Există o serie de efecte care controlează forma liniei spectrale. O linie spectrală se extinde pe o gamă de frecvențe, nu pe o singură frecvență (adică are o lățime de linie diferită de zero). În plus, centrul său poate fi deplasat față de lungimea sa de undă centrală nominală. Există mai multe motive pentru această lărgire și deplasare. Aceste motive pot fi împărțite în două categorii generale – lărgirea datorată condițiilor locale și lărgirea datorată condițiilor extinse. Lărgirea datorată condițiilor locale se datorează efectelor care au loc într-o regiune mică din jurul elementului emițător, de obicei suficient de mică pentru a asigura echilibrul termodinamic local. Lărgirea datorată condițiilor extinse poate rezulta din modificări ale distribuției spectrale a radiației pe măsură ce aceasta parcurge drumul spre observator. De asemenea, poate rezulta din combinarea radiației provenite dintr-un număr de regiuni care sunt îndepărtate unele de altele.

lărgire datorată efectelor localeEdit

lărgire naturalăEdit

Viața stărilor excitate are ca rezultat lărgirea naturală, cunoscută și sub numele de lărgire pe durata de viață. Principiul incertitudinii pune în relație durata de viață a unei stări excitate (datorată descompunerii radiative spontane sau procesului Auger) cu incertitudinea energiei sale. O durată de viață scurtă va avea o incertitudine energetică mare și o emisie lată. Acest efect de lărgire are ca rezultat un profil lorentzian neschimbat. Lărgirea naturală poate fi modificată experimental numai în măsura în care ratele de dezintegrare pot fi suprimate sau îmbunătățite în mod artificial.

Lărgire Doppler termicăEdit

Atomii dintr-un gaz care emit radiații vor avea o distribuție de viteze. Fiecare foton emis va fi „roșu” – sau „albastru” – deplasat de efectul Doppler în funcție de viteza atomului în raport cu observatorul. Cu cât temperatura gazului este mai mare, cu atât mai largă este distribuția vitezelor în gaz. Deoarece linia spectrală este o combinație a tuturor radiațiilor emise, cu cât temperatura gazului este mai mare, cu atât mai largă este linia spectrală emisă de acel gaz. Acest efect de lărgire este descris de un profil gaussian și nu există o deplasare asociată.

Lărgirea presiuniiEdit

Prezența particulelor din apropiere va afecta radiația emisă de o particulă individuală. Există două cazuri limită prin care se produce acest lucru:

• lărgirea presiunii de impact sau lărgirea coliziunii: Coliziunea altor particule cu particula emițătoare de lumină întrerupe procesul de emisie și, prin scurtarea timpului caracteristic al procesului, mărește incertitudinea în ceea ce privește energia emisă (așa cum se întâmplă în cazul lărgirii naturale). Durata coliziunii este mult mai scurtă decât durata de viață a procesului de emisie. Acest efect depinde atât de densitatea, cât și de temperatura gazului. Efectul de lărgire este descris de un profil lorentzian și poate exista o deplasare asociată.
• Lărgire cuasistatică a presiunii: Prezența altor particule deplasează nivelurile de energie în particula emițătoare, modificând astfel frecvența radiației emise. Durata influenței este mult mai mare decât durata de viață a procesului de emisie. Acest efect depinde de densitatea gazului, dar este mai degrabă insensibil la temperatură. Forma profilului liniei este determinată de forma funcțională a forței perturbatoare în raport cu distanța față de particula perturbatoare. Poate exista, de asemenea, o deplasare a centrului liniei. Expresia generală pentru forma liniei care rezultă din lărgirea cvasi-statică a presiunii este o generalizare cu 4 parametri a distribuției gaussiene cunoscută sub numele de distribuție stabilă.

