Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Феномен в физике
Phenomenon in physics
В атомной физике доплеровское уширение — это уширение спектральных линий, обусловленное эффектом Допплера, вызванным распределением скоростей атомов или молекул. Различные скорости излучающих (или поглощающих) частиц приводят к различным доплеровским сдвигам, суммарный эффект которых проявляется в уширении линии излучения (поглощения). Получающийся профиль линии известен как доплеровский профиль. Частным случаем является термическое доплеровское уширение, возникающее из-за теплового движения частиц. В этом случае уширение зависит только от частоты спектральной линии, массы излучающих частиц и их температуры, и поэтому может быть использовано для определения температуры излучающего (или поглощающего) тела при спектроскопическом исследовании.
In atomic physics, Doppler broadening is broadening of spectral lines due to the Doppler effect caused by a distribution of velocities of atoms or molecules. Different velocities of the emitting (or absorbing) particles result in different Doppler shifts, the cumulative effect of which is the emission (absorption) line broadening. This resulting line profile is known as a Doppler profile. A particular case is the thermal Doppler broadening due to the thermal motion of the particles. Then, the broadening depends only on the frequency of the spectral line, the mass of the emitting particles, and their temperature, and therefore can be used for inferring the temperature of an emitting (or absorbing) body being spectroscopically investigated.
Вывод (нерелятивистский случай)
Когда частица движется (например, из-за теплового движения) к наблюдателю, испускаемое излучение сдвигается в область более высоких частот. Аналогично, когда источник удаляется, частота понижается. В нерелятивистском пределе эффект Доплера выражается как:
When a particle moves (e. g., due to the thermal motion) towards the observer, the emitted radiation is shifted to a higher frequency. Likewise, when the emitter moves away, the frequency is lowered. In the non relativistic limit, the Doppler shift is
где – наблюдаемая частота, – частота в системе отсчета источника, – скорость источника относительно наблюдателя, а – скорость света. Поскольку в любом объеме излучающего тела существует распределение скоростей как в направлении к наблюдателю, так и от него, то результирующий эффект заключается в уширении наблюдаемой спектральной линии. Если – доля частиц со скоростной компонентой вдоль линии визирования, то соответствующее распределение частот будет иметь вид:
where is the observed frequency, is the frequency in the rest frame, is the velocity of the emitter towards the observer, and is the speed of light. Since there is a distribution of speeds both toward and away from the observer in any volume element of the radiating body, the net effect will be to broaden the observed line. If is the fraction of particles with velocity component to along a line of sight, then the corresponding distribution of the frequencies is
где – скорость источника, соответствующая сдвигу частоты покоя в Поэтому:
where is the velocity towards the observer corresponding to the shift of the rest frequency to Therefore,
Мы также можем выразить уширение через длину волны. Поскольку , , и , следовательно:
We can also express the broadening in terms of the wavelength Since , , and so Therefore,
Применение и оговорки
В астрономии и физике плазмы тепловое доплеровское уширение является одним из объяснений уширения спектральных линий и, как следствие, позволяет оценить температуру наблюдаемого вещества. Однако могут существовать и другие причины распределения скоростей, например, из-за турбулентного движения. При полностью развитой турбулентности полученный профиль линии, как правило, очень трудно отличить от теплового. Другой причиной может быть широкий диапазон макроскопических скоростей, возникающий, например, из-за удаляющихся и приближающихся частей быстро вращающегося аккреционного диска. Наконец, существует множество других факторов, способных приводить к уширению линий. Например, достаточно высокая концентрация частиц может вызывать значительное уширение Старка. Доплеровское уширение также можно использовать для определения распределения скоростей газа по его спектру поглощения. В частности, этот метод применялся для определения распределения скоростей межзвездных газовых облаков. Доплеровское уширение, физическое явление, определяющее температурный коэффициент реактивности топлива, также учитывается при проектировании высокотемпературных ядерных реакторов. В принципе, при нагреве топлива реактора спектр поглощения нейтронов уширяется из-за теплового движения ядер топлива относительно нейтронов. Учитывая форму спектра поглощения нейтронов, это приводит к уменьшению сечения поглощения нейтронов, снижая вероятность поглощения и деления. В результате реакторы, разработанные с учетом доплеровского уширения, снижают свою реактивность при повышении температуры, обеспечивая пассивную меру безопасности. Это особенно актуально для газоохлаждаемых реакторов, поскольку в водоохлаждаемых реакторах доминируют другие механизмы. Насыщенная спектроскопия поглощения, также известная как доплеро-свободная спектроскопия, позволяет определить истинную частоту атомного перехода без охлаждения образца до температур, при которых доплеровское уширение становится пренебрежимо малым.
In astronomy and plasma physics, the thermal Doppler broadening is one of the explanations for the broadening of spectral lines, and as such gives an indication for the temperature of observed material. Other causes of velocity distributions may exist, though, for example, due to turbulent motion. For a fully developed turbulence, the resulting line profile is generally very difficult to distinguish from the thermal one. Another cause could be a large range of macroscopic velocities resulting, e. g., from the receding and approaching portions of a rapidly spinning accretion disk. Finally, there are many other factors that can also broaden the lines. For example, a sufficiently high particle number density may lead to significant Stark broadening. Doppler broadening can also be used to determine the velocity distribution of a gas given its absorption spectrum. In particular, this has been used to determine the velocity distribution of interstellar gas clouds. Doppler broadening, the physical phenomenon driving the fuel temperature coefficient of reactivity also been used as a design consideration in high temperature nuclear reactors. In principle, as the reactor fuel heats up, the neutron absorption spectrum will broaden due to the relative thermal motion of the fuel nuclei with respect to the neutrons. Given the shape of the neutron absorption spectrum, this has the result of reducing neutron absorption cross section, reducing the likelihood of absorption and fission. The end result is that reactors designed to take advantage of Doppler broadening will decrease their reactivity as temperature increases, creating a passive safety measure. This tends to be more relevant to gas cooled reactors, as other mechanisms are dominant in water cooled reactors. Saturated absorption spectroscopy, also known as Doppler free spectroscopy, can be used to find the true frequency of an atomic transition without cooling a sample down to temperatures at which the Doppler broadening is negligible.