Det finns ett antal effekter som styr spektrallinjens form. En spektrallinje sträcker sig över ett frekvensområde, inte över en enda frekvens (dvs. den har en linjebredd som inte är noll). Dessutom kan dess centrum vara förskjutet från dess nominella centrala våglängd. Det finns flera orsaker till denna breddning och förskjutning. Dessa orsaker kan delas in i två allmänna kategorier – breddning på grund av lokala förhållanden och breddning på grund av utvidgade förhållanden. Breddning på grund av lokala förhållanden beror på effekter som gäller i ett litet område runt det emitterande elementet, vanligtvis tillräckligt litet för att säkerställa lokal termodynamisk jämvikt. Breddning på grund av utbredda förhållanden kan bero på förändringar i strålningens spektralfördelning när den färdas till observatören. Den kan också bero på att strålning från ett antal områden som ligger långt ifrån varandra kombineras.

Breddning på grund av lokala effekterEdit

Naturlig breddningEdit

Livslängden hos de exciterade tillstånden resulterar i en naturlig breddning, även känd som livstidsbreddning. Osäkerhetsprincipen relaterar livslängden för ett exciterat tillstånd (på grund av spontant strålningsfall eller Augerprocessen) till osäkerheten för dess energi. En kort livstid kommer att ha en stor osäkerhet om energin och en bred emission. Denna breddningseffekt resulterar i en icke-förskjuten Lorentzian-profil. Den naturliga breddningen kan experimentellt förändras endast i den mån som sönderfallshastigheterna kan undertryckas eller förstärkas artificiellt.

Termisk dopplerbreddningRedigera

Atomer i en gas som avger strålning kommer att ha en fördelning av hastigheter. Varje foton som sänds ut kommer att vara ”röd”- eller ”blå”-förskjuten av dopplereffekten beroende på atomens hastighet i förhållande till observatören. Ju högre gasens temperatur är, desto större är fördelningen av hastigheterna i gasen. Eftersom spektrallinjen är en kombination av all emitterad strålning är den spektrallinje som emitteras från gasen bredare ju högre gasens temperatur är. Denna breddningseffekt beskrivs av en Gauss-profil och det finns ingen tillhörande förskjutning.

TryckbreddningRedigera

Närvaron av närliggande partiklar kommer att påverka den strålning som avges av en enskild partikel. Det finns två begränsande fall genom vilka detta sker:

• Tryckförbredning genom inverkan eller kollisionsförbredning: Kollisionen av andra partiklar med den ljusavgivande partikeln avbryter emissionsprocessen, och genom att förkorta den karakteristiska tiden för processen ökar osäkerheten i den avgivna energin (vilket sker vid naturlig breddning). Kollisionens varaktighet är mycket kortare än emissionsprocessens livslängd. Denna effekt beror både på gasens densitet och temperatur. Breddningseffekten beskrivs av en Lorentzisk profil och det kan finnas en tillhörande förskjutning.
• Kvasistatisk tryckbreddning: Närvaron av andra partiklar förskjuter energinivåerna i den emitterande partikeln och ändrar därmed frekvensen på den emitterade strålningen. Påverkans varaktighet är mycket längre än emissionsprocessens livslängd. Denna effekt beror på gasens densitet, men är ganska okänslig för temperaturen. Linjeprofilens form bestäms av den störande kraftens funktionella form med avseende på avståndet från den störande partikeln. Det kan också förekomma en förskjutning av linjens centrum. Det allmänna uttrycket för linjeformen till följd av kvasistatisk tryckförbredning är en generalisering av den gaussiska fördelningen med fyra parametrar, känd som en stabil fördelning.

Tryckförbredning kan också klassificeras efter den störande kraftens karaktär enligt följande:

• Linjär Starkförbredning uppstår via den linjära Stark-effekten, som är resultatet av en emittents växelverkan med ett elektriskt fält av en laddad partikel på ett avstånd r {\displaystyle r}.
  

