Hay una serie de efectos que controlan la forma de la línea espectral. Una línea espectral se extiende sobre un rango de frecuencias, no sobre una única frecuencia (es decir, tiene un ancho de línea distinto de cero). Además, su centro puede estar desplazado de su longitud de onda central nominal. Este ensanchamiento y desplazamiento puede deberse a varias razones. Estas razones pueden dividirse en dos categorías generales: el ensanchamiento debido a las condiciones locales y el ensanchamiento debido a las condiciones extendidas. El ensanchamiento debido a las condiciones locales se debe a los efectos que se producen en una pequeña región alrededor del elemento emisor, normalmente lo suficientemente pequeña como para asegurar el equilibrio termodinámico local. El ensanchamiento debido a condiciones extendidas puede ser el resultado de cambios en la distribución espectral de la radiación a medida que atraviesa su camino hacia el observador. También puede ser el resultado de la combinación de la radiación procedente de varias regiones alejadas entre sí.

Ensanchamiento debido a efectos localesEditar

Ensanchamiento naturalEditar

El tiempo de vida de los estados excitados da lugar a un ensanchamiento natural, también conocido como ensanchamiento de vida. El principio de incertidumbre relaciona el tiempo de vida de un estado excitado (debido al decaimiento radiativo espontáneo o al proceso Auger) con la incertidumbre de su energía. Un tiempo de vida corto tendrá una gran incertidumbre energética y una emisión amplia. Este efecto de ensanchamiento da lugar a un perfil lorentziano no desplazado. El ensanchamiento natural puede ser alterado experimentalmente sólo en la medida en que las tasas de decaimiento pueden ser suprimidas o aumentadas artificialmente.

Ensanchamiento Doppler térmicoEditar

Los átomos de un gas que emiten radiación tendrán una distribución de velocidades. Cada fotón emitido será desplazado al «rojo» o al «azul» por el efecto Doppler dependiendo de la velocidad del átomo con respecto al observador. Cuanto mayor sea la temperatura del gas, más amplia será la distribución de velocidades en el gas. Dado que la línea espectral es una combinación de toda la radiación emitida, cuanto mayor sea la temperatura del gas, más amplia será la línea espectral emitida por ese gas. Este efecto de ensanchamiento se describe mediante un perfil gaussiano y no hay desplazamiento asociado.

Ensanchamiento por presiónEditar

La presencia de partículas cercanas afectará a la radiación emitida por una partícula individual. Hay dos casos límite por los que esto ocurre:

• Ensanchamiento por presión de impacto o ensanchamiento por colisión: La colisión de otras partículas con la partícula emisora de luz interrumpe el proceso de emisión, y al acortar el tiempo característico del proceso, aumenta la incertidumbre en la energía emitida (como ocurre en el ensanchamiento natural). La duración de la colisión es mucho más corta que el tiempo de vida del proceso de emisión. Este efecto depende tanto de la densidad como de la temperatura del gas. El efecto de ensanchamiento se describe mediante un perfil lorentziano y puede haber un desplazamiento asociado.
• Ensanchamiento de presión cuasistático: La presencia de otras partículas desplaza los niveles de energía en la partícula emisora, alterando así la frecuencia de la radiación emitida. La duración de la influencia es mucho mayor que el tiempo de vida del proceso de emisión. Este efecto depende de la densidad del gas, pero es bastante insensible a la temperatura. La forma del perfil de la línea viene determinada por la forma funcional de la fuerza perturbadora con respecto a la distancia de la partícula perturbadora. También puede haber un desplazamiento del centro de la línea. La expresión general para la forma de la línea resultante del ensanchamiento de la presión cuasiestática es una generalización de 4 parámetros de la distribución gaussiana conocida como distribución estable.

