Кіріспе

Химиялық түрлердің ерекше тар спектрлік ерекшелігі. Спектрлік сызық – бұл әдетте біркелкі және үздіксіз спектрдегі нашар немесе күшті аймақ. Ол жақын орналасқан жиіліктермен салыстырғанда тар жиілік диапазонындағы жарық шығару немесе сіңіру нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Спектрлік сызықтар атомдар мен молекулаларды анықтау үшін жиі қолданылады. Бұл "саусақ іздерін" бұрын жиналған атомдар мен молекулалардың мәліметтерімен салыстыруға болады, осылайша жұлдыздар мен планеталардың атомдық және молекулалық құрамын анықтауға мүмкіндік береді, әйтпесе мұны анықтау мүмкін емес болар еді.

Сызық спектрлерінің түрлері

Спектрлік сызықтар – кванттық жүйе (әдетте атомдар, кейде молекулалар немесе атом ядролары) мен бір фотонның өзара әрекеттесуінің нәтижесі болып табылады. Егер фотонның энергиясы (оның жиілігімен байланысты) жүйедегі энергия күйін өзгертуге қажетті мөлшерге (атом жағдайында бұл әдетте электронның орбитальдарды ауыстыруы) тең болса, фотон сіңіріледі. Содан кейін энергия спонтанды түрде қайта шығарылады, бірдей жиіліктегі бір фотон түрінде немесе каскадты түрде, мұнда шығарылған фотондардың энергиясының қосындысы сіңірілген энергияға тең болады (егер жүйе бастапқы күйіне оралса). Спектрлік сызық эмиссиялық сызық немесе сіңіру сызығы түрінде байқалуы мүмкін. Сызықтың қандай түрі байқалатыны материалдың түріне және оның температурасына, сондай-ақ басқа эмиссия көзіне қатысты температурасына байланысты. Сіңіру сызығы ыстық, кең спектрлі көзден шыққан фотондар салқын материалдан өткен кезде пайда болады. Материалдың сіңіруі және кездейсоқ бағытта қайта таралуы нәтижесінде жарықтың интенсивтілігі тар жиілік диапазонында төмендейді. Керісінше, жарқын эмиссиялық сызық ыстық материалдан фотондардың анықталуы кезінде пайда болады, мысалы, салқын көзден кең спектрдің болуы мүмкін. Жарқын эмиссиялық сызықтардың пайда болуына ыстық материалдың сәуле шығаруы себеп болады, нәтижесінде тар жиілік диапазонында жарықтың интенсивтілігі артады. Спектрлік сызықтар әр атомға тән және кез келген ортаның химиялық құрамын анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Гелий, таллий және цезий сияқты бірнеше элементтер спектроскопиялық әдістермен ашылған. Спектрлік сызықтар материалдың температурасы мен тығыздығына да байланысты, сондықтан олар жұлдыздардың және басқа аспан денелерінің физикалық жағдайын анықтау үшін кеңінен қолданылады, оларды басқа тәсілдермен талдау мүмкін емес. Материал мен оның физикалық жағдайларына байланысты, қатысатын фотондардың энергиясы кең ауқымда өзгеруі мүмкін, ал спектрлік сызықтар радио толқындарынан гамма сәулелеріне дейін электромагниттік спектрде байқалады.

Жолақты кеңейту және ауыстыру

Спектрлік сызық пішінін анықтайтын бірнеше фактор бар. Спектрлік сызық – бір ғана жиілік емес, нөлдік емес жиіліктер диапазонына ие, тар спектрлік жолақтан тұрады. Сонымен қатар, оның ортасы номиналды орталық толқын ұзындығынан ығысуы мүмкін. Мұндай кеңею мен ығысудың бірнеше себебі бар. Бұл себептерді екі негізгі категорияға бөлуге болады: жергілікті жағдайларға байланысты кеңею және кеңейтілген жағдайларға байланысты кеңею. Жергілікті жағдайларға байланысты кеңею – сәуле шығаратын элементтің төңірегіндегі шағын аймақта болатын әсерлерге байланысты, бұл аймақ әдетте жергілікті термодинамикалық тепе-теңдікті қамтамасыз ету үшін жеткілікті түрде кішкентай болады. Кеңейтілген жағдайларға байланысты кеңею, сәулелену бақылаушыға қарай жолданғандағы спектрлік таралудың өзгеруінен туындауы мүмкін. Сондай-ақ, ол бір-бірінен қашық жатқан аймақтардан шыққан сәулеленудің бірігуінен де пайда болуы мүмкін.

Табиғи кеңейуі

Қуанышты күйлердің өмір сүру ұзақтығы табиғи кеңеюге алып келеді, бұл өмір сүру ұзақтығынан туындаған кеңею деп те аталады. Белгісіздік принципі, қоздырылған күйдің өмір сүру ұзақтығын (өздігінен сәулелену ыдырауы немесе Аугер процесі арқылы) оның энергиясының белгісіздігімен байланыстырады. Кейбір авторлар "сәулелену кеңеюі" терминін табиғи кеңеюдің, сәулелену ыдырауынан туындаған бөлігін атау үшін қолданады. Ұзақ өмір сүрмейтін күйлерде энергияның белгісіздігі жоғары болады және эмиссия кеңейеді. Бұл кеңею әсері өзгеріссіз Лоренцтік пішінге әкеледі. Табиғи кеңеюді тәжірибе жүзінде тек ыдырау жылдамдығын жасанды түрде басу немесе күшейту арқылы өзгертуге болады.

