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谱线

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谱线是在均匀且连续的光谱上明亮或黑暗的线条,起因于光子在一个狭窄的频率范围内比附近的其他频率超过或缺乏。

谱线通常是量子系统(通常是原子,但有时会是分子原子核)和单一光子相互作用产生的。当光子的能量确实与系统内能级上的一个变化符合时(在原子的情况,通常是电子改变轨道),光子被吸收。然后,它将再自发地发射,可能是与原来相同的频率或是阶段式的,但光子发射的总能量将会与当初吸收的能量相同,而新光子的方向不会与原来的光子方向有任何关联。

根据气体、光源和观测者三者的几何关系,看见的光谱将会是吸收谱线发射谱线。如果气体位于光源和观测者之间,在这个频率上光的强度将会减弱,而再发射出来的光子绝大多数会与原来光子的方向不同,因此观测者看见的将是吸收谱线。如果观测者看着气体,但是不在光源的方向上,这时观测者将只会在狭窄的频率上看见再发射出来的光子,因此看见的是发射谱线

吸收谱线和发射谱线与原子有特定的关系,因此可以很容易的分辨出光线穿越过介质(通常都是气体)的化学成分。有一些元素,像是等等,都是透过谱线发现的。光谱线也取决于气体的物理状态,因此它们被广泛的用在恒星和其他天体的化学成分和物理状态的辨识,而且不可能使用其他的方法完成这种工作。

同核异能位移是由于吸收光子的原子核与发射的原子核有不同的电子密度。

除了原子-光子的相互作用外,其他的机制也可以产生谱线。根据确实的物理相互作用(分子、单独的粒子等等)所产生的光子在频率上有广泛的分布,并且可以跨越从无线电波伽马射线,所有能观测的电磁波频谱

谱线致宽和移动

每条光谱线都倾向延伸在一段频率范围内,而不是单一的频率(即它有一个非零的带宽),另外他的中心也许也从中心波长转移至有名无实的波长中心。有一些原因可以导致频率致宽和位移,这些原因可以区分为两种主要的致宽类型-由于本身的情况和由于外在的情况。属于本身情况致宽的,可以归结于散发元素所在的区域内,通常小到足以确保局部热力平衡。外在情况的致宽,来自于光子穿越到达观测者的路径上所造成的光谱辐射分布变化的结果。它可能是彼此相距很远的距离,和某些数量的辐射,综合在一起造成的结果。

由本身作用的致宽

  • 自然致宽能量-时间不确定性原理使激发状态的生命期和经确的能量有所关联,所以一种原子在同一受激状态下,在不同的原子之间会有轻微的能量差异。这种致宽效应可以用洛伦兹函数来叙述,并且不会造成谱线的位移。由于不确定性原理,自然致宽可以实验性的做些修改,但只能在有限范围内以人为的予以抑制或提高衰减率。

[1]

  • 热的多普勒致宽:在气体内散发辐射的原子有速度的分布,每个原子相对于观测者都有相对的运动速度,由于多普勒效应,辐射的光子都会红移或蓝移,气体的温度越高速度的分布范围也越广。因为谱线是所有发射的辐射的组合,因此温度越高的气体,散发出来的谱线也越宽广。这种致宽的效应可由多普勒外观来描述,也不会造成谱线的位移。
  • 压力致宽:出现在附近的微粒将影响单独一个微粒发射的辐射,这种情况的发生有两个限制:
  • 碰撞压力致宽:其他微粒与发射辐射中的微粒碰撞会中断发射的过程,碰撞的过程远比发射过程的期间为短。这个作用与气体的温度密度有关,致宽的效应可以用洛伦兹函数来叙述,并且可能造成谱线的位移。
  • 准静态压力致宽:其他微粒的出现会移转发射辐射为力的能级,进而改变发射辐射的频率,影响的时间远比发射辐射的时间要长。这个作用与气体的密度有关,但对温度的反应却很迟钝。线性的外形取决于扰动力的形式和扰动微粒的距离,也许会对谱线中心造成移动。雷维偏阿尔法-稳定分布被发现能有效的描述一条准静态线的外观。(Peach, 1981 § 4.5)。
压力致宽也许可以归类于来自于自然的扰动力。
  • 线性斯塔克致宽发生于发射源在电场中的相互作用引起的线性斯塔克效应,造成的能量迁移与电场强度成正比。(
  • 共振致宽发生于扰动微粒与发射辐射的微粒相同时,使得能量转换过程的引进成为可能的。这种致宽的效应与碰撞和准静态一样,可以用罗伦兹函数来叙述。(
  • 二次斯塔克致宽发生于发射源在电场中的相互作用引起的二次斯塔克效应,造成的能量迁移与电场强度的二次方成正比。(
  • 范德瓦尔斯致宽发生于发射的微粒受到范德瓦耳斯力的摄动。在准静态下,使用范德瓦尔斯轮廓经常可以有效的描述其外观。能量的偏移是由翼的距离函数,例如连纳-琼司位势。(

由非本身作用的致宽

有些致宽的条件不在本身,而是在太空中广大的区域内,并不是单纯的发射辐射微粒所在地的条件。

  • 不透明致宽:电磁波辐射在太空中传递的路径上,可能有一些特殊点会被吸收,这些吸收与频率有关。谱线的致宽是因为光子在中心线的两翼彼在中心容易被再吸收。实际上,在中心线的吸收远大于两翼因此造成自反变使中心的强度变得比两翼微弱。
  • 旋转致宽:从一个遥远的转动天体,例如恒星,发射的辐射会因为在恒星两测的速度方向相反而引发多普勒效应。转动的越快,谱线致宽越大。

结合的效应

这些机制中的任何一种都可能单独或相互结合呈现。假设每个作用相对于其他都是独立的,组合的谱线外观将是每个机制的线性结合,例如,热多普勒效应致宽和碰撞压力致宽将产生佛克特线廓。

相关条目

参考资料

注解

  1. ^ For example, in the following article, decay was suppressed via a microwave cavity, thus reducing the natural broadening: Gabrielse, Gerald; H. Dehmelt. Observation of Inhibited Spontaneous Emission. Physical Review Letters. 1985, 55: 67–70. 
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