Es gibt eine Reihe von Effekten, die die Form der Spektrallinie beeinflussen. Eine Spektrallinie erstreckt sich über einen Frequenzbereich, nicht über eine einzige Frequenz (d. h. sie hat eine Linienbreite ungleich Null). Darüber hinaus kann ihr Zentrum gegenüber ihrer nominalen zentralen Wellenlänge verschoben sein. Für diese Verbreiterung und Verschiebung gibt es mehrere Gründe. Diese Gründe lassen sich in zwei allgemeine Kategorien einteilen – Verbreiterung aufgrund lokaler Bedingungen und Verbreiterung aufgrund erweiterter Bedingungen. Die Verbreiterung aufgrund lokaler Bedingungen ist auf Effekte zurückzuführen, die in einem kleinen Bereich um das emittierende Element auftreten, in der Regel klein genug, um ein lokales thermodynamisches Gleichgewicht zu gewährleisten. Die Verbreiterung aufgrund ausgedehnter Bedingungen kann auf Änderungen der Spektralverteilung der Strahlung auf ihrem Weg zum Beobachter zurückzuführen sein. Sie kann auch aus der Kombination von Strahlung aus mehreren weit voneinander entfernten Regionen resultieren.

Verbreiterung aufgrund lokaler EffekteBearbeiten

Natürliche VerbreiterungBearbeiten

Die Lebensdauer angeregter Zustände führt zu einer natürlichen Verbreiterung, die auch als Lebensdauerverbreiterung bezeichnet wird. Die Unschärferelation setzt die Lebensdauer eines angeregten Zustands (aufgrund des spontanen Strahlungszerfalls oder des Auger-Prozesses) mit der Unsicherheit seiner Energie in Beziehung. Eine kurze Lebensdauer hat eine große Energieunsicherheit und eine breite Emission zur Folge. Dieser Verbreiterungseffekt führt zu einem nicht verschobenen Lorentz-Profil. Die natürliche Verbreiterung kann experimentell nur in dem Maße verändert werden, wie die Zerfallsraten künstlich unterdrückt oder verstärkt werden können.

Thermische DopplerverbreiterungBearbeiten

Die Atome in einem Gas, die Strahlung aussenden, haben eine Verteilung der Geschwindigkeiten. Jedes emittierte Photon wird durch den Dopplereffekt „rot“- oder „blau“-verschoben, je nach der Geschwindigkeit des Atoms relativ zum Beobachter. Je höher die Temperatur des Gases ist, desto breiter ist die Verteilung der Geschwindigkeiten im Gas. Da die Spektrallinie eine Kombination der gesamten emittierten Strahlung ist, wird die von diesem Gas emittierte Spektrallinie umso breiter, je höher die Temperatur des Gases ist. Dieser Verbreiterungseffekt wird durch ein Gauß-Profil beschrieben, und es gibt keine damit verbundene Verschiebung.

DruckverbreiterungBearbeiten

Die Anwesenheit von Teilchen in der Nähe beeinflusst die von einem einzelnen Teilchen emittierte Strahlung. Es gibt zwei Grenzfälle, in denen dies geschieht:

• Aufpralldruckverbreiterung oder Kollisionsverbreiterung: Der Zusammenstoß anderer Teilchen mit dem Licht emittierenden Teilchen unterbricht den Emissionsprozess und erhöht durch die Verkürzung der charakteristischen Zeit für den Prozess die Unsicherheit der emittierten Energie (wie bei der natürlichen Verbreiterung). Die Dauer des Zusammenstoßes ist viel kürzer als die Lebensdauer des Emissionsprozesses. Dieser Effekt hängt sowohl von der Dichte als auch von der Temperatur des Gases ab. Der Aufweitungseffekt wird durch ein Lorentz-Profil beschrieben, und es kann zu einer entsprechenden Verschiebung kommen.
• Quasistatische Druckaufweitung: Durch die Anwesenheit anderer Teilchen verschieben sich die Energieniveaus im emittierenden Teilchen, wodurch sich die Frequenz der emittierten Strahlung verändert. Die Dauer des Einflusses ist viel länger als die Lebensdauer des Emissionsprozesses. Dieser Effekt hängt von der Dichte des Gases ab, ist aber relativ unempfindlich gegenüber der Temperatur. Die Form des Linienprofils wird durch die funktionale Form der störenden Kraft in Bezug auf den Abstand vom störenden Teilchen bestimmt. Es kann auch zu einer Verschiebung des Linienzentrums kommen. Der allgemeine Ausdruck für die Linienform, die sich aus der quasistatischen Druckverbreiterung ergibt, ist eine 4-Parameter-Verallgemeinerung der Gaußschen Verteilung, die als stabile Verteilung bekannt ist.

