A spektrális vonal alakját számos hatás szabályozza. A spektrális vonal egy frekvenciatartományra terjed ki, nem egyetlen frekvenciára (azaz nem nulla vonalszélességgel rendelkezik). Ezenkívül a középpontja eltolódhat a névleges központi hullámhosszától. Ennek a kiszélesedésnek és eltolódásnak több oka is lehet. Ezek az okok két általános kategóriába sorolhatók: a helyi körülmények miatti kiszélesedés és a kiterjesztett körülmények miatti kiszélesedés. A helyi körülmények miatti szélesedés olyan hatásoknak köszönhető, amelyek a kibocsátó elem körül egy kis területen érvényesülnek, amely általában elég kicsi ahhoz, hogy a helyi termodinamikai egyensúlyt biztosítsa. A kiterjedt körülmények miatti kiszélesedés a sugárzás spektrális eloszlásának változásaiból eredhet, ahogy a sugárzás a megfigyelőhöz vezető útját bejárja. Eredhet több, egymástól távol eső régióból származó sugárzás egyesüléséből is.

Helyi hatások miatti szélesedésSzerkesztés

Természetes szélesedésSzerkesztés

A gerjesztett állapotok élettartama természetes szélesedést, más néven élettartam-szélesedést eredményez. A bizonytalansági elv egy gerjesztett állapot élettartamát (spontán sugárzási bomlás vagy Auger-folyamat következtében) az energiájának bizonytalanságával hozza összefüggésbe. A rövid élettartam nagy energiabizonytalansággal és széles emisszióval jár. Ez a kiszélesedő hatás eltolatlan Lorentz-féle profilt eredményez. A természetes szélesedés kísérletileg csak annyiban változtatható meg, hogy a bomlási sebességeket mesterségesen elnyomhatjuk vagy fokozhatjuk.

Termikus Doppler-szélesedésSzerkesztés

A gázban lévő, sugárzást kibocsátó atomok sebességeloszlása. Minden egyes kibocsátott foton “vörös”- vagy “kék”-eltolódást szenved a Doppler-effektus miatt, attól függően, hogy az atom milyen sebességgel mozog a megfigyelőhöz képest. Minél magasabb a gáz hőmérséklete, annál szélesebb a sebességek eloszlása a gázban. Mivel a színképvonal az összes kibocsátott sugárzás kombinációja, minél magasabb a gáz hőmérséklete, annál szélesebb a gázból kibocsátott színképvonal. Ezt a kiszélesedő hatást egy Gauss-profil írja le, és nincs hozzá kapcsolódó eltolódás.

NyomásszélesedésSzerkesztés

A közeli részecskék jelenléte befolyásolja az egyes részecskék által kibocsátott sugárzást. Ez két határesetben következik be:

• Ütközéses nyomásbővülés vagy ütközéses szélesedés: Más részecskék ütközése a fényt kibocsátó részecskével megszakítja a kibocsátási folyamatot, és a folyamat jellemző idejének lerövidítésével növeli a kibocsátott energia bizonytalanságát (mint a természetes szélesedésnél). Az ütközés időtartama sokkal rövidebb, mint a kibocsátási folyamat élettartama. Ez a hatás a gáz sűrűségétől és hőmérsékletétől is függ. A kiszélesedési hatást Lorentzi profil írja le, és ehhez társulhat eltolódás is.
• Kvázisztatikus nyomásszélesedés: Más részecskék jelenléte eltolja a kibocsátó részecske energiaszintjeit, ezáltal megváltoztatja a kibocsátott sugárzás frekvenciáját. A hatás időtartama jóval hosszabb, mint a kibocsátási folyamat élettartama. Ez a hatás függ a gáz sűrűségétől, de a hőmérsékletre meglehetősen érzéketlen. A vonalprofil alakját a zavaró erőnek a zavaró részecskétől való távolság függvényében meghatározott funkcionális alakja határozza meg. Előfordulhat a vonal középpontjának eltolódása is. A kvázisztatikus nyomásszélesedésből eredő vonalalak általános kifejezése a Gauss-eloszlás 4 paraméteres általánosítása, amelyet stabil eloszlásnak nevezünk.

A nyomásszélesedés a perturbáló erő jellege szerint is osztályozható az alábbiak szerint:

• A lineáris Stark-szélesedés a lineáris Stark-effektus révén jön létre, amely egy sugárzónak egy töltött részecske elektromos mezejével való kölcsönhatásából adódik r {\displaystyle r} távolságban.
  

