Er zijn een aantal effecten die de vorm van een spectraallijn bepalen. Een spectraallijn strekt zich uit over een reeks frequenties, niet over één enkele frequentie (d.w.z. zij heeft een lijnbreedte die niet nul is). Bovendien kan het centrum verschoven zijn ten opzichte van de nominale centrale golflengte. Er zijn verschillende redenen voor deze verbreding en verschuiving. Deze oorzaken kunnen in twee algemene categorieën worden onderverdeeld – verbreding ten gevolge van plaatselijke omstandigheden en verbreding ten gevolge van uitgebreide omstandigheden. Verbreding ten gevolge van plaatselijke omstandigheden is het gevolg van effecten die in een klein gebied rond het emitterende element optreden, gewoonlijk klein genoeg om een plaatselijk thermodynamisch evenwicht te verzekeren. Verbreding ten gevolge van uitgebreide omstandigheden kan het gevolg zijn van veranderingen in de spectrale verdeling van de straling tijdens de weg die deze aflegt naar de waarnemer. Zij kan ook het gevolg zijn van de combinatie van straling uit een aantal ver van elkaar gelegen gebieden.

Verruiming door lokale effectenEdit

Natuurlijke verbredingEdit

De levensduur van aangeslagen toestanden resulteert in natuurlijke verbreding, ook bekend als levensduurverruiming. Het onzekerheidsprincipe relateert de levensduur van een aangeslagen toestand (als gevolg van spontaan radiatief verval of het Auger-proces) aan de onzekerheid van zijn energie. Een korte levensduur zal een grote energie-onzekerheid en een brede emissie hebben. Dit verbredingseffect resulteert in een niet-verschoven lorentzisch profiel. De natuurlijke verbreding kan experimenteel slechts in zoverre worden veranderd dat de vervalsnelheden kunstmatig kunnen worden onderdrukt of versterkt.

Thermische Doppler-verbredingEdit

De atomen in een gas die straling uitzenden zullen een verdeling van snelheden hebben. Elk uitgezonden foton zal “rood”- of “blauw”-verschoven zijn door het dopplereffect, afhankelijk van de snelheid van het atoom ten opzichte van de waarnemer. Hoe hoger de temperatuur van het gas, hoe breder de verdeling van de snelheden in het gas. Aangezien de spectraallijn een combinatie is van alle uitgezonden straling, geldt dat hoe hoger de temperatuur van het gas is, hoe breder de spectraallijn is die door dat gas wordt uitgezonden. Dit verbredingseffect wordt beschreven door een Gaussisch profiel en er is geen bijbehorende verschuiving.

DrukverbredingEdit

De aanwezigheid van nabije deeltjes zal de door een individueel deeltje uitgezonden straling beïnvloeden. Er zijn twee beperkende gevallen waarin dit gebeurt:

• Drukverbreding door botsing of botsingsverbreding: De botsing van andere deeltjes met het lichtuitzendende deeltje onderbreekt het emissieproces, en vergroot door verkorting van de karakteristieke tijd voor het proces, de onzekerheid in de uitgezonden energie (zoals optreedt bij natuurlijke verbreding). De duur van de botsing is veel korter dan de levensduur van het emissieproces. Dit effect hangt af van zowel de dichtheid als de temperatuur van het gas. Het verbredingseffect wordt beschreven door een Lorentzisch profiel en er kan een bijbehorende verschuiving optreden.
• Quasistatische drukverbreding: Door de aanwezigheid van andere deeltjes verschuiven de energieniveaus in het uitzendende deeltje, waardoor de frequentie van de uitgezonden straling verandert. De duur van de beïnvloeding is veel langer dan de levensduur van het emissieproces. Dit effect hangt af van de dichtheid van het gas, maar is tamelijk ongevoelig voor temperatuur. De vorm van het lijnprofiel wordt bepaald door de functionele vorm van de storende kracht met betrekking tot de afstand tot het storende deeltje. Er kan ook een verschuiving in het centrum van de lijn optreden. De algemene uitdrukking voor de lijnvorm als gevolg van quasistatische drukverbreding is een 4-parameter veralgemening van de Gaussische verdeling die bekend staat als een stabiele verdeling.

