Spektriviivan muotoa ohjaavat useat vaikutukset. Spektriviiva ulottuu taajuusalueelle, ei yhdelle taajuudelle (eli sillä on nollasta poikkeava viivanleveys). Lisäksi sen keskipiste voi olla siirtynyt sen nimellisestä keskiaallonpituudesta. Tähän levenemiseen ja siirtymiseen on useita syitä. Nämä syyt voidaan jakaa kahteen yleiseen luokkaan – paikallisista olosuhteista johtuvaan levenemiseen ja laajemmista olosuhteista johtuvaan levenemiseen. Paikallisista olosuhteista johtuva leveneminen johtuu vaikutuksista, jotka vallitsevat pienellä alueella säteilevän alkuaineen ympärillä, yleensä riittävän pienellä alueella paikallisen termodynaamisen tasapainon varmistamiseksi. Laajentuneista olosuhteista johtuva leveneminen voi johtua muutoksista säteilyn spektrijakaumassa sen kulkiessa matkansa havaitsijalle. Se voi johtua myös useiden toisistaan kaukana olevien alueiden säteilyn yhdistymisestä.

Paikallisista vaikutuksista johtuva leveneminenEdit

Luonnollinen leveneminenEdit

Jännittyneiden tilojen elinikä johtaa luonnolliseen levenemiseen, joka tunnetaan myös nimellä elinajan leveneminen. Epävarmuusperiaate suhteuttaa (spontaanista säteilevästä hajoamisesta tai Auger-prosessista johtuvan) virittyneen tilan eliniän sen energian epävarmuuteen. Lyhyellä eliniällä on suuri energian epävarmuus ja laaja emissio. Tämä levennysvaikutus johtaa epäsiirtyneeseen Lorentz-profiiliin. Luonnollista levenemistä voidaan kokeellisesti muuttaa vain siinä määrin, että hajoamisnopeuksia voidaan keinotekoisesti vaimentaa tai tehostaa.

Terminen Doppler-leveneminenEdit

Säteilyä säteilevän kaasun atomeilla on nopeusjakauma. Jokainen emittoitunut fotoni on Doppler-ilmiön takia ”punaista”- tai ”sinistä”-siirtynyt riippuen atomin nopeudesta havaitsijaan nähden. Mitä korkeampi kaasun lämpötila on, sitä laajempi on kaasun nopeusjakauma. Koska spektriviiva on yhdistelmä kaikesta emittoituneesta säteilystä, mitä korkeampi kaasun lämpötila on, sitä leveämpi on kaasun emittoima spektriviiva. Tätä levennysvaikutusta kuvaa Gaussin profiili, eikä siihen liity siirtymää.

Paineen leveneminenEdit

Naapurissa olevien hiukkasten läsnäolo vaikuttaa yksittäisen hiukkasen lähettämään säteilyyn. On kaksi rajatapausta, joilla tämä tapahtuu:

• Törmäyspaineen laajeneminen tai törmäyspaineen laajeneminen: Muiden hiukkasten törmäys valoa säteilevän hiukkasen kanssa keskeyttää emissioprosessin ja lyhentämällä prosessin ominaisaikaa lisää epävarmuutta emittoituvassa energiassa (kuten tapahtuu luonnollisessa laajenemisessa). Törmäyksen kesto on paljon lyhyempi kuin päästöprosessin elinikä. Tämä vaikutus riippuu sekä kaasun tiheydestä että lämpötilasta. Laajenemisilmiötä kuvaa Lorentzilainen profiili, ja siihen voi liittyä siirtymä.
• Kvasistaattinen paineen laajeneminen: Muiden hiukkasten läsnäolo siirtää emittoivan hiukkasen energiatasoja ja muuttaa siten emittoivan säteilyn taajuutta. Vaikutuksen kesto on paljon pidempi kuin päästöprosessin elinikä. Tämä vaikutus riippuu kaasun tiheydestä, mutta on melko epäherkkä lämpötilalle. Viivaprofiilin muoto määräytyy häiritsevän voiman funktionaalisen muodon mukaan suhteessa etäisyyteen häiritsevästä hiukkasesta. Viivan keskipisteessä voi myös tapahtua siirtymä. Kvasistaattisesta paineen levenemisestä johtuvan viivan muodon yleinen lauseke on Gaussin jakauman 4-parametrinen yleistys, jota kutsutaan vakaaksi jakaumaksi.