Термиялық допплер кеңейтуі

Газдағы сәуле шығаратын атомдардың жылдамдықтарының таралуы болады. Әрбір шығарылған фотон Допплер эффектісіне байланысты, атомның бақылаушыға қатысты жылдамдығына байланысты "қызыл" немесе "көк" қарай ығысады. Газдың температурасы жоғары болған сайын, газдағы жылдамдықтар таралуы кеңейеді. Спектрлік сызық – шығарылған барлық сәулеленудің жиынтығы болғандықтан, газдың температурасы жоғары болған сайын, одан шығарылатын спектрлік сызық та кеңейеді. Бұл кеңею әсері Гаусс профилімен сипатталады және оған ығысу қатысты емес.

Біртекті емес кеңейту

Біртекті емес кеңейту – кейбір сәуле шығарушы бөлшектердің басқалардан өзгеше жергілікті ортада болуына және осылайша әртүрлі жиілікте сәуле шығаруына байланысты кеңейтудің жалпы атауы. Бұл термин әсіресе қатты денелерге қатысты қолданылады, онда беттер, дән шекаралары және стехиометриялық ауытқулар белгілі бір атомның орналасуы үшін әртүрлі жергілікті орта жағдайларын тудыруы мүмкін. Сұйықтықтарда біртекті емес кеңейтудің әсері кейде қозғалыс тарылуы деп аталатын процесте азайтылады.

Жергілікті емес әсерлерге байланысты кеңейту

Кейбір кеңейту түрлері кеңістіктің үлкен аймағындағы жағдайлардың салдарынан туындайды, бұл сәуле шығаратын бөлшектің тек жергілікті жағдайларына байланысты емес.

Жарықсыздықтың кеңейуі

Жарықсыздықтың кеңеюі – жергілікті емес кеңейту механизмінің мысалы. Ғарыш кеңістігіндегі белгілі бір нүктеде шығарылған электромагниттік сәуле кеңістікте тарағанда қайта сіңірілуі мүмкін. Бұл сіңіру толқын ұзындығына тәуелді. Сызық кеңейеді, себебі сызық ортасындағы фотондар сызық қанатындағы фотондарға қарағанда қайта сіңірілу ықтималдығы жоғары. Шындығында, сызық ортасына жақын қайта сіңіру соншалықты күшті болуы мүмкін, осылайша сызық ортасындағы қарқындылық қанаттардағыдан төмендеуі мүмкін. Бұл процеске кейде өзін-өзі сіңіру деп те айтылады.

Макроскопиялық Допплер кеңейтуі

Жылжымалы көзден шығатын сәулелену, көздің шекті көру сызығы бойымен жылдамдық проекциясының болуына байланысты Допплер эффектісіне ұшырайды. Егер сәуле шығарушы дененің әртүрлі бөліктерінің жылдамдықтары әртүрлі болса (көру сызығы бойымен), нәтижедегі сызық кеңейеді, ал сызықтың ені жылдамдық таралуының еніне пропорционалды болады. Мысалы, жұлдыз сияқты алыс айналатын дененің сәулеленуі, жұлдыздың қарама-қарсы жақтарындағы көру сызығы бойымен жылдамдықтың өзгеруіне байланысты кеңейеді (бұл эффект әдетте айналу кеңеюі деп аталады). Айналу жылдамдығы жоғары болған сайын, сызық соғұрлым кең болады. Тағы бір мысал – Z-қысымда жарылатын плазма қабығы.

Бірлескен әсерлері

Бұл механизмдердің әрқайсысы жеке немесе басқаларымен бірлесіп әрекет ете алады. Әрбір эффект тәуелсіз деп есептесек, байқалатын сызық профилі – әрбір механизмнің сызық профильдерінің конволюциясы болады. Мысалы, термиялық Допплер кеңеюі мен соқтығыс қысымының кеңеюінің қосындысы Войгт профилін тудырады. Дегенмен, әртүрлі сызық кеңею механизмдері әрқашан тәуелсіз болмайды. Мысалы, соқтығысу эффектілері мен қозғалыс Допплер жылжулары бір-бірімен үйлесімді әрекет ете алады, кейбір жағдайларда тіпті соқтығыс тарылуына, Дикке эффектісіне әкеліп соқтырады.

Жапсырмалар

"Спектрлік сызықтар" термині, егер арнайы белгіленбесе, әдетте толық электромагниттік спектрдің көрінетін диапазонындағы толқын ұзындығына ие сызықтарды білдіреді. Көптеген спектрлік сызықтар осы диапазоннан тыс толқын ұзындықтарында пайда болады. Ықшам толқын ұзындығында, яғни жоғары энергияға сәйкес келетін жағдайда, ультракүлгін спектрлік сызықтар сутегінің Лайман қатарын қамтиды. Рентген сәулелерінің одан да ықшам толқын ұзындығындағы сызықтар, берілген химиялық элемент үшін химиялық ортасына тәуелсіз, көбінесе өзгермейтіндіктен, сипаттамалық рентген сәулелері деп аталады. Ұзын толқын ұзындығы төмен энергияға сәйкес келеді, онда инфрақызыл спектрлік сызықтар сутегінің Пашен қатарын қамтиды. Одан да ұзын толқын ұзындығындағы радиоспектрде бүкіл ғаламда бейтарап сутегін анықтау үшін қолданылатын 21 см сызық бар.