Drukverruiming kan ook als volgt naar de aard van de storende kracht worden ingedeeld:

• Lineaire Stark-verruiming treedt op via het lineaire Stark-effect, dat ontstaat door de wisselwerking van een emitter met een elektrisch veld van een geladen deeltje op een afstand r {displaystyle r}
  

  , waardoor een energieverschuiving optreedt die lineair is met de veldsterkte. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• Resonantieverruiming treedt op wanneer het verstorende deeltje van hetzelfde type is als het zendende deeltje, waardoor de mogelijkheid van een energie-uitwisselingsproces wordt geïntroduceerd. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• Kwadratische Stark-verruiming treedt op door het kwadratische Stark-effect, dat ontstaat door de wisselwerking van een emitter met een elektrisch veld, waardoor een energieverschuiving optreedt die kwadratisch is met de veldsterkte. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• Van der Waals verbreding treedt op wanneer het zendende deeltje door Van der Waals krachten wordt verstoord. Voor het quasistatische geval is een Van der Waals profiel vaak nuttig om het profiel te beschrijven. De energieverschuiving als functie van de afstand wordt in de vleugels gegeven door b.v. de Lennard-Jones potentiaal ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

Inhomogene verbredingEdit

Inhomogene verbreding is een algemene term voor verbreding omdat sommige uitstralende deeltjes zich in een andere lokale omgeving bevinden dan andere, en daardoor met een andere frequentie uitzenden. Deze term wordt vooral gebruikt voor vaste stoffen, waar oppervlakken, korrelgrenzen en stoichiometrie-variaties een verscheidenheid van lokale omgevingen kunnen creëren waarin een bepaald atoom kan vertoeven. In vloeistoffen, worden de gevolgen van inhomogene verbreding soms verminderd door een proces dat motional narrowing wordt genoemd.

Verbreiding toe te schrijven aan niet-lokale effectenEdit

Zekere types van verbreding zijn het resultaat van voorwaarden over een groot gebied van ruimte eerder dan eenvoudig op voorwaarden die lokaal aan het uitzendende deeltje zijn.

OpaciteitsverruimingEdit

Elektromagnetische straling die op een bepaald punt in de ruimte wordt uitgezonden, kan tijdens haar reis door de ruimte worden geabsorbeerd. Deze absorptie is afhankelijk van de golflengte. De lijn wordt verbreed omdat de fotonen in het centrum van de lijn een grotere kans op reabsorptie hebben dan de fotonen aan de vleugels van de lijn. De herabsorptie nabij het centrum van de lijn kan zelfs zo groot zijn dat een zelfomkering optreedt, waarbij de intensiteit in het centrum van de lijn lager is dan in de vleugels. Dit proces wordt ook wel zelfabsorptie genoemd.

Macroscopische Doppler-verruimingEdit

Straling uitgezonden door een bewegende bron is onderhevig aan Doppler-verschuiving ten gevolge van een eindige projectie van de snelheid van de zichtlijn. Als verschillende delen van het uitzendende lichaam verschillende snelheden hebben (langs de gezichtslijn), zal de resulterende lijn worden verbreed, waarbij de lijnbreedte evenredig is met de breedte van de snelheidsverdeling. Straling afkomstig van een ver weg gelegen roterend lichaam, zoals een ster, zal bijvoorbeeld worden verbreed als gevolg van de line-of-sight variaties in snelheid aan de tegenoverliggende zijden van de ster. Hoe groter de rotatiesnelheid, hoe breder de lijn. Een ander voorbeeld is een imploderende plasmaschil in een Z-pinch.

Radiatieve verbredingEdit

Radiatieve verbreding van het spectrale absorptieprofiel treedt op omdat de on-resonantie absorptie in het centrum van het profiel verzadigd is bij veel lagere intensiteiten dan de off-resonantie vleugels. Als de intensiteit toeneemt, neemt de absorptie in de vleugels dus sneller toe dan de absorptie in het centrum, wat leidt tot een verbreding van het profiel. Radiatieve verbreding treedt zelfs op bij zeer lage lichtintensiteiten.

Gecombineerde effectenEdit

Elk van deze mechanismen kan op zichzelf werken of in combinatie met andere. In de veronderstelling dat elk effect onafhankelijk is, is het waargenomen lijnprofiel een convolutie van de lijnprofielen van elk mechanisme. Bijvoorbeeld, een combinatie van de thermische Doppler verbreding en de impact druk verbreding geeft een Voigt profiel.

De verschillende lijnverbredingsmechanismen zijn echter niet altijd onafhankelijk. Zo kunnen de botsingseffecten en de beweeglijke Doppler-verschuivingen op een coherente manier werken, wat onder sommige omstandigheden zelfs resulteert in een botsingsvernauwing, bekend als het Dicke-effect.