Введение
Отличительная узкая спектральная характеристика химических видов.
Спектральная линия — это область пониженной или повышенной интенсивности в равномерном и непрерывном спектре. Она возникает в результате излучения или поглощения света в узком диапазоне частот по сравнению с соседними частотами. Спектральные линии часто используются для идентификации атомов и молекул. Эти "спектральные отпечатки" сравниваются с ранее полученными данными об атомах и молекулах, что позволяет идентифицировать атомный и молекулярный состав звёзд и планет, что было бы невозможно иным способом.
Типы линейных спектров
Спектральные линии являются результатом взаимодействия между квантовой системой (обычно атомами, но иногда молекулами или атомными ядрами) и одиночным фотоном. Когда фотон обладает достаточной энергией (которая связана с его частотой), чтобы вызвать изменение энергетического состояния системы (в случае атома это обычно изменение электроном орбитали), фотон поглощается. Затем энергия переизлучается спонтанно, либо в виде одного фотона с той же частотой, что и исходный, либо каскадом, где сумма энергий излученных фотонов равна энергии поглощенного (если система возвращается в свое первоначальное состояние). Спектральную линию можно наблюдать как линию излучения или линию поглощения. Тип наблюдаемой линии зависит от типа материала и его температуры относительно другого источника излучения. Линия поглощения возникает, когда фотоны от горячего источника с широким спектром проходят через более холодный материал. Интенсивность света в узком частотном диапазоне уменьшается из-за поглощения материалом и последующего переизлучения в случайных направлениях. И наоборот, яркая линия излучения возникает при обнаружении фотонов от горячего материала, возможно, на фоне широкого спектра от более холодного источника. Интенсивность света в узком частотном диапазоне увеличивается за счет излучения горячим материалом. Спектральные линии обладают высокой атомной специфичностью и могут использоваться для определения химического состава любой среды. Ряд элементов, включая гелий, таллий и цезий, были открыты с помощью спектроскопических методов. Спектральные линии также зависят от температуры и плотности материала, поэтому они широко применяются для определения физических условий звезд и других небесных тел, которые невозможно проанализировать иными способами. В зависимости от материала и его физических условий энергия вовлеченных фотонов может значительно различаться, и спектральные линии наблюдаются во всем электромагнитном спектре, от радиоволн до гамма-лучей.
Расширение и смещение линии
Существует ряд эффектов, определяющих форму спектральной линии. Спектральная линия занимает узкую спектральную полосу с ненулевым диапазоном частот, а не состоит из одной частоты (то есть имеет ненулевую спектральную ширину). Кроме того, её центр может быть смещён от номинальной центральной длины волны. Существует несколько причин такого уширения и сдвига. Эти причины можно разделить на две основные категории – уширение, обусловленное локальными условиями, и уширение, обусловленное внешними условиями. Уширение, обусловленное локальными условиями, возникает из-за эффектов, проявляющихся в небольшом объёме пространства вокруг излучающего элемента, как правило, достаточно малом для обеспечения локального термодинамического равновесия. Уширение, обусловленное внешними условиями, может быть результатом изменения спектрального распределения излучения по мере его распространения к наблюдателю, а также результатом объединения излучения из нескольких удалённых друг от друга областей.
Естественное расширение
Продолжительность жизни возбужденных состояний приводит к естественному уширению, также известному как уширение по времени жизни. Принцип неопределенности связывает время жизни возбужденного состояния (вследствие спонтанного излучательного распада или процесса Оже) с неопределенностью его энергии. Некоторые авторы используют термин "излучательное уширение" для обозначения той части естественного уширения, которая вызвана спонтанным излучательным распадом. Короткое время жизни соответствует большой неопределенности энергии и широкой эмиссии. Этот эффект уширения приводит к лоренцианскому профилю без сдвига. Естественное уширение может быть изменено экспериментально лишь в той мере, в которой скорости распада могут быть искусственно подавлены или усилены.