  , ami a térerősséggel lineárisan változó energiaváltozást okoz. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• A rezonancia kiszélesedése akkor következik be, ha a perturbáló részecske ugyanolyan típusú, mint a kibocsátó részecske, ami bevezeti az energiacsere-folyamat lehetőségét. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• A kvadratikus Stark-szélesedés a kvadratikus Stark-effektus révén jön létre, amely egy emitter és egy elektromos tér kölcsönhatásából adódik, és a térerősséggel négyzetes energiaváltozást okoz. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1 / r^{4})}
  
• A Van der Waals-szélesedés akkor következik be, amikor a kibocsátó részecskét Van der Waals-erők perturbálják. Kvázisztatikus esetben a Van der Waals-profil gyakran hasznos a profil leírására. Az energia eltolódását a távolság függvényében a szárnyakban pl. a Lennard-Jones-potenciál adja meg. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

Inhomogén kiszélesedésSzerkesztés

Az inhomogén kiszélesedés egy általános kifejezés arra a kiszélesedésre, amely azért következik be, mert egyes emittáló részecskék más helyi környezetben vannak, mint mások, és ezért más frekvencián emittálnak. Ezt a kifejezést különösen szilárd testek esetében használják, ahol a felületek, a szemcsehatárok és a sztöchiometriai eltérések különböző helyi környezeteket hozhatnak létre egy adott atom számára. Folyadékokban az inhomogén kiszélesedés hatásait néha egy mozgási szűkítésnek nevezett folyamat csökkenti.

Nem lokális hatások miatti kiszélesedésSzerkesztés

A kiszélesedés bizonyos típusai nem egyszerűen a kibocsátó részecske lokális körülményeinek, hanem a tér nagy területén uralkodó körülményeknek az eredményei.

Átlátszatlansági szélesedésSzerkesztés

A tér egy adott pontján kibocsátott elektromágneses sugárzás a térben való utazása során újra elnyelődhet. Ez az elnyelés a hullámhossz függvénye. A vonal kiszélesedik, mert a vonal középpontjában lévő fotonoknak nagyobb az újraelnyelési valószínűsége, mint a vonalszárnyakon lévő fotonoknak. Sőt, a vonal középpontja közelében a reabszorpció olyan nagy lehet, hogy önmegfordítást okoz, amelyben a vonal középpontjában az intenzitás kisebb, mint a vonalszárnyakban. Ezt a folyamatot néha önelnyelésnek is nevezik.

Makroszkopikus Doppler-szélesedésSzerkesztés

A mozgó forrás által kibocsátott sugárzás a véges látóirányú sebesség vetülete miatt Doppler-eltolódásnak van kitéve. Ha a kibocsátó test különböző részei különböző sebességűek (a látóirány mentén), akkor a keletkező vonal kiszélesedik, a vonal szélessége pedig arányos a sebességeloszlás szélességével. Például egy távoli forgó test, például egy csillag által kibocsátott sugárzás kiszélesedik a csillag ellentétes oldalán lévő látóirányú sebességváltozások miatt. Minél nagyobb a forgási sebesség, annál szélesebb a vonal. Egy másik példa egy implodáló plazmahéj egy Z-pinchben.

Sugárzásos kiszélesedésSzerkesztés

A spektrális abszorpciós profil sugárzásos kiszélesedése azért következik be, mert a profil közepén lévő rezonáns abszorpció sokkal kisebb intenzitással telítődik, mint a rezonancián kívüli szárnyak. Ezért az intenzitás növekedésével az abszorpció a szárnyakban gyorsabban növekszik, mint a középpontban, ami a profil kiszélesedéséhez vezet. A sugárzási kiszélesedés még nagyon alacsony fényintenzitásoknál is bekövetkezik.

Kombinált hatásokSzerkesztés

Ezek a mechanizmusok mindegyike működhet önmagában vagy másokkal együtt. Feltételezve, hogy mindegyik hatás független, a megfigyelt vonalprofil az egyes mechanizmusok vonalprofiljainak konvolúciója. Például a termikus Doppler-szélesedés és a becsapódási nyomás-szélesedés kombinációja Voigt-profilt eredményez.

A különböző vonalszélesedési mechanizmusok azonban nem mindig függetlenek egymástól. Például az ütközéses hatások és a mozgási Doppler-eltolódások együttesen is hathatnak, ami bizonyos körülmények között még ütközéses szűkülést is eredményezhet, amit Dicke-effektusnak nevezünk.