Il existe un certain nombre d’effets qui contrôlent la forme de la ligne spectrale. Une ligne spectrale s’étend sur une gamme de fréquences, et non sur une seule fréquence (c’est-à-dire qu’elle a une largeur de ligne non nulle). En outre, son centre peut être décalé par rapport à sa longueur d’onde centrale nominale. Plusieurs raisons expliquent cet élargissement et ce décalage. Ces raisons peuvent être divisées en deux catégories générales : l’élargissement dû aux conditions locales et l’élargissement dû aux conditions étendues. L’élargissement dû aux conditions locales est dû à des effets qui se produisent dans une petite région autour de l’élément émetteur, généralement assez petite pour assurer l’équilibre thermodynamique local. L’élargissement dû à des conditions étendues peut résulter de changements dans la distribution spectrale du rayonnement pendant qu’il parcourt son chemin vers l’observateur. Il peut également résulter de la combinaison de rayonnements provenant d’un certain nombre de régions éloignées les unes des autres.

Élargissement dû à des effets locauxEdit

Élargissement naturelEdit

La durée de vie des états excités entraîne un élargissement naturel, également appelé élargissement sur la durée de vie. Le principe d’incertitude met en relation la durée de vie d’un état excité (due à la désintégration radiative spontanée ou au processus Auger) avec l’incertitude de son énergie. Une courte durée de vie aura une grande incertitude énergétique et une émission large. Cet effet d’élargissement se traduit par un profil lorentzien non décalé. L’élargissement naturel ne peut être modifié expérimentalement que dans la mesure où les taux de désintégration peuvent être supprimés ou augmentés artificiellement.

Élargissement Doppler thermiqueModifié

Les atomes d’un gaz qui émettent un rayonnement auront une distribution de vitesses. Chaque photon émis sera décalé « rouge »- ou « bleu »- par l’effet Doppler en fonction de la vitesse de l’atome par rapport à l’observateur. Plus la température du gaz est élevée, plus la distribution des vitesses dans le gaz est large. Comme la raie spectrale est une combinaison de toutes les radiations émises, plus la température du gaz est élevée, plus la raie spectrale émise par ce gaz est large. Cet effet d’élargissement est décrit par un profil gaussien et il n’y a pas de décalage associé.

Élargissement par pressionModifié

La présence de particules proches affectera le rayonnement émis par une particule individuelle. Il existe deux cas limites par lesquels cela se produit :

• Élargissement par pression d’impact ou élargissement par collision : La collision d’autres particules avec la particule émettrice de lumière interrompt le processus d’émission et, en raccourcissant le temps caractéristique du processus, augmente l’incertitude de l’énergie émise (comme cela se produit dans l’élargissement naturel). La durée de la collision est beaucoup plus courte que la durée de vie du processus d’émission. Cet effet dépend à la fois de la densité et de la température du gaz. L’effet d’élargissement est décrit par un profil lorentzien et il peut y avoir un décalage associé.
• Élargissement quasistatique par pression : La présence d’autres particules déplace les niveaux d’énergie de la particule émettrice, modifiant ainsi la fréquence du rayonnement émis. La durée de l’influence est beaucoup plus longue que la durée de vie du processus d’émission. Cet effet dépend de la densité du gaz, mais est plutôt insensible à la température. La forme du profil de la raie est déterminée par la forme fonctionnelle de la force perturbatrice par rapport à la distance de la particule perturbatrice. Il peut également y avoir un déplacement du centre de la ligne. L’expression générale de la forme des lignes résultant de l’élargissement quasi-statique de la pression est une généralisation à 4 paramètres de la distribution gaussienne connue sous le nom de distribution stable.

L’élargissement de pression peut également être classé selon la nature de la force perturbatrice comme suit :

• L’élargissement linéaire de Stark se produit via l’effet Stark linéaire, qui résulte de l’interaction d’un émetteur avec un champ électrique d’une particule chargée à une distance r {\displaystyle r}.
  

