Istnieje szereg efektów, które kontrolują kształt linii spektralnej. Linia spektralna rozciąga się na zakres częstotliwości, a nie na pojedynczą częstotliwość (tj. ma niezerową szerokość linii). Ponadto, jej środek może być przesunięty w stosunku do nominalnej długości fali centralnej. Istnieje kilka powodów takiego poszerzenia i przesunięcia. Przyczyny te można podzielić na dwie ogólne kategorie – poszerzenie wynikające z warunków lokalnych i poszerzenie wynikające z warunków rozszerzonych. Poszerzenie wynikające z warunków lokalnych jest spowodowane efektami, które występują w małym obszarze wokół elementu emitującego, zwykle wystarczająco małym, aby zapewnić lokalną równowagę termodynamiczną. Poszerzenie wynikające z warunków rozszerzonych może wynikać ze zmian w rozkładzie widmowym promieniowania podczas pokonywania drogi do obserwatora. Może również wynikać z połączenia promieniowania z wielu regionów, które są od siebie oddalone.

Poszerzenie spowodowane efektami lokalnymiEdit

Poszerzenie naturalneEdit

Czas życia stanów wzbudzonych powoduje poszerzenie naturalne, znane również jako poszerzenie żywotnościowe. Zasada nieoznaczoności wiąże czas życia stanu wzbudzonego (w wyniku spontanicznego rozpadu promieniotwórczego lub procesu Augera) z niepewnością jego energii. Krótki czas życia będzie miał dużą niepewność energetyczną i szeroką emisję. Ten efekt poszerzenia skutkuje nie przesuniętym profilem lorentziańskim. Naturalne poszerzenie może być eksperymentalnie zmienione tylko do tego stopnia, że szybkości rozpadu mogą być sztucznie stłumione lub wzmocnione.

Termiczne poszerzenie dopplerowskieEdit

Atomy w gazie, które emitują promieniowanie, będą miały rozkład prędkości. Każdy emitowany foton będzie „czerwony”- lub „niebieski”- przesunięty przez efekt Dopplera w zależności od prędkości atomu względem obserwatora. Im wyższa temperatura gazu, tym szerszy rozkład prędkości w gazie. Ponieważ linia spektralna jest kombinacją całego emitowanego promieniowania, im wyższa temperatura gazu, tym szersza jest linia spektralna emitowana z tego gazu. Ten efekt poszerzenia jest opisany przez profil gaussowski i nie ma związanego z nim przesunięcia.

Poszerzenie ciśnienioweEdit

Obecność pobliskich cząstek wpłynie na promieniowanie emitowane przez pojedynczą cząstkę. Istnieją dwa ograniczające przypadki, w których to następuje:

• Poszerzenie ciśnieniowe zderzeniowe lub poszerzenie kolizyjne: Zderzenie innych cząstek z cząstką emitującą światło przerywa proces emisji i poprzez skrócenie czasu charakterystycznego dla tego procesu zwiększa niepewność emitowanej energii (jak to ma miejsce w poszerzeniu naturalnym). Czas trwania zderzenia jest znacznie krótszy od czasu życia procesu emisji. Efekt ten zależy zarówno od gęstości jak i temperatury gazu. Efekt poszerzenia opisywany jest profilem lorentziańskim i może występować związane z nim przesunięcie.
• Quasistatyczne poszerzenie ciśnieniowe: Obecność innych cząstek przesuwa poziomy energetyczne w emitującej cząstce, zmieniając w ten sposób częstotliwość emitowanego promieniowania. Czas trwania tego oddziaływania jest znacznie dłuższy niż czas życia procesu emisji. Efekt ten zależy od gęstości gazu, ale jest raczej niewrażliwy na temperaturę. Postać profilu linii jest zdeterminowana przez postać funkcyjną siły perturbującej względem odległości od cząstki perturbującej. Może również wystąpić przesunięcie środka linii. Ogólnym wyrażeniem na kształt linii wynikający z kwazistatycznego poszerzenia ciśnienia jest 4-parametrowe uogólnienie rozkładu gaussowskiego znane jako rozkład stabilny.