  , vilket orsakar en energiförskjutning som är linjär med fältstyrkan. ( Δ E ∼ 1 / r 2 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}

  
• Resonansförbredning uppstår när den störande partikeln är av samma typ som den emitterande partikeln, vilket introducerar möjligheten till en energiutbytesprocess. ( Δ E ∼ 1 / r 3 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}
  
• Kvadratisk Starkbreddning uppstår via den kvadratiska Stark-effekten, som är resultatet av en emittents växelverkan med ett elektriskt fält, vilket orsakar en energiförskjutning som är kvadratisk med fältstyrkan. ( Δ E ∼ 1 / r 4 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}
  
• Van der Waals breddning uppstår när den emitterande partikeln störs av Van der Waals krafter. För det kvasistatiska fallet är en Van der Waals-profil ofta användbar för att beskriva profilen. Energiförskjutningen som funktion av avståndet ges i vingarna av t.ex. Lennard-Jones-potentialen. ( Δ E ∼ 1 / r 6 ) {\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}
  

Inhomogen breddningRedigera

Inhomogen breddning är en allmän term för breddning på grund av att vissa emitterande partiklar befinner sig i en annan lokal miljö än andra och därför emitterar med en annan frekvens. Denna term används särskilt för fasta ämnen, där ytor, korngränser och stökiometrivariationer kan skapa en mängd olika lokala miljöer för en viss atom att ta plats i. I vätskor minskas ibland effekterna av inhomogen breddning genom en process som kallas motional narrowing.

Breddning på grund av icke-lokala effekterRedigera

Vissa typer av breddning är resultatet av förhållanden över ett stort område i rymden snarare än bara av förhållanden som är lokala för den emitterande partikeln.

OpacitetsbreddningRedigera

Elektromagnetisk strålning som sänds ut vid en viss punkt i rymden kan återabsorberas när den färdas genom rymden. Denna absorption beror på våglängden. Linjen breddas eftersom fotonerna vid linjens centrum har en större återabsorptionssannolikhet än fotonerna vid linjens vingar. Återabsorptionen nära linjens centrum kan faktiskt vara så stor att den orsakar en självvändning där intensiteten i linjens centrum är lägre än i vingarna. Denna process kallas också ibland för självabsorption.

Makroskopisk dopplerbreddningRedigera

Strålning som avges av en rörlig källa är föremål för dopplerförskjutning på grund av en ändlig projektion av siktlinjens hastighet. Om olika delar av den emitterande kroppen har olika hastigheter (längs siktlinjen) kommer den resulterande linjen att breddas, med linjebredden proportionell mot bredden av hastighetsfördelningen. Exempelvis kommer strålning som sänds ut från en avlägsen roterande kropp, t.ex. en stjärna, att breddas på grund av siktlinjens hastighetsvariationer på motsatta sidor av stjärnan. Ju större rotationshastigheten är, desto bredare blir linjen. Ett annat exempel är ett imploderande plasmaskal i en Z-pinch.

Radiativ breddningRedigera

Radiativ breddning av den spektrala absorptionsprofilen inträffar eftersom absorptionen vid resonans i mitten av profilen är mättad vid mycket lägre intensiteter än de icke-resonanta vingarna. När intensiteten ökar ökar därför absorptionen i vingarna snabbare än absorptionen i centrum, vilket leder till en breddning av profilen. Radiativ breddning förekommer även vid mycket låga ljusintensiteter.

Kombinerade effekterEdit

Varje av dessa mekanismer kan verka isolerat eller i kombination med andra. Om man antar att varje effekt är oberoende är den observerade linjeprofilen en konvolution av linjeprofilerna för varje mekanism. Till exempel ger en kombination av den termiska dopplerbreddningen och slagtrycksbreddningen en Voigt-profil.

De olika linjebreddningsmekanismerna är dock inte alltid oberoende av varandra. Till exempel kan kollisionseffekterna och de rörliga dopplerförskjutningarna verka på ett sammanhängande sätt, vilket under vissa förhållanden till och med resulterar i en kollisionsavsmalning, den så kallade Dicke-effekten.