El ensanchamiento de la presión también puede clasificarse según la naturaleza de la fuerza perturbadora de la siguiente manera:

• El ensanchamiento Stark lineal se produce a través del efecto Stark lineal, que resulta de la interacción de un emisor con un campo eléctrico de una partícula cargada a una distancia r {\displaystyle r}
  

  , provocando un desplazamiento de la energía que es lineal en la intensidad del campo. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• El ensanchamiento de la resonancia se produce cuando la partícula perturbadora es del mismo tipo que la partícula emisora, lo que introduce la posibilidad de un proceso de intercambio de energía. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• El ensanchamiento Stark cuadrático se produce a través del efecto Stark cuadrático, que resulta de la interacción de un emisor con un campo eléctrico, provocando un desplazamiento de la energía que es cuadrático en la intensidad del campo. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• El ensanchamiento de Van der Waals se produce cuando la partícula emisora está siendo perturbada por las fuerzas de Van der Waals. Para el caso cuasiestático, un perfil de Van der Waals suele ser útil para describir el perfil. El desplazamiento de energía en función de la distancia viene dado en las alas por, por ejemplo, el potencial de Lennard-Jones ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

El ensanchamiento inhomogéneoEditar

El ensanchamiento inhomogéneo es un término general para el ensanchamiento debido a que algunas partículas emisoras se encuentran en un entorno local diferente al de otras, y por lo tanto emiten a una frecuencia diferente. Este término se utiliza especialmente para los sólidos, donde las superficies, los límites de los granos y las variaciones de estequiometría pueden crear una variedad de entornos locales para que un átomo determinado los ocupe. En los líquidos, los efectos del ensanchamiento no homogéneo se reducen a veces por un proceso llamado estrechamiento de movimiento.

Ensanchamiento debido a efectos no localesEditar

Ciertos tipos de ensanchamiento son el resultado de las condiciones en una gran región del espacio en lugar de simplemente en las condiciones que son locales a la partícula emisora.

Ampliación de la opacidadEditar

La radiación electromagnética emitida en un punto concreto del espacio puede ser reabsorbida mientras viaja por el espacio. Esta absorción depende de la longitud de onda. La línea se ensancha porque los fotones en el centro de la línea tienen una mayor probabilidad de reabsorción que los fotones en las alas de la línea. De hecho, la reabsorción cerca del centro de la línea puede ser tan grande como para causar una autoinversión en la que la intensidad en el centro de la línea es menor que en las alas. Este proceso también se denomina a veces autoabsorción.

Ensanchamiento Doppler macroscópicoEditar

La radiación emitida por una fuente en movimiento está sujeta a un desplazamiento Doppler debido a una proyección de velocidad de la línea de visión finita. Si diferentes partes del cuerpo emisor tienen diferentes velocidades (a lo largo de la línea de visión), la línea resultante se ensanchará, con la anchura de la línea proporcional a la anchura de la distribución de la velocidad. Por ejemplo, la radiación emitida por un cuerpo lejano en rotación, como una estrella, se ensanchará debido a las variaciones de velocidad en la línea de visión en los lados opuestos de la estrella. Cuanto mayor sea la velocidad de rotación, más amplia será la línea. Otro ejemplo es una cáscara de plasma en implosión en un Z-pinch.

Ampliación radiativaEditar

La ampliación radiativa del perfil de absorción espectral se produce porque la absorción en resonancia en el centro del perfil está saturada a intensidades mucho más bajas que las alas fuera de resonancia. Por lo tanto, a medida que aumenta la intensidad, la absorción en las alas aumenta más rápido que la absorción en el centro, lo que conduce a un ensanchamiento del perfil. El ensanchamiento radiativo se produce incluso a intensidades de luz muy bajas.

Efectos combinadosEditar

Cada uno de estos mecanismos puede actuar de forma aislada o en combinación con otros. Asumiendo que cada efecto es independiente, el perfil de línea observado es una convolución de los perfiles de línea de cada mecanismo. Por ejemplo, una combinación del ensanchamiento térmico Doppler y el ensanchamiento por presión de impacto produce un perfil Voigt.

Sin embargo, los diferentes mecanismos de ensanchamiento de líneas no son siempre independientes. Por ejemplo, los efectos colisionales y los desplazamientos Doppler mocionales pueden actuar de forma coherente, dando lugar en algunas condiciones incluso a un estrechamiento colisional, conocido como efecto Dicke.