Lărgirea presiunii poate fi, de asemenea, clasificată în funcție de natura forței perturbatoare, după cum urmează:

• Lărgirea Stark liniară are loc prin efectul Stark liniar, care rezultă din interacțiunea unui emițător cu un câmp electric al unei particule încărcate la o distanță r {\displaystyle r}
  

  , provocând o deplasare a energiei care este liniară în funcție de intensitatea câmpului. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• Lărgirea rezonanței apare atunci când particula perturbatoare este de același tip cu particula emițătoare, ceea ce introduce posibilitatea unui proces de schimb de energie. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• Lărgirea pătratică Stark apare prin intermediul efectului Stark pătratic, care rezultă din interacțiunea unui emițător cu un câmp electric, provocând o deplasare a energiei care este pătratică în intensitatea câmpului. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• Lărgirea Van der Waals apare atunci când particula emițătoare este perturbată de forțele Van der Waals. Pentru cazul cvasistatic, un profil Van der Waals este adesea util în descrierea profilului. Deplasarea energiei în funcție de distanță este dată în aripi, de exemplu, de potențialul Lennard-Jones. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

lărgire neomogenăEdit

Lărgirea neomogenă este un termen general pentru lărgire deoarece unele particule emițătoare se află într-un mediu local diferit de altele și, prin urmare, emit la o frecvență diferită. Acest termen este utilizat în special pentru solide, unde suprafețele, granițele granulelor și variațiile de stoichiometrie pot crea o varietate de medii locale pe care un anumit atom le poate ocupa. În lichide, efectele lărgirii neomogene sunt uneori reduse printr-un proces numit îngustare prin mișcare.

Lărgire datorată efectelor nelocaleEdit

Certe tipuri de lărgire sunt rezultatul condițiilor dintr-o regiune mare de spațiu, mai degrabă decât pur și simplu pe baza condițiilor care sunt locale pentru particula emitentă.

lărgirea opacitățiiEdit

Radiația electromagnetică emisă într-un anumit punct din spațiu poate fi reabsorbită pe măsură ce se deplasează prin spațiu. Această absorbție depinde de lungimea de undă. Linia este lărgită deoarece fotonii de la centrul liniei au o probabilitate de reabsorbție mai mare decât fotonii de la aripile liniei. Într-adevăr, reabsorbția în apropierea centrului liniei poate fi atât de mare încât să provoace o autoinversie în care intensitatea în centrul liniei este mai mică decât în aripi. Acest proces se mai numește uneori și autoabsorbție.

lărgire Macroscopică DopplerEdit

Radiația emisă de o sursă în mișcare este supusă deplasării Doppler datorită unei proiecții finite a vitezei liniei de vizibilitate. Dacă diferite părți ale corpului emițător au viteze diferite (de-a lungul liniei de vizibilitate), linia rezultată va fi lărgită, cu lățimea liniei proporțională cu lățimea distribuției vitezei. De exemplu, radiația emisă de un corp rotitor îndepărtat, cum ar fi o stea, va fi lărgită din cauza variațiilor de viteză pe linia de vizibilitate pe laturile opuse ale stelei. Cu cât rata de rotație este mai mare, cu atât linia este mai lată. Un alt exemplu este un înveliș de plasmă care implodează într-un Z-pinch.

lărgire radiativăEdit

Lărgirea radiativă a profilului de absorbție spectrală are loc deoarece absorbția în rezonanță din centrul profilului este saturată la intensități mult mai mici decât aripile în afara rezonanței. Prin urmare, pe măsură ce intensitatea crește, absorbția din aripi crește mai repede decât absorbția din centru, ceea ce duce la o lărgire a profilului. Lărgirea radiativă are loc chiar și la intensități luminoase foarte scăzute.

Efecte combinateEdit

Care dintre aceste mecanisme poate acționa în mod izolat sau în combinație cu altele. Presupunând că fiecare efect este independent, profilul liniei observate este o convoluție a profilurilor de linie ale fiecărui mecanism. De exemplu, o combinație a lărgirii Doppler termice și a lărgirii presiunii de impact produce un profil Voigt.

Cu toate acestea, diferitele mecanisme de lărgire a liniei nu sunt întotdeauna independente. De exemplu, efectele de coliziune și deplasările Doppler de mișcare pot acționa în mod coerent, rezultând, în anumite condiții, chiar o îngustare de coliziune, cunoscută sub numele de efect Dicke.