スペクトル線 | Marea Brava

スペクトル線の形状を制御する効果はいくつかある。スペクトル線は、単一の周波数ではなく、ある周波数範囲に広がっている（つまり、線幅がゼロではない）。また、その中心は、公称中心波長からずれることがある。このような拡がりやずれにはいくつかの理由がある。これらの理由は、局所的な条件による広がりと、拡張的な条件による広がりの2つに大別される。局所的な条件による拡がりは、発光素子の周囲の小さな領域、通常は局所的な熱力学的平衡を保証するのに十分な大きさで保持される効果によるものである。拡張条件による拡がりは、放射が観測者に到達するまでの経路を通過する際に、放射のスペクトル分布が変化することによって生じる場合がある。

局所効果による拡がり編集

自然拡がり編集

励起状態の寿命により自然拡がり、寿命拡がりとして知られている。不確定性原理は、（自然放射減衰またはオージェ過程による）励起状態の寿命とそのエネルギーの不確定性を関係づけています。寿命が短いとエネルギーの不確かさが大きくなり、発光がブロードになる。このブロードニング効果により、ローレンツ分布はシフトしない。 5331>

熱ドップラー拡がり編集

Main article: ドップラー拡がり

放射線を出している気体中の原子は、速度分布を持っています。放射された各光子は、観測者に対する原子の相対速度に応じて、ドップラー効果により「赤」または「青」にシフトされます。ガスの温度が高いほど、ガス内の速度分布は広くなります。スペクトル線は、放出されるすべての放射線の組み合わせなので、ガスの温度が高いほど、そのガスから放出されるスペクトル線はより広くなります。

Pressure broadeningEdit

近接した粒子の存在は、個々の粒子から放射される放射線に影響を及ぼします。

衝撃的圧力幅または衝突幅の拡大。発光粒子と他の粒子との衝突によって発光プロセスが中断され、プロセスの特性時間が短くなることによって、放出されるエネルギーの不確かさが増大する（自然拡がりで起こるように）。衝突の持続時間は、発光過程の寿命よりはるかに短い。この効果は、ガスの密度と温度の両方に依存する。ブロードニング効果はローレンツプロファイルで記述され、関連するシフトがある場合もある。
Quasistatic Pressure Broadening（準静的圧力ブロードニング）。他の粒子の存在によって放出粒子のエネルギー準位がシフトし、それによって放出される放射線の周波数が変化する。影響の持続時間は発光過程の寿命よりはるかに長い。この効果はガスの密度に依存するが、温度にはあまり影響されない。線状プロファイルの形は、摂動粒子からの距離に対する摂動力の関数形によって決定される。また、線の中心がずれることもある。準静的圧力幅拡大から生じる線形の一般式は、安定分布として知られるガウス分布の4パラメータ一般化である。

圧力幅の広がりは、摂動する力の性質によって次のように分類することもできる：

線形シュタルク効果による線形幅広がりは、距離r{displaystyle r}においてエミッタと荷電粒子の電場との相互作用から起こる。

のように、電界の強さに比例してエネルギーがシフトしてしまうのである。 ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {displaystyle (\Delta Esim 1/r^{2})}} 。
共鳴拡がりは摂動粒子が放出粒子と同種の場合に起こり、エネルギー交換過程の可能性が導入される。 ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {Displaystyle (\Delta Esim 1/r^{3})}} 。
二次シュタルク拡がりは、エミッタと電界との相互作用によって生じる二次シュタルク効果によって起こり、電界強度の二次的なエネルギーシフトを引き起こします。 ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {Displaystyle (\Delta Esim 1/r^{4})}} {Displaystyle (\Delta Esim 1/r^{4})
ファンデルワールス拡がりは、放出粒子がファンデルワールス力によって摂動されているときに発生する。準静的な場合、ファンデルワールスプロファイルを記述することがしばしば有効である。距離の関数としてのエネルギーシフトは、例えばLennard-Jonesポテンシャルによって翼に与えられます。 ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {displaystyle (\Delta Esim 1/r^{6})} }.

Inhomogeneous broadeningEdit

Inhomogeneous broadeningとは、ある発光粒子が他と異なる局所環境にあるため、異なる周波数で放射されることによる拡がりを総称したものである。この用語は、表面、粒界、化学量論的変化により、ある原子が占有するさまざまな局所環境を作り出すことができる固体に対して特に使用される。

非局所的効果による拡がり編集

ある種の拡がりは、単に放出粒子の局所的な条件ではなく、空間の大きな領域にわたる条件の結果である。

Opacity broadeningEdit

空間の特定地点で放射された電磁波は、空間を通過する際に再吸収されることがあります。この吸収は波長に依存します。線幅が広くなるのは、線中心の光子が線端の光子よりも再吸収される確率が高いからです。実際、線分中心付近の再吸収が大きすぎて、線分中心の強度がウィングより小さくなる自己反転を起こすことがある。 5331>

Macroscopic Doppler Broadening Edit

移動する光源から放射される放射線は、有限な視線速度射影によるドップラーシフトを受ける。放出体の異なる部分が（視線に沿って）異なる速度を持っている場合、結果として得られる線は、速度分布の幅に比例して線幅が広がることになります。例えば、恒星のような遠方の回転体から放射される光は、恒星の反対側で視線方向の速度が変化するため、線幅が広くなります。自転速度が大きいほど、線幅は広くなる。

Radiative broadeningEdit

Radiative broadening of the spectral absorption profile occurs because the on-resonance absorption in the center is saturated at much low intensities than the off-resonant wings.これは、スペクトル吸収プロファイルの中央の共鳴吸収が、オフ共鳴翼よりはるかに低い強度で飽和するためです。したがって、強度が上昇すると、翼の吸収が中央の吸収より速く上昇し、プロファイルの幅が広がることになる。

複合効果編集

これらのメカニズムはそれぞれ単独で、あるいは他のものと組み合わせて作用することがあります。それぞれの効果が独立していると仮定すると、観測されるラインプロファイルは各機構のラインプロファイルの畳み込みとなる。例えば、熱ドップラー拡がりと衝突圧力拡がりを組み合わせるとVoigtプロファイルになる。

しかし、異なる線幅拡大機構は必ずしも独立ではない。例えば、衝突効果と運動ドップラーシフトはコヒーレントに作用し、ある条件下ではディッケ効果として知られる衝突による狭帯域化さえ生じることがある

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