Der er en række effekter, der styrer spektrallinjens form. En spektrallinje strækker sig over et frekvensområde og ikke over en enkelt frekvens (dvs. den har en linjebredde, der ikke er nul). Desuden kan dens centrum være forskudt i forhold til dens nominelle centrale bølgelængde. Der er flere årsager til denne udvidelse og forskydning. Disse årsager kan opdeles i to generelle kategorier – udvidelse som følge af lokale forhold og udvidelse som følge af udvidede forhold. Udvidelse som følge af lokale forhold skyldes virkninger, der finder sted i et lille område omkring det emitterende element, som regel lille nok til at sikre lokal termodynamisk ligevægt. Udvidelse som følge af udvidede forhold kan skyldes ændringer i strålingens spektralfordeling, når den bevæger sig frem til observatøren. Den kan også skyldes kombinationen af stråling fra en række områder, der ligger langt fra hinanden.

Udvidelse på grund af lokale effekterRediger

Naturlig udvidelseRediger

Livstiden for exciterede tilstande resulterer i naturlig udvidelse, også kendt som livstidsudvidelse. Usikkerhedsprincippet sætter levetiden for en exciteret tilstand (som følge af spontant strålingsfald eller Auger-processen) i forbindelse med usikkerheden af dens energi. En kort levetid vil have en stor energiusikkerhed og en bred emission. Denne udvidelse resulterer i en uskiftet lorentzisk profil. Den naturlige broadening kan kun ændres eksperimentelt i det omfang, at henfaldshastighederne kan undertrykkes eller forstærkes kunstigt.

Termisk Doppler-broadeningRediger

Atomerne i en gas, som udsender stråling, vil have en fordeling af hastighederne. Hver foton, der udsendes, vil være “rød”- eller “blå”-forskudt af Doppler-effekten, afhængigt af atomets hastighed i forhold til observatøren. Jo højere gasens temperatur er, jo bredere er hastighedsfordelingen i gassen. Da spektrallinjen er en kombination af al den udsendte stråling, vil den spektrallinje, der udsendes fra gassen, blive bredere, jo højere gassens temperatur er. Denne udvidelse beskrives af en Gauss-profil, og der er ikke nogen tilknyttet forskydning.

TrykudvidelseRediger

Nærværet af nærliggende partikler vil påvirke den stråling, der udsendes af en individuel partikel. Der er to begrænsende tilfælde, hvorved dette sker:

• Trykudvidelse ved påvirkning eller kollisionsudvidelse: Sammenstød mellem andre partikler og den lysemitterende partikel afbryder emissionsprocessen og øger ved at forkorte den karakteristiske tid for processen usikkerheden i den udsendte energi (som det sker ved naturlig udvidelse). Kollisionens varighed er meget kortere end emissionsprocessens levetid. Denne effekt afhænger både af gassens massefylde og temperatur. Bredningseffekten beskrives af en lorentzisk profil, og der kan forekomme en tilknyttet forskydning.
• Quasistatisk trykudvidelse: Tilstedeværelsen af andre partikler forskyder energiniveauerne i den udsendte partikel og ændrer derved frekvensen af den udsendte stråling. Varigheden af påvirkningen er meget længere end levetiden for emissionsprocessen. Denne virkning afhænger af gassens massefylde, men er ret ufølsom over for temperaturen. Linjeprofilens form bestemmes af den forstyrrende krafts funktionelle form med hensyn til afstanden fra den forstyrrende partikel. Der kan også forekomme en forskydning i linjens centrum. Det generelle udtryk for den linjeform, der er resultatet af kvasistatisk trykudvidelse, er en 4-parametergeneralisering af den gaussiske fordeling, der kaldes en stabil fordeling.

