25 Mar Ширина спектральной линии Физическая энциклопедия
Линдхольмом, который также нашёл дополнительный сдвиг контура спектральной линии в адиабатическом приближении для слабых столкновений, не меняющих энергии в молекулах50. Теория Линдхольма, построенная им в 1945 году, объясняла форму спектральной линии вблизи центральной частоты и приводила к лоренцевскому контуру, а также сдвигу, пропорциональному давлению. Удары — сильные столкновения, которые сопровождаются сильным энергетическим взаимодействием — определяют форму крыльев спектральной линии51. Красное и фиолетовое крылья получаются асимметричными — этот вывод только качественно согласуется с экспериментом52.
Эффект Зеемана и эффект Штарка
При эффекте Зеемана профили расщеплённых частей линии зачастую сливаются между собой, что вызывает наблюдаемое уширение линии, а не расщепление52930. В газообразных веществах молекулы газа, находясь в тепловом движении, сталкиваются друг с другом; при этом часть таких столкновений имеет неупругий характер. При неупругих соударениях совершается переход между уровнями, что сокращает время жизни частицы на уровне по сравнению с временем жизни, обусловленным спонтанными переходами. Но уменьшение времени жизни на уровне в соответствии с принципом Гейзенберга приводит к увеличению размытости уровня ДЕ, что в свою очередь вызывает уширение спектра излучения. Для уменьшения эффекта уширения линии излучения при столкновениях в некоторых квантовых приборах используются методы, снижающие вероятность неупругих столкновений излучающих частиц. Для этого увеличивают длину свободного пробега частиц, заставляя их двигаться в форме остро направленных пучков.
На основной уровень обладающий бесконечным временем жизни и потому строго дискретный.
Любая возбужденная (то есть не находящаяся на самом нижнем энергетическом уровне) квантово-механическая система не может находиться сколь угодно долго в этом состоянии. Спустя некоторое случайное время, в среднем равное времени жизни состояния даже при отсутствии взаимодействия с другими системами, происходит спонтанное излучение (например — фотона, однако возможно и излучение других частиц с ненулевой массой покоя, например, электрона). Спонтанное излучение обусловлено взаимодействием с нулевыми колебаниями квантовых полей в физическом вакууме. В квантовой механике показывается, что энергия гармонического осциллятора отлична от нуля даже в основном, невозбужденном состоянии.
Функции же для состояний которые могут возникнуть при высвечивании атома, со временем возрастают. Если высвечивание с данного уровня возможно на различные (помимо ) уровни атома, то будет много возрастающих функций каждая из них отвечает состоянию, в котором атом находится на одном из своих уровней и имеется один фотон соответствующей энергии. До сих пор при изучении испускания и рассеяния света мы рассматривали все уровни системы (скажем, атома) как строго дискретные.
Ударным механизмом объясняется также уширение радиолиний, соответствующих переходам между высоковозбуждёнными уровнями атомов водорода. Существует множество факторов, которые приводят к увеличению ширины линии и из-за которых спектральные линии не являются монохроматическими ― они называются механизмами уширения125. Важное значение естественная ширина распада имеет в физике высоких энергий, где по накопленной статистике измерений энергии продуктов распада можно вычислить время жизни частиц, получаемых в ускорителях2. 3.2 показан способ измерения спектральной ширины лазерного излучения по спектральному контуру (по распределению энергии внутри линии). Доплеровскоеуширение в газовых активных средахдостигает 1000 МГц, тогда как в твердыхтелах оно незначительно из-за жесткойсвязи ионов активатора с решеткой. Придоплеровском уширении форма линиименяется и уже не соответствуетформе естественной линии; поэтому такоеуширение называют неоднородным. В 1860 году Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен определили, что каждая спектральная линия порождается определённым химическим элементом.
Механизмы уширения
Лорд Рэлей в 1889 году предложил первую теорию для объяснения уширения спектральных линий разряженных газов. Он предположил, что эффект Доплера и случайное распределение атомов или молекул по скоростям приводит к гауссовскому контуру спектральной линии47. Наблюдаемая спектральная линия вещества представляет собой суперпозицию спектральных линий всех частиц вещества, т. Для легких частиц при обычной температуре ширина доплеровской линии в оптическом диапазоне может превышать естественную ширину линии на несколько порядков и достигать значения более 1 ГГц.
