Ci sono diversi effetti che controllano la forma della linea spettrale. Una linea spettrale si estende su una gamma di frequenze, non su una singola frequenza (cioè, ha una larghezza di linea non nulla). Inoltre, il suo centro può essere spostato dalla sua lunghezza d’onda centrale nominale. Ci sono diverse ragioni per questo allargamento e spostamento. Queste ragioni possono essere divise in due categorie generali – allargamento dovuto a condizioni locali e allargamento dovuto a condizioni estese. L’allargamento dovuto a condizioni locali è dovuto a effetti che si mantengono in una piccola regione intorno all’elemento emittente, di solito abbastanza piccola da assicurare l’equilibrio termodinamico locale. L’allargamento dovuto a condizioni estese può risultare da cambiamenti nella distribuzione spettrale della radiazione mentre attraversa il suo percorso verso l’osservatore. Può anche risultare dalla combinazione di radiazioni provenienti da un certo numero di regioni lontane tra loro.

Allargamento dovuto a effetti localiModifica

Allargamento naturaleModifica

La durata degli stati eccitati provoca un allargamento naturale, noto anche come allargamento della durata. Il principio di incertezza mette in relazione la vita di uno stato eccitato (dovuta al decadimento radiativo spontaneo o al processo Auger) con l’incertezza della sua energia. Una vita breve avrà una grande incertezza energetica e un’emissione ampia. Questo effetto di allargamento risulta in un profilo Lorentziano non spostato. L’allargamento naturale può essere alterato sperimentalmente solo nella misura in cui i tassi di decadimento possono essere artificialmente soppressi o aumentati.

Allargamento Doppler termicoModifica

Gli atomi di un gas che emettono radiazioni avranno una distribuzione di velocità. Ogni fotone emesso sarà “rosso” o “blu” spostato dall’effetto Doppler a seconda della velocità dell’atomo rispetto all’osservatore. Più alta è la temperatura del gas, più ampia è la distribuzione delle velocità nel gas. Poiché la linea spettrale è una combinazione di tutte le radiazioni emesse, più alta è la temperatura del gas, più ampia è la linea spettrale emessa da quel gas. Questo effetto di allargamento è descritto da un profilo gaussiano e non c’è uno spostamento associato.

Allargamento della pressioneModifica

La presenza di particelle vicine influenzerà la radiazione emessa da una singola particella. Ci sono due casi limite in cui questo avviene:

• Allargamento di pressione da impatto o allargamento da collisione: La collisione di altre particelle con la particella che emette luce interrompe il processo di emissione e, accorciando il tempo caratteristico del processo, aumenta l’incertezza dell’energia emessa (come avviene nell’allargamento naturale). La durata della collisione è molto più breve della durata del processo di emissione. Questo effetto dipende sia dalla densità che dalla temperatura del gas. L’effetto di allargamento è descritto da un profilo Lorentziano e ci può essere uno spostamento associato.
• Allargamento quasistatico della pressione: La presenza di altre particelle sposta i livelli di energia nella particella emittente, alterando così la frequenza della radiazione emessa. La durata dell’influenza è molto più lunga della durata del processo di emissione. Questo effetto dipende dalla densità del gas, ma è piuttosto insensibile alla temperatura. La forma del profilo della linea è determinata dalla forma funzionale della forza perturbatrice rispetto alla distanza dalla particella perturbatrice. Ci può essere anche uno spostamento del centro della linea. L’espressione generale per la forma della linea risultante dall’allargamento quasistatico della pressione è una generalizzazione a 4 parametri della distribuzione gaussiana nota come distribuzione stabile.

