Há uma série de efeitos que controlam a forma da linha espectral. Uma linha espectral estende-se por uma gama de frequências, não por uma única frequência (isto é, tem uma largura de linha não nula). Além disso, seu centro pode ser deslocado de seu comprimento de onda central nominal. Há várias razões para este alargamento e desvio. Estas razões podem ser divididas em duas categorias gerais – alargamento devido a condições locais e alargamento devido a condições prolongadas. O alargamento devido às condições locais é devido a efeitos que se mantêm numa pequena região ao redor do elemento emissor, geralmente pequena o suficiente para assegurar o equilíbrio termodinâmico local. O alargamento devido a condições prolongadas pode resultar de alterações na distribuição espectral da radiação à medida que esta atravessa o seu caminho até ao observador. Também pode resultar da combinação de radiação de várias regiões que estão longe umas das outras.

Alargamento devido aos efeitos locaisEditar

Alargamento naturalEditar

A vida útil dos estados excitados resulta no alargamento natural, também conhecido como alargamento da vida útil. O princípio da incerteza relaciona a vida útil de um estado excitado (devido à decomposição radiativa espontânea ou ao processo de Auger) com a incerteza da sua energia. Uma vida curta terá uma grande incerteza energética e uma emissão ampla. Este efeito de alargamento resulta num perfil Lorentziano não deslocado. O alargamento natural pode ser experimentalmente alterado apenas na medida em que as taxas de decaimento podem ser artificialmente suprimidas ou melhoradas.

Alargamento do Doppler TérmicoEditar

Os átomos de um gás que estão emitindo radiação terão uma distribuição de velocidades. Cada fotão emitido será “vermelho” – ou “azul” – deslocado pelo efeito Doppler, dependendo da velocidade do átomo em relação ao observador. Quanto mais alta a temperatura do gás, maior será a distribuição de velocidades no gás. Como a linha espectral é uma combinação de toda a radiação emitida, quanto maior a temperatura do gás, mais larga a linha espectral emitida a partir desse gás. Este efeito de alargamento é descrito por um perfil Gaussiano e não há deslocamento associado.

Alargamento de pressãoEditar

A presença de partículas próximas irá afectar a radiação emitida por uma partícula individual. Há dois casos limitantes pelos quais isto ocorre:

• Ampliação da pressão de impacto ou ampliação por colisão: A colisão de outras partículas com a partícula emissora de luz interrompe o processo de emissão e, ao reduzir o tempo característico do processo, aumenta a incerteza na energia emitida (como ocorre no alargamento natural). A duração da colisão é muito mais curta do que o tempo de vida do processo de emissão. Este efeito depende tanto da densidade como da temperatura do gás. O efeito de alargamento é descrito por um perfil Lorentziano e pode haver um deslocamento associado.
• Alargamento da pressão quasistática: A presença de outras partículas desloca os níveis de energia na partícula emissora, alterando assim a frequência da radiação emitida. A duração da influência é muito maior do que a duração do processo de emissão. Este efeito depende da densidade do gás, mas é bastante insensível à temperatura. A forma do perfil da linha é determinada pela forma funcional da força perturbadora no que diz respeito à distância da partícula perturbadora. Também pode haver um deslocamento no centro da linha. A expressão geral para a forma da linha resultante do alargamento da pressão quasísta é uma generalização de 4 parâmetros da distribuição gaussiana conhecida como distribuição estável.

O alargamento de pressão também pode ser classificado pela natureza da força perturbadora da seguinte forma:

• O alargamento de Stark linear ocorre através do efeito Stark linear, que resulta da interação de um emissor com um campo elétrico de uma partícula carregada a uma distância r {\displaystyle r}
  

  , causando uma mudança na energia que é linear na força do campo. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\i1}displaystyle (Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• Ampliação da ressonância ocorre quando a partícula perturbadora é do mesmo tipo da partícula emissora, o que introduz a possibilidade de um processo de troca de energia. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• O alargamento de Stark quadrático ocorre através do efeito Stark quadrático, que resulta da interacção de um emissor com um campo eléctrico, causando uma mudança na energia que é quadrática na força do campo. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• Van der Waals amplia-se quando a partícula emissora está a ser perturbada pelas forças de Van der Waals. Para o caso quasistatico, um perfil de Van der Waals é frequentemente útil para descrever o perfil. O deslocamento de energia em função da distância é dado nas asas, por exemplo, pelo potencial Lennard-Jones. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

Alargamento não homogêneoEditar

Alargamento não homogêneo é um termo geral para alargamento porque algumas partículas emissoras estão em um ambiente local diferente de outras, e portanto emitem com uma frequência diferente. Este termo é usado especialmente para sólidos, onde superfícies, limites de grãos e variações estequiométricas podem criar uma variedade de ambientes locais para que um determinado átomo possa ocupar. Em líquidos, os efeitos do alargamento não homogéneo são por vezes reduzidos por um processo chamado estreitamento mocional.

Alargamento devido a efeitos não locaisEditar

Determinados tipos de alargamento são o resultado de condições numa grande região do espaço e não simplesmente de condições que são locais à partícula emissora.

Aplicação da opacidadeEditar

A radiação electromagnética emitida num determinado ponto do espaço pode ser reabsorvida à medida que viaja através do espaço. Esta absorção depende do comprimento de onda. A linha é ampliada porque os fótons no centro da linha têm uma probabilidade de reabsorção maior do que os fótons nas asas da linha. De fato, a reabsorção perto do centro da linha pode ser tão grande a ponto de causar uma auto reversão na qual a intensidade no centro da linha é menor do que nas asas. Este processo também é às vezes chamado de auto-absorção.

Ampliação Macroscópica de DopplerEditar

Radiação emitida por uma fonte em movimento está sujeita a deslocamento de Doppler devido a uma projeção finita da velocidade da linha de visão. Se diferentes partes do corpo emissor tiverem velocidades diferentes (ao longo da linha de visão), a linha resultante será ampliada, com a largura da linha proporcional à largura da distribuição da velocidade. Por exemplo, a radiação emitida de um corpo rotativo distante, como uma estrela, será ampliada devido às variações de velocidade da linha de visada em lados opostos da estrela. Quanto maior a taxa de rotação, mais larga será a linha. Outro exemplo é uma concha de plasma implodindo em um pino Z.

Ampliação RadiativaEditar

A ampliação radiativa do perfil de absorção espectral ocorre porque a absorção on-ressonância no centro do perfil é saturada em intensidades muito menores do que as asas off-ressonantes. Portanto, conforme a intensidade aumenta, a absorção nas asas aumenta mais rapidamente do que a absorção no centro, levando a um alargamento do perfil. O alargamento radiativo ocorre mesmo com intensidades de luz muito baixas.

Efeitos combinadosEditar

Cada um destes mecanismos pode agir isoladamente ou em combinação com outros. Assumindo que cada efeito é independente, o perfil de linha observado é uma convolução dos perfis de linha de cada mecanismo. Por exemplo, uma combinação do alargamento do Doppler térmico e o alargamento da pressão de impacto produz um perfil Voigt.

No entanto, os diferentes mecanismos de alargamento de linha nem sempre são independentes. Por exemplo, os efeitos de colisão e os movimentos de Doppler podem agir de forma coerente, resultando em algumas condições mesmo em um estreitamento de colisão, conhecido como efeito Dicke.