Ширина линии
Кроме того, в 1958 году был изобретён лазер, который создаёт излучение в очень узких линиях, что позволяет эффективно использовать приборы с высоким спектральным разрешением4548. Существует множество факторов, которые приводят к увеличению ширины линии и из-за которых спектральные линии не являются монохроматическими ― они называются механизмами уширения1314. — полная относительная вероятность перехода Это — распределение дисперсионного вида.
Линии в наблюдаемом спектре могут быть отождествлены с линиями известных химических элементов, следовательно, по спектральным линиям можно определять присутствие тех или иных химических элементов в исследуемом объекте9. Количественное определение химического состава источника спектра по линиям является предметом спектрального анализа10. Энергетическому переходу между двумя бесконечно узкими энергетическими уровнями должна соответствовать бесконечно узкая спектральная линия поглощения или излучения на строго фиксированной частоте. Реально такая идеализированная монохроматическая волна существовать не может, поскольку уровни энергии имеют конечную ширину.
Увеличению ширины спектральной линии по сравнению с естественной шириной. Наиболее широкими оказываются уровни с малым временем жизни и большой вероятностью перехода. Соотношение ширины линии и ширины перехода наглядно иллюстрируется рис.1.2.
Впредыдущем рассмотрении не учитывалась ширина спектральной линии. Но любая спектральная линия имеет конечную ширину, связанную с вероятностями переходов. Поэтому вопрос о форме и ширине спектральной линии целесообразно рассмотреть подробнее. Важнейшейколичественной характеристикой линииявляется ее ширина. Ширинойлинии называется интервал частоты между точками, для которых интенсивностьизлучения (поглощения) падает в два разапо сравнению с максимальной.Иногдаоперируют понятием не ширины, а полушириныспектральной линии. Энергетические уровни состояний такой системы квантованы (дискретны), однако, из принципа неопределенности следует, что спектральные линии даже изолированной системы имеют конечную, но малую ширину, то есть, квазидискретны. Этот феномен объясняется взаимодействием системы с нулевыми колебаниями вакуумных полей (например, электромагнитного поля).
Этоприводит к дополнительному уширениюспектральных линий. Существует двегруппы факторов, влияющих на ширинуспектральных линий. Первая – вызываетв излучении каждого атома одинаковоеуширение линии. Вторая группа причин вызываету розных атомов разную величину уширениялиний. Спектральные линии таких источниковможно представить как наложениеспектральных линий, излучаемых отдельнымиатомами.
Форма спектральной линии, описываемая формулой (62,10), свойственна изолированному неподвижному атому; ее называют естественной 2). Спектральные линии с очень малой шириной реализуются при ядерных переходах в кристаллах при Мёссбауэра эффекте, узкие спектральные линии испускаются квантовыми генераторами – мазерами и лазерами. Уровня, m – его квантовый дефект, z- спектроскопич. Символ иона, Ne – концентрация электронов, множитель а0,2-0,5 для нейтральных атомов, для однократных ионов а1.
Следствием этого утверждения является1 то, что вакуум заполнен малыми, так называемыми нулевыми колебаниями различных полей, в том числе и электромагнитного. Взаимодействие с этими полями приводит, в конце концов, к спонтанному переходу системы в основное или более нижележащее энергетическое состояние и одновременному излучению кванта поля или частицы.
Механизмы уширения линии. Естественное время жизни и ширина спектра спонтанного излучения.
В 1927 году Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости, который обуславливает естественную ширину линии4547. Другими словами, учет ширины уровня не меняет поляризационных свойств и углового распределения излучения. В 1842 году Кристиан Доплер предложил метод определения лучевых скоростей звёзд по смещению линий в их спектрах. В 1868 году Уильям Хаггинс впервые применил этот метод на практике44. Для лучшего понимания постановки вопроса напомним, что при нахождении обычной вероятности излучения (в 1 с) с переходом (без учета ширины уровня) уравнение (62,3) надо решать, заменив в первом приближении в его правой стороне все значениями (62,4).