L’allargamento di pressione può anche essere classificato in base alla natura della forza perturbatrice come segue:

• L’allargamento lineare di Stark si verifica attraverso l’effetto Stark lineare, che risulta dall’interazione di un emettitore con un campo elettrico di una particella carica ad una distanza r {\displaystyle r}
  

  , causando uno spostamento di energia che è lineare nell’intensità del campo. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• L’allargamento di risonanza si verifica quando la particella perturbante è dello stesso tipo della particella emittente, il che introduce la possibilità di un processo di scambio energetico. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• L’allargamento quadratico di Stark avviene tramite l’effetto Stark quadratico, che risulta dall’interazione di un emettitore con un campo elettrico, causando uno spostamento di energia che è quadratico nell’intensità del campo. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• L’allargamento di Van der Waals si verifica quando la particella emittente è perturbata dalle forze di Van der Waals. Per il caso quasistatico, un profilo di Van der Waals è spesso utile per descrivere il profilo. Lo spostamento di energia in funzione della distanza è dato nelle ali dal potenziale di Lennard-Jones. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

Allargamento disomogeneoModifica

L’allargamento disomogeneo è un termine generale per l’allargamento perché alcune particelle emittenti sono in un ambiente locale diverso dalle altre, e quindi emettono ad una frequenza diversa. Questo termine è usato specialmente per i solidi, dove le superfici, i confini dei grani e le variazioni di stechiometria possono creare una varietà di ambienti locali per un dato atomo da occupare. Nei liquidi, gli effetti dell’allargamento disomogeneo sono talvolta ridotti da un processo chiamato restringimento motorio.

Allargamento dovuto a effetti non localiModifica

Alcuni tipi di allargamento sono il risultato di condizioni su una vasta regione di spazio piuttosto che semplicemente su condizioni che sono locali alla particella emittente.

Edit

La radiazione elettromagnetica emessa in un particolare punto dello spazio può essere riassorbita mentre viaggia attraverso lo spazio. Questo assorbimento dipende dalla lunghezza d’onda. La linea è allargata perché i fotoni al centro della linea hanno una maggiore probabilità di riassorbimento rispetto ai fotoni alle ali della linea. Infatti, il riassorbimento vicino al centro della linea può essere così grande da causare un’autoinversione in cui l’intensità al centro della linea è inferiore a quella delle ali. Questo processo è talvolta chiamato anche autoassorbimento.

Ampliamento Doppler macroscopicoModifica

La radiazione emessa da una sorgente in movimento è soggetta allo spostamento Doppler a causa di una proiezione finita della velocità della linea di vista. Se diverse parti del corpo emittente hanno diverse velocità (lungo la linea di vista), la linea risultante sarà allargata, con la larghezza della linea proporzionale alla larghezza della distribuzione della velocità. Per esempio, la radiazione emessa da un corpo rotante lontano, come una stella, sarà allargata a causa delle variazioni di velocità lungo la linea di vista sui lati opposti della stella. Maggiore è il tasso di rotazione, più ampia è la linea. Un altro esempio è un guscio di plasma che implode in una Z-pinch.

Allargamento radiativoModifica

L’allargamento radiativo del profilo di assorbimento spettrale avviene perché l’assorbimento in risonanza al centro del profilo è saturato a intensità molto più basse rispetto alle ali fuori risonanza. Pertanto, quando l’intensità aumenta, l’assorbimento nelle ali aumenta più velocemente dell’assorbimento nel centro, portando ad un allargamento del profilo. L’allargamento radiativo si verifica anche a intensità di luce molto basse.

Effetti combinatiModifica

Ognuno di questi meccanismi può agire da solo o in combinazione con altri. Supponendo che ogni effetto sia indipendente, il profilo di linea osservato è una convoluzione dei profili di linea di ogni meccanismo. Per esempio, una combinazione dell’allargamento Doppler termico e dell’allargamento della pressione di impatto produce un profilo di Voigt.

Tuttavia, i diversi meccanismi di allargamento della linea non sono sempre indipendenti. Per esempio, gli effetti collisionali e gli spostamenti Doppler mozionali possono agire in modo coerente, risultando in alcune condizioni anche in un restringimento collisionale, noto come effetto Dicke.