  , provoquant un déplacement de l’énergie qui est linéaire en fonction de l’intensité du champ. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• L’élargissement de la résonance se produit lorsque la particule perturbatrice est du même type que la particule émettrice, ce qui introduit la possibilité d’un processus d’échange d’énergie. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• L’élargissement Stark quadratique se produit via l’effet Stark quadratique, qui résulte de l’interaction d’un émetteur avec un champ électrique, provoquant un déplacement de l’énergie qui est quadratique à l’intensité du champ. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• L’élargissement de Van der Waals se produit lorsque la particule émettrice est perturbée par les forces de Van der Waals. Pour le cas quasi-statique, un profil de Van der Waals est souvent utile pour décrire le profil. Le déplacement de l’énergie en fonction de la distance est donné dans les ailes par exemple par le potentiel de Lennard-Jones. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

Élargissement inhomogèneEdit

L’élargissement inhomogène est un terme général désignant l’élargissement dû au fait que certaines particules émettrices se trouvent dans un environnement local différent des autres, et émettent donc à une fréquence différente. Ce terme est utilisé notamment pour les solides, où les surfaces, les joints de grains et les variations de stœchiométrie peuvent créer une variété d’environnements locaux à occuper pour un atome donné. Dans les liquides, les effets de l’élargissement inhomogène sont parfois réduits par un processus appelé rétrécissement motionnel.

Élargissement dû à des effets non locauxEdit

Certains types d’élargissement sont le résultat de conditions sur une grande région de l’espace plutôt que simplement sur des conditions qui sont locales à la particule émettrice.

Elargissement par opacitéDit

Le rayonnement électromagnétique émis en un point particulier de l’espace peut être réabsorbé lors de son déplacement dans l’espace. Cette absorption dépend de la longueur d’onde. La raie est élargie car les photons au centre de la raie ont une probabilité de réabsorption plus importante que les photons aux ailes de la raie. En effet, la réabsorption près du centre de la ligne peut être si importante qu’elle provoque une auto-inversion dans laquelle l’intensité au centre de la ligne est inférieure à celle des ailes. Ce processus est aussi parfois appelé auto-absorption.

Élargissement Doppler macroscopiqueEdit

Les rayonnements émis par une source en mouvement sont soumis à un décalage Doppler dû à une projection de vitesse en ligne de visée finie. Si différentes parties du corps émetteur ont des vitesses différentes (le long de la ligne de visée), la ligne résultante sera élargie, la largeur de la ligne étant proportionnelle à la largeur de la distribution des vitesses. Par exemple, le rayonnement émis par un corps distant en rotation, comme une étoile, sera élargi en raison des variations de vitesse le long de la ligne de visée sur les côtés opposés de l’étoile. Plus la vitesse de rotation est grande, plus la raie est large. Un autre exemple est une coquille de plasma en implosion dans un Z-pinch.

Élargissement radiatifEdit

L’élargissement radiatif du profil d’absorption spectrale se produit parce que l’absorption sur résonance au centre du profil est saturée à des intensités beaucoup plus faibles que les ailes hors résonance. Par conséquent, lorsque l’intensité augmente, l’absorption dans les ailes augmente plus rapidement que l’absorption au centre, ce qui entraîne un élargissement du profil. L’élargissement radiatif se produit même à de très faibles intensités lumineuses.

Effets combinésModification

Chacun de ces mécanismes peut agir de manière isolée ou en combinaison avec d’autres. En supposant que chaque effet est indépendant, le profil de ligne observé est une convolution des profils de ligne de chaque mécanisme. Par exemple, une combinaison de l’élargissement Doppler thermique et de l’élargissement par pression d’impact donne un profil de Voigt.

Cependant, les différents mécanismes d’élargissement des raies ne sont pas toujours indépendants. Par exemple, les effets de collision et les décalages Doppler motionnels peuvent agir de manière cohérente, aboutissant même, dans certaines conditions, à un rétrécissement par collision, connu sous le nom d’effet Dicke.