Смотрите так же термины и статьи:
≈ 100 МГц, для лазеров с длительностью импульса, равной 10 нс. Спектральные линии уровней энергии в реальности никогда не соответствуют строго определенным значениям, а переходы между ними – строго определенным разностям энергии, описанным в подразд. Это означает, что и частота в формуле (1.4) также не имеет https://bet.ua/ строго определенного значения 9. Дальнейшему изучению спектральных линий способствовало изобретение более совершенных оптических приборов.
В 1861 году Кирхгоф смог определить химический состав Солнца по линиям в его спектре, а в 1869 году Норман Локьер открыл неизвестный ранее элемент в спектре Солнца, названный гелием — на Земле этот элемент был обнаружен только в 1895 году4344. Форма линии (62,13) отличается от (62,10) лишь заменой на — ширина линии равна сумме ширин начального и конечного состояний. С увеличением массы частиц М и понижением температуры Т ширина линии Дуд уменьшается. 3.3 приведены резонансные кривые лазерного перехода (с центром ν0 и шириной линии ∆ν0) и резонансная частота лазерного резонатора (с центром νген. и шириной линии ∆νген.). Лоренц не получил выражение для лоренциана в виде спектра и нашёл, что в рамках кинетической теории уширение спектральных линий не согласуются с экспериментом50. Уширениеспектральных линий- физические процессы, приводящие кнемонохроматичности спектральных линийи определяющие их контуры. Квантовые системы описываются своими волновыми функциями, модули комплексных амплитуд которых достаточно быстро убывают с увеличением расстояния до системы, однако, с формальной точки зрения, нигде не обращаются в ноль.
Доплеровское уширение
Эти так называемые оптические столкновения часты и нарушают когерентность монохроматической волны. Виктор Вайскопф в начале 1930-х годах учёл влияние достаточно сильных соударений, которые меняли фазу волны на радиан и более.
Его теория рассматривала переходы, вызванные почти мгновенными ударами излучающего атома другими частицами, которые двигаются согласно классической теории рассеяния54. Теория Андерсона приводит к профилю линии, определяемому суммой по всем возможным дипольным переходам, каждому из которых соответствует лоренцевский контур с определённой интенсивностью и шириной линии5455, соответствующий отдельным независимым линиям56.
Естественная ширина спектральной линии зависит от ширин распада как начального, так и конечного состояния системы, между которыми происходит переход. В случае распада до стабильного состояния (то есть, уровня с нулевой шириной распада) естественная ширина линии совпадает с шириной распада начального состояния. В случае, когда ширины обоих уровней конечны, квадрат естественной ширины линии равен сумме квадратов ширин начального и конечного состояний. В квантовых приборах широко используются твердые вещества с примесными ионами, квантовые переходы которых являются рабочими. Колебания кристаллической решетки создают переменное электрическое поле, которое влияет на ионы решетки и изменяет их энергию, а это приводит к размытию энергетических уровней и уширению спектральной линии. Кроме того, ширина линии увеличивается вследствие тепловых колебаний самих ионов. Причиной уширения спектральной линии твердого тела может быть также пространственная неоднородность физических параметров среды или неоднородности электрического и магнитного полей.
В 1885 году Иоганн Бальмер эмпирически вывел формулу для длин волн некоторых спектральных линий водорода. В 1888 году Йоханнес Ридберг обобщил эту формулу для переходов между любыми двумя уровнями в атоме водорода — формулу Ридберга. В 1896 году Питер Зееман обнаружил расщепление спектральных линий в магнитном поле — эффект, позже названный в его честь4546. Есте́ственная ширина́ спектра́льной ли́нии — ширина спектральной линии излучения изолированной квантовомеханической системы. Таким образом, спектральная ширина лазерного излучения определяется интервалом частот ∆ν (∆λ) около центра линии, на краях которого интенсивность падает в два раза по сравнению с центром линии. Последнее особенно заметнопроявляется в активированных стеклах,где окружение каждого из активных ионовразлично.
Sorry, the comment form is closed at this time.