ширина спектральной линии

ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ -мера немонохроматичности спектральной линии. Ш.с. л. определяют как расстояние между точками контура спектральной линии, в к-рых интенсивность равна половине её макс, значения. В научной литературе вместо термина "Ш.с. л." иногда используют англ. аббревиатуру FWHM - Full Width at Half Maximum. Ш. с. л. выражают в единицах круговой частоты - dw (с^-1), частоты - dv (Гц), длины волны - dl (нм) или волнового числа - d(1/l) = dv/c (см^-1). Иногда под Ш.с.л. понимают полуширину g = dw/2; для классич. осциллятора g есть константа затухания амплитуды свободных колебаний.

Для изолированной квантовой системы характерна естественная (радиационная) Ш. с. л. dv_e, определяемая суммой ширин уровней энергии, между к-рыми происходит соответствующий данной спектральной линии спонтанный квантовый переход. Для разрешённых отбора правилами переходов dv_el^-2. Величина dv_e очень мала в радиодиапазоне, для ИК-линий dv_e~100 Гц, в видимом и УФ-диапазонах dv_e~ 10 МГц (для интенсивных линий). Для излучат. переходов из метастабильных состояний естеств. ширина может быть очень малой; так, для строго запрещённой линии водорода 2S_1/2 - 1S_1/2 величина dv_e обусловлена двухфотонным распадом верх. уровня и составляет всего ок. 1,3 Гц.

В разреженных газах с максвелловским распределением частиц по скоростям спектральные линии имеют доплеровскую ширину, определяемую Доплера эффектом:

где -наиб. вероятная скорость частиц в газе, M - масса атома (или молекулы), w₀ - круговая частота спектральной линии. T. о., доплеровская ширина зависит от темп-ры и часто используется для её определения.

В плотных газах, плазме, жидкостях и твёрдых телах Ш.с. л. обусловлена взаимодействием частиц (см. Уширение спектральных линий). Так, Ш. с. л. водородоподобного иона с зарядом ядра Z в плазме в осн. определяется квазистатич. уширением ионами:

где Z,- заряд возмущающих ионов, N_i - их концентрация (число в 1 см³), n и п' - гл. квантовые числа уровней энергии, участвующих в квантовом переходе. В большинстве случаев, однако, механизм уширения спектральных линий в плазме ударный. Если при этом на излучающую систему воздействует неск. видов возмущающих частиц, то полная Ш.с. л. равна сумме ширин, вызванных ударным воздействием всех частиц:

где N_m-концентрация частиц вида т, a K_m = 2<us'_m> - константа уширения спектральной линии при соударении с частицами вида т (s'_т- эфф. сечение уширения). Ширина неводородоподобных линий в плазме обусловлена гл. обр. столкновениями с электронами. По порядку величины

где n - гл. квантовое число верх. уровня, m - его квантовый дефект, z- спектроскопич. символ иона, N_e - концентрация электронов, множитель а0,2-0,5 для нейтральных атомов, для однократных ионов а1. Ударным механизмом объясняется также уширение радиолиний, соответствующих переходам между высоковозбуждёнными уровнями атомов водорода. При этом Ш. с. л. обусловлена неупругими переходами и пропорц. концентрации заряж. частиц.

В нейтральных газах уширение спектральных линий атомами посторонних газов определяется потенциалом ван-дер-ваальсовского взаимодействия V=C₆/R⁶(R - расстояние между атомами, C₆ - постоянная для данного типа взаимодействующих атомов); Ш.с. л. выражается ф-лой

где M - приведённая масса сталкивающихся частиц, N- их концентрация. Наиб. уширение в атомарных нейтральных газах испытывают резонансные линии в однородном газе (резонансное уширение). Для изолированной резонансной линии

где т - масса электрона, f₀₁-сила осциллятора перехода 01, J₀ и J₁-квантовые числа полного момента для основного и резонансного уровней.

Константы уширения К для колебательно-вращат. и вра-щат. линий большинства молекул практически одного порядка величины. При темп-ре T= 300 К характерное значение K~ 1 · 10^-9 см³ с^-1. Для больших вращат. квантовых чисел, когда разность энергий уровней сопоставима с kT, ущирение становится в неск. раз меньше. Величина К обычно T^a, причём эмпирич. значения показателя a для разл. пар молекул составляют 0,12-0,40. Уширение, связанное с собств. давлением газа, существенно превышает уширение посторонним газом лишь в нек-рых случаях - чаще всего у полярных молекул. Так, константа уширения давлением для вращат. линии H₂O с частотой 380 ГГц составляет 7,5 · 10^-9 см³ с^-1. По Ш.с. л., обусловленной взаимодействием частиц, определяют их концентрацию в излучающих и поглощающих объектах (см., напр., Диагностика плазмы).

Спектральные линии с очень малой шириной реализуются при ядерных переходах в кристаллах при Мёссбауэра эффекте, узкие спектральные линии испускаются квантовыми генераторами - мазерами и лазерами.

Лит.: Konjevic N., Dimitrijevic M.S., Wiese W. L., Experimental stark widths and shifts for spectral lines of neutral atoms, "J. Phys. Chem. Ref. Data", 1984, v. 13, № 3, p. 619: Konjevic N., DimitrijevicM. S., Experimental stark widths and shifts for spectral lines of positive ions, там же, p. 649; см. также лит. при ст. Уширение спектральных линий. E. А. Юков.

   <<      Предметный указатель      >>