Poszerzenie ciśnienia można również sklasyfikować ze względu na charakter siły perturbującej w następujący sposób:

• Liniowe poszerzenie Starka zachodzi poprzez liniowy efekt Starka, który wynika z oddziaływania emitera z polem elektrycznym naładowanej cząstki w odległości r {{displaystyle r}
  

  , powodując przesunięcie energii, które jest liniowe w stosunku do natężenia pola. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {displaystyle (delta E 1/r^{2})}

  
• Poszerzenie rezonansowe występuje, gdy cząstka perturbująca jest tego samego typu co cząstka emitująca, co wprowadza możliwość procesu wymiany energii. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {displaystyle (delta E 1/r^{3})}
  
• Kwadratowe poszerzenie Starka występuje poprzez kwadratowy efekt Starka, który wynika z oddziaływania emitera z polem elektrycznym, powodując przesunięcie energii, które jest kwadratowe w natężeniu pola. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {displaystyle (ΔDelta E 1/r^{4})}
  
• Poszerzenie Van der Waalsa występuje, gdy emitująca cząstka jest perturbowana przez siły Van der Waalsa. Dla przypadku quasistatycznego, profil Van der Waalsa jest często przydatny do opisania profilu. Przesunięcie energii w funkcji odległości jest dane w skrzydłach przez np. potencjał Lennarda-Jonesa. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {delta E ∼ 1/r^{6})}
  

Poszerzenie niejednorodneEdit

Poszerzenie niejednorodne to ogólny termin określający poszerzenie spowodowane tym, że niektóre emitujące cząstki znajdują się w innym środowisku lokalnym niż inne i dlatego emitują z inną częstotliwością. Termin ten jest używany szczególnie dla ciał stałych, gdzie powierzchnie, granice ziaren i zmiany stechiometrii mogą tworzyć różne środowiska lokalne dla danego atomu. W cieczach efekty niejednorodnego poszerzenia są czasami redukowane przez proces zwany zwężeniem ruchowym.

Poszerzenie spowodowane efektami nielokalnymiEdit

Niektóre rodzaje poszerzeń są wynikiem warunków panujących w dużym obszarze przestrzeni, a nie po prostu na warunkach, które są lokalne dla emitującej cząstki.

Poszerzenie optyczneEdit

Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane w danym punkcie przestrzeni może być ponownie pochłaniane podczas podróży przez przestrzeń. Ta absorpcja zależy od długości fali. Linia jest poszerzona, ponieważ fotony w centrum linii mają większe prawdopodobieństwo reabsorpcji niż fotony na skrzydłach linii. Rzeczywiście, reabsorpcja w pobliżu centrum linii może być tak duża, że spowoduje samoodwrócenie, w którym intensywność w centrum linii jest mniejsza niż w skrzydłach. Proces ten jest również czasami nazywany self-absorption.

Makroskopowe poszerzenie dopplerowskieEdit

Promieniowanie emitowane przez poruszające się źródło podlega przesunięciu dopplerowskiemu z powodu skończonej projekcji prędkości linii wzroku. Jeśli różne części emitującego ciała mają różne prędkości (wzdłuż linii widzenia), linia wynikowa będzie poszerzona, z szerokością linii proporcjonalną do szerokości rozkładu prędkości. Na przykład, promieniowanie emitowane z odległego obracającego się ciała, takiego jak gwiazda, będzie poszerzone z powodu zmian prędkości na linii wzroku po przeciwnych stronach gwiazdy. Im większa prędkość rotacji, tym szersza linia. Innym przykładem jest implodująca powłoka plazmowa w Z-pinch.

Poszerzenie radiacyjneEdit

Radiatorowe poszerzenie spektralnego profilu absorpcji występuje, ponieważ absorpcja on-rezonansowa w centrum profilu jest nasycona przy znacznie niższych natężeniach niż skrzydła off-rezonansowe. Dlatego, gdy intensywność wzrasta, absorpcja w skrzydłach rośnie szybciej niż absorpcja w centrum, co prowadzi do poszerzenia profilu. Poszerzenie radiacyjne występuje nawet przy bardzo niskich natężeniach światła.

Efekty łączoneEdit

Każdy z tych mechanizmów może działać w izolacji lub w połączeniu z innymi. Zakładając, że każdy efekt jest niezależny, obserwowany profil linii jest połączeniem profili linii każdego z mechanizmów. Na przykład, kombinacja termicznego poszerzenia dopplerowskiego i poszerzenia ciśnienia uderzenia daje profil Voigta.

Jednakże różne mechanizmy poszerzania linii nie zawsze są niezależne. Na przykład efekty zderzeniowe i ruchowe przesunięcia dopplerowskie mogą działać w sposób koherentny, powodując w pewnych warunkach nawet kolizyjne zwężenie, znane jako efekt Dicke’a.

.