енергетичні рівні у частинці-випромінювачі, змінюючи частоту випромінювання (так зване квазістатичне розширення тиском).

Неоднорідне розширення Неоднорідне розширення — це загальний термін для позначення розширення, яке виникає через те, що деякі частинки-випромінювачі перебувають в іншому локальному середовищі, ніж решта, і тому випромінюють на іншій частоті. Цей термін особливо вживають для твердих тіл, де поверхні, межі зерен і варіації стехіометрії можуть створювати різні локальні умови для даного атома. У рідинах ефекти неоднорідного розширення інколи зменшує процес, відомий як .

Розширення через нелокальні ефекти

Ці типи розширення є наслідком умов у великих обшарах простору, а не лише локальних умов біля частинки-випромінювача.

Розширення через непрозорість Розширення через непрозорість є прикладом нелокального механізму розширення. Електромагнітне випромінювання, випущене в певній точці простору, може повторно поглинатися під час проходження крізь простір. Це поглинання залежить від довжини хвилі. Лінія розширюється, оскільки фотони в центрі лінії мають більшу ймовірність повторного поглинання, ніж фотони в її крилах. Насправді повторне поглинання поблизу центра може бути настільки сильним, що інтенсивність у центрі лінії стає меншою, ніж у її крилах.

Макроскопічне доплерівське розширення Випромінювання від рухомого джерела зазнає доплерівського зсуву через скінченну проєкцію швидкості на промінь зору. Якщо різні частини тіла мають різні швидкості (уздовж променя зору), утворена лінія розширюється, причому її ширина пропорційна ширині розподілу швидкостей. Наприклад, випромінювання далекого обертового тіла, такого як зоря, буде розширеним через відмінності проєкції швидкостей на протилежних боках зорі. Що більша швидкість обертання, то ширша лінія. Також доплерівське розширення може відбуватися через конвектривні рухи в атмосфері зорі. Інший приклад — імплозійна оболонка плазми у Z-пінчі.

Комбіновані ефекти

Кожен із цих механізмів може діяти окремо або разом з іншими. Якщо припустити, що кожен ефект є незалежним, спостережуваний профіль лінії є згорткою профілів ліній кожного механізму. Наприклад, поєднання теплового доплерівського розширення та ударного розширення тисковом дає профіль Фойгта.

Однак різні механізми розширення ліній не завжди незалежні. Наприклад, ефекти зіткнень та обумовлені рухом доплерівські зсуви можуть діяти узгоджено, що за певних умов навіть призводить до звуження ліній, відомого як ефект Діккі.

Див. також

Профіль спектральної лінії

Примітки

Посилання , канал НДІ астрономії ХНУ