Термическое допплеровое расширение
Атомы в газе, испускающие излучение, будут иметь распределение скоростей. Каждый испускаемый фотон будет испытывать красное или синее смещение вследствие эффекта Допплера, в зависимости от скорости атома относительно наблюдателя. Чем выше температура газа, тем шире распределение скоростей в газе. Поскольку спектральная линия является комбинацией всего испускаемого излучения, чем выше температура газа, тем шире спектральная линия, излучаемая этим газом. Это уширение описывается гауссовым профилем и не сопровождается сдвигом.
Неоднородное расширение
Неоднородное уширение – это общий термин, описывающий уширение спектральных линий из-за того, что некоторые излучающие частицы находятся в отличных от других локальных окружениях и, следовательно, излучают на разных частотах. Этот термин особенно часто используется применительно к твердым телам, где поверхности, границы зерен и изменения стехиометрии могут создавать разнообразные локальные окружения для атомов. В жидкостях эффект неоднородного уширения иногда уменьшается благодаря процессу, называемому моциональным сужением.
Расширение вследствие нелокальных эффектов
Некоторые типы уширения обусловлены условиями, существующими в большом объеме пространства, а не только условиями, локальными для излучающей частицы.
Расширение прозрачности
Расширение непрозрачности — пример нелокального механизма уширения. Электромагнитное излучение, испускаемое в определенной точке пространства, может поглощаться повторно по мере распространения в пространстве. Это поглощение зависит от длины волны. Линия уширяется, поскольку у фотонов в центре линии вероятность повторного поглощения выше, чем у фотонов на крыльях линии. Фактически, повторное поглощение вблизи центра линии может быть настолько сильным, что приведет к самообращению, при котором интенсивность в центре линии оказывается меньше, чем на крыльях. Этот процесс также иногда называют самопоглощением.
Макроскопическое Допплерово расширение
Излучение, испускаемое движущимся источником, испытывает доплеровский сдвиг из-за конечной проекции скорости на луче зрения. Если различные части излучающего тела имеют разные скорости (вдоль луча зрения), результирующая спектральная линия уширяется, причем ширина линии пропорциональна ширине распределения скоростей. Например, излучение от удаленного вращающегося объекта, такого как звезда, уширяется из-за различий в скорости на луче зрения на противоположных сторонах звезды (этот эффект обычно называют вращательным уширением). Чем выше скорость вращения, тем больше ширина линии. Другой пример – сходящаяся плазменная оболочка в Z-пинче.
Совокупные эффекты
Каждый из этих механизмов может действовать изолированно или в сочетании с другими. Если предположить, что каждый эффект независим, наблюдаемый профиль линии является свёрткой профилей линии, соответствующих каждому механизму. Например, комбинация теплового доплеровского уширения и уширения за счет давления ударов приводит к профилю Войгта. Однако различные механизмы уширения линии не всегда независимы. Например, эффекты столкновений и доплеровские сдвиги, вызванные движением, могут действовать согласованно, что при определенных условиях приводит даже к сужению линии, известному как эффект Дикке.
Полосы
Фраза "спектральные линии", если не указано иное, обычно относится к линиям с длинами волн в видимой области полного электромагнитного спектра. Многие спектральные линии наблюдаются на длинах волн, выходящих за пределы этого диапазона. На более коротких длинах волн, соответствующих более высоким энергиям, к ультрафиолетовым спектральным линиям относится серия Лаймана водорода. На гораздо более коротких длинах волн рентгеновского излучения линии называются характеристическими рентгеновскими лучами, поскольку они в значительной степени остаются неизменными для данного химического элемента, независимо от его химического окружения. Более длинные длины волн соответствуют более низким энергиям, где инфракрасные спектральные линии включают серию Пашена водорода. На еще более длинных длинах волн радиоспектр содержит 21-сантиметровую линию, используемую для обнаружения нейтрального водорода во всей Вселенной.