Trykudvidelse kan også klassificeres efter arten af den forstyrrende kraft som følger:

• Lineær Stark-udvidelse opstår via den lineære Stark-effekt, som er resultatet af en emittents vekselvirkning med et elektrisk felt af en ladet partikel i en afstand r {\displaystyle r}
  

  , hvilket forårsager en forskydning i energien, der er lineær med feltstyrken. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• Resonansudvidelse opstår, når den forstyrrende partikel er af samme type som den emitterende partikel, hvilket indfører muligheden for en energiudvekslingsproces. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• Quadratisk Stark-udvidelse opstår via den kvadratiske Stark-effekt, som skyldes interaktion mellem en emitter og et elektrisk felt, der forårsager en energiskift, som er kvadratisk i feltstyrken. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• Van der Waals-udvidelse opstår, når den emitterende partikel bliver forstyrret af Van der Waals-kræfter. For det kvasistatiske tilfælde er en Van der Waals-profil ofte nyttig til at beskrive profilen. Energiskiftet som en funktion af afstanden er givet i fløjene ved f.eks. Lennard-Jones-potentialet. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

Inhomogen udbredelseRediger

Inhomogen udbredelse er en generel betegnelse for udbredelse, fordi nogle emitterende partikler befinder sig i et andet lokalt miljø end andre, og derfor emitterer med en anden frekvens. Udtrykket anvendes især for faste stoffer, hvor overflader, korngrænser og stoiometrivariationer kan skabe en række forskellige lokale miljøer, som et givet atom kan opholde sig i. I væsker reduceres virkningerne af inhomogene udvidelser undertiden af en proces, der kaldes motionsindsnævring.

Udvidelse på grund af ikke-lokale effekterRediger

Visse typer af udvidelser er resultatet af forhold over et stort område af rummet snarere end blot af forhold, der er lokale for den udsendende partikel.

OpacitetsudvidelseRediger

Elektromagnetisk stråling, der udsendes i et bestemt punkt i rummet, kan blive reabsorberet, mens den bevæger sig gennem rummet. Denne absorption afhænger af bølgelængden. Linjen bliver udvidet, fordi fotonerne ved linjens centrum har en større reabsorptionssandsynlighed end fotonerne ved linjens vinger. Reabsorptionen nær linjens centrum kan faktisk være så stor, at den forårsager en selvomvending, hvor intensiteten i linjens centrum er mindre end i fløjene. Denne proces kaldes også undertiden selvabsorption.

Makroskopisk DopplerudvidelseRediger

Stråling udsendt af en kilde i bevægelse er udsat for Dopplerforskydning på grund af en endelig projektion af sigtelinjens hastighed. Hvis forskellige dele af det udsendte legeme har forskellige hastigheder (langs sigtelinjen), vil den resulterende linje blive udvidet, og linjebredden vil være proportional med bredden af hastighedsfordelingen. F.eks. vil stråling fra et fjernt roterende legeme, f.eks. en stjerne, blive udvidet på grund af sigtelinjevariationer i hastigheden på modsatte sider af stjernen. Jo større rotationshastigheden er, jo bredere er linjen. Et andet eksempel er en imploderende plasmaskine i en Z-pinch.

StrålingsudvidelseRediger

Radiativ udvidelse af det spektrale absorptionsprofil opstår, fordi den on-resonante absorption i midten af profilen er mættet ved meget lavere intensiteter end de off-resonante vinger. Når intensiteten stiger, stiger absorptionen i fløjene derfor hurtigere end absorptionen i midten, hvilket fører til en udvidelse af profilen. Strålingsudvidelse forekommer selv ved meget lave lysintensiteter.

Kombinerede virkningerRediger

Hver af disse mekanismer kan virke isoleret eller i kombination med andre. Hvis man antager, at hver virkning er uafhængig, er den observerede linieprofil en konvolution af linieprofilerne for hver mekanisme. For eksempel giver en kombination af den termiske Doppler-udvidelse og impact pressure-udvidelsen en Voigt-profil.

Derimod er de forskellige linjeudvidelsesmekanismer ikke altid uafhængige. For eksempel kan kollisionseffekterne og de bevægelsesmæssige Dopplerforskydninger virke på en sammenhængende måde, hvilket under visse betingelser endog resulterer i en kollisionsmæssig indsnævring, kendt som Dicke-effekten.