Die Druckverbreiterung kann auch nach der Art der störenden Kraft wie folgt klassifiziert werden:

• Die lineare Stark-Verbreiterung tritt durch den linearen Stark-Effekt auf, der sich aus der Wechselwirkung eines Emitters mit dem elektrischen Feld eines geladenen Teilchens in einem Abstand r {\displaystyle r}
  

  , die eine Energieverschiebung verursacht, die linear mit der Feldstärke ist. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• Die Resonanzverbreiterung tritt auf, wenn das störende Teilchen vom gleichen Typ wie das emittierende Teilchen ist, was die Möglichkeit eines Energieaustauschprozesses einschließt. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• Die quadratische Stark-Verbreiterung entsteht durch den quadratischen Stark-Effekt, der sich aus der Wechselwirkung eines Emitters mit einem elektrischen Feld ergibt und eine Energieverschiebung bewirkt, die quadratisch zur Feldstärke ist. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• Die Van-der-Waals-Verbreiterung tritt auf, wenn das emittierende Teilchen durch Van-der-Waals-Kräfte gestört wird. Für den quasistatischen Fall ist ein Van-der-Waals-Profil oft nützlich, um das Profil zu beschreiben. Die Energieverschiebung als Funktion des Abstands ist in den Flügeln z. B. durch das Lennard-Jones-Potenzial gegeben. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

Inhomogene VerbreiterungEdit

Inhomogene Verbreiterung ist ein allgemeiner Begriff für die Verbreiterung, weil sich einige emittierende Teilchen in einer anderen lokalen Umgebung befinden als andere und daher mit einer anderen Frequenz emittieren. Dieser Begriff wird insbesondere für Feststoffe verwendet, bei denen Oberflächen, Korngrenzen und Stöchiometrievariationen eine Vielzahl von lokalen Umgebungen für ein bestimmtes Atom schaffen können. In Flüssigkeiten werden die Auswirkungen der inhomogenen Verbreiterung manchmal durch einen Prozess reduziert, der als „motional narrowing“ bezeichnet wird.

Verbreiterung durch nichtlokale EffekteBearbeiten

Bestimmte Arten der Verbreiterung sind das Ergebnis von Bedingungen in einem großen Bereich des Raums und nicht nur von Bedingungen, die für das emittierende Teilchen lokal sind.

OpazitätsverbreiterungEdit

Elektromagnetische Strahlung, die an einem bestimmten Punkt im Raum ausgesendet wird, kann auf ihrem Weg durch den Raum wieder absorbiert werden. Diese Absorption hängt von der Wellenlänge ab. Die Linie wird verbreitert, weil die Photonen im Zentrum der Linie eine größere Reabsorptionswahrscheinlichkeit haben als die Photonen an den Linienflügeln. Die Reabsorption in der Nähe des Linienzentrums kann sogar so groß sein, dass es zu einer Selbstumkehr kommt, bei der die Intensität im Zentrum der Linie geringer ist als in den Flügeln. Dieser Vorgang wird manchmal auch als Selbstabsorption bezeichnet.

Makroskopische DopplerverbreiterungEdit

Strahlung, die von einer sich bewegenden Quelle ausgesandt wird, unterliegt aufgrund einer endlichen Sichtliniengeschwindigkeitsprojektion einer Dopplerverschiebung. Wenn verschiedene Teile des emittierenden Körpers unterschiedliche Geschwindigkeiten (entlang der Sichtlinie) haben, wird die resultierende Linie verbreitert, wobei die Linienbreite proportional zur Breite der Geschwindigkeitsverteilung ist. Beispielsweise wird die Strahlung eines weit entfernten rotierenden Körpers, wie z. B. eines Sterns, aufgrund der Geschwindigkeitsunterschiede in der Sichtlinie auf den gegenüberliegenden Seiten des Sterns verbreitert. Je größer die Rotationsgeschwindigkeit ist, desto breiter ist die Linie. Ein weiteres Beispiel ist eine implodierende Plasmahülle in einem Z-Pinch.

StrahlungsverbreiterungEdit

Die Strahlungsverbreiterung des spektralen Absorptionsprofils tritt auf, weil die On-Resonanz-Absorption in der Mitte des Profils bei viel niedrigeren Intensitäten gesättigt ist als die Off-Resonanz-Flügel. Daher steigt die Absorption in den Flügeln mit zunehmender Intensität schneller an als die Absorption in der Mitte, was zu einer Verbreiterung des Profils führt. Die Strahlungsverbreiterung tritt selbst bei sehr geringen Lichtintensitäten auf.

Kombinierte EffekteBearbeiten

Jeder dieser Mechanismen kann isoliert oder in Kombination mit anderen wirken. Unter der Annahme, dass jeder Effekt unabhängig ist, ist das beobachtete Linienprofil eine Faltung der Linienprofile der einzelnen Mechanismen. Eine Kombination der thermischen Dopplerverbreiterung und der Stoßdruckverbreiterung ergibt beispielsweise ein Voigt-Profil.

Die verschiedenen Linienverbreiterungsmechanismen sind jedoch nicht immer unabhängig. Zum Beispiel können die Kollisionseffekte und die Bewegungsdopplerverschiebungen zusammenwirken, was unter bestimmten Bedingungen sogar zu einer Kollisionsverengung führt, die als Dicke-Effekt bekannt ist.