Paineen laajeneminen voidaan luokitella myös häiritsevän voiman luonteen mukaan seuraavasti:

• Lineaarinen Starkin laajeneminen tapahtuu lineaarisen Stark-ilmiön kautta, joka on seurausta säteilijän vuorovaikutuksesta varatun hiukkasen sähkökentän kanssa etäisyydellä r {\displaystyle r}
  

  , mikä aiheuttaa energian siirtymän, joka on lineaarinen kentän voimakkuuden suhteen. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• Resonanssin laajeneminen tapahtuu, kun häiritsevä hiukkanen on samantyyppinen kuin emittoiva hiukkanen, mikä tuo mukanaan energianvaihtoprosessin mahdollisuuden. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• Kvadraattinen Starkin laajeneminen tapahtuu kvadraattisen Stark-ilmiön kautta, joka syntyy emitterin ja sähkökentän vuorovaikutuksesta aiheuttaen energian siirtymän, joka on kvadraattinen kentän voimakkuuteen nähden. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• Van der Waalsin leveneminen tapahtuu, kun emittoivaa hiukkasta häiritsevät Van der Waalsin voimat. Kvasistaattisessa tapauksessa Van der Waalsin profiili on usein hyödyllinen kuvaamaan profiilia. Energiasiirtymä etäisyyden funktiona annetaan siivissä esim. Lennard-Jonesin potentiaalin avulla. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

Inhomogeeninen laajeneminenEdit

Inhomogeeninen laajeneminen on yleisnimitys laajenemiselle, joka johtuu siitä, että jotkin emittoivat hiukkaset ovat erilaisessa paikallisessa ympäristössä kuin muut ja siksi emittoivat eri taajuudella. Tätä termiä käytetään erityisesti kiinteissä aineissa, joissa pinnat, raerajat ja stoikiometrian vaihtelut voivat luoda erilaisia paikallisia ympäristöjä, joissa tietty atomi voi olla. Nesteissä inhomogeenisen levenemisen vaikutuksia vähentää joskus prosessi, jota kutsutaan liikkeellelähtöiseksi kaventumiseksi.

Ei-paikallisista vaikutuksista johtuva leveneminen Muokkaa

Tietyntyyppiset levennykset ovat seurausta olosuhteista, jotka vallitsevat laajalla avaruusalueella, eivätkä pelkästään olosuhteista, jotka ovat paikallisia lähettävän hiukkasen kohdalla.

Läpinäkyvyyden laajeneminenEdit

Sähkömagneettinen säteily, joka emittoituu tietyssä pisteessä avaruudessa, voi absorboitua uudelleen sen kulkiessa avaruudessa. Tämä absorptio riippuu aallonpituudesta. Viiva leventyy, koska viivan keskellä olevilla fotoneilla on suurempi uudelleenabsorptiotodennäköisyys kuin viivan siivillä olevilla fotoneilla. Itse asiassa reabsorptio lähellä viivan keskipistettä voi olla niin suurta, että se aiheuttaa itsekääntymisen, jossa intensiteetti viivan keskipisteessä on pienempi kuin siivissä. Tätä prosessia kutsutaan joskus myös itseabsorptioksi.

Makroskooppinen Doppler-laajeneminenEdit

Liikkuvan lähteen lähettämään säteilyyn kohdistuu Doppler-siirtymä, joka johtuu äärellisestä etenemislinjan nopeusprojektiosta. Jos säteilevän kappaleen eri osilla on erilaiset nopeudet (näköyhteyttä pitkin), syntyvä viiva leventyy, jolloin viivan leveys on verrannollinen nopeusjakauman leveyteen. Esimerkiksi kaukaisesta pyörivästä kappaleesta, kuten tähdestä, lähtevä säteily on leveämpää, koska nopeus vaihtelee näköyhteydessä tähden vastakkaisilla puolilla. Mitä suurempi pyörimisnopeus on, sitä leveämpi viiva on. Toinen esimerkki on implodoituva plasmakuori Z-pinchissä.

Säteilyn leveneminenEdit

Spektrisen absorptioprofiilin säteilyn leveneminen johtuu siitä, että profiilin keskellä oleva resonanssiabsorptio on kyllästynyt paljon pienemmillä intensiteeteillä kuin resonanssin ulkopuolella olevat siivet. Siksi intensiteetin kasvaessa absorptio siivissä kasvaa nopeammin kuin absorptio keskellä, mikä johtaa profiilin levenemiseen. Säteilevää levenemistä tapahtuu jopa hyvin alhaisilla valon intensiteeteillä.

YhdistelmävaikutuksetEdit

Jokainen näistä mekanismeista voi toimia erikseen tai yhdessä muiden kanssa. Jos oletetaan, että kukin vaikutus on riippumaton, havaittu viivaprofiili on kunkin mekanismin viivaprofiilien konvoluutio. Esimerkiksi termisen Doppler-laajenemisen ja törmäyspaineen laajenemisen yhdistelmä antaa Voigt-profiilin.

Mutta eri viivan laajenemismekanismit eivät aina ole riippumattomia. Esimerkiksi törmäysvaikutukset ja liikkeelliset Doppler-siirtymät voivat toimia koherentisti, mikä johtaa joissakin olosuhteissa jopa törmäyskapeutumiseen, joka tunnetaan nimellä Dicke-ilmiö.