§ 4. Ширина спектральных линий и затухание излучения

У же неоднократно указывалось, что идеальное монохроматическое излучение представляет собой фикцию и что в реальных случаях излучение всегда соответствует некоторому интервалу длин волн. Правда, излучение разреженных газов, поставленных в специально благоприятные условия, может довольно близко подходить к этому воображаемому случаю; так, наблюдаются спектральные «линии», в излучении которых представлены со сколько-нибудь измеримой интенсивностью длины волн, заключенные в интервале, не превышающем нескольких тысячных ангстрема. Еще более монохроматично излучение оптических квантовых генераторов, но и здесь энергия сосредоточена в конечном, хотя и очень малом спектральном интервале. В большинстве же случаев излучение атомов гораздо сильнее отличается от монохроматического и представляет собой набор излучений, длины волн которых варьируют в пределах нескольких сотых и даже десятых ангстрема. При повышении давления пара линии излучения расширяются все больше и больше, и постепенно излучение теряет даже приблизительно монохроматический характер, переходя в сплошное излучение, подобное излучению накаленных твердых тел.

Для характеристики степени монохроматичности спектральных линий, т. е. излучения практически изолированных атомов, надо исследовать распределение интенсивности излучения по частотам с помощью прибора высокой разрешающей способности, например интерферометра Майкельсона или Фабри—Перо. Результат такого исследования можно представить в виде диаграммы (рис. 4.1), где по оси абсцисс отложены длины волн, а по оси ординат — соответствующие интенсивности. Конечно, нижние части полученных кривых очень мало достоверны, и можно полагать, что в идеальных условиях кривые спадали бы к нулю асимптотически. В разных условиях опыта (различие в природе пара, различие в температуре и давлении его, в степени иониза­ции и т. д.) форма спектральной линии, изображенная на рис. 4.1, может быть различной. В качестве характеристики ширины линии условно принимают расстояние в ангстремах между двумя точками А, В, где ордината достигает половины максимальной. Эту условную характеристику принято называть шириной спектральной линии. Как сказано, она в очень благоприятных случаях может составлять 0,001 Å и менее, но обычно бывает значительно шире; кроме того, и форма линии может сильно отступать от приведенной на рисунке, будучи иногда заметно асимметричной.

Всякая причина, обусловливающая затухание электронных колебаний в атоме, влияет, конечно, на ширину спектральной линии, ибо вследствие затухания колебание перестает быть синусоидальным, и соответствующее излучение будет более или менее отличаться от монохроматического. Поэтому и затухание вследствие излучения и затухание, обусловленное соударениями, ведут к тем большему уширению спектральной линии, чем больше значение этих факторов. Затухание вследствие излучения должно характеризовать атом, поставленный в наиболее благоприятные условия, т. е. вполне изолированный от воздействия каких-либо внешних агентов. Поэтому ширину, обусловленную этой причиной, называют естественной или радиационной шириной спектральной линии. Величина ее обусловлена механизмом излучения атома. Рассматривая атом как электрический диполь, колеблющийся по законам классической электродинамики, мы можем вычислить потерю энергии этого диполя с течением времени, т. е. отыскать предполагаемый закон естественного затухания свечения. Расчет дает простой экспоненциальный закон

I=I₀exp(-t/τ)

где τ — величина, выражающаяся через заряд и массу электрона и показывающая, за какое время интенсивность излучения уменьшается в е раз. В τ входит также и частота колебания электрона, так что τ для различных линий должна быть различна. Для видимого света τ имеет порядок величины 10^-8 с.

В. Вину (1919 г.) удалось наблюдать на опыте такое естественное затухание свечения вследствие излучения, осуществив условия, при которых действие других причин, могущих влиять на ход излучения, было исключено.

Из своих опытов Вин получил для τ величину около 10^-8 с, несколько меняющуюся от одного вещества к другому и от одной спектральной линии к другой. Таким образом, за время около одной стомиллионной секунды интенсивность свечения вследствие излучения падает приблизительно в три раза. Полученное значение согласуется в общем с предвидением теории, упомянутой выше, хотя и не подтверждает всех ее заключений. Столкновения между атомами обусловливают «ударное» уширение спектральной линии. При очень низких плотностях, когда соударения редки, или в потоке свободно несущихся каналовых частиц, которые практически не сталкиваются, влияние этой причины уширения может быть сделано настолько малым, что им можно пренебречь. Но при обычных условиях газового свечения, например в разрядной трубке или в ртутной лампе, она может являться одной из серьезнейших или даже самой серьезной причиной уширения линий. Так, в современных ртутных лампах сверхвысокого давления, где давление паров ртути достигает 20—30 атм, «линии» ртутного излучения настолько уширены, что само выражение «спектральные линии» теряет смысл. Наблюдалось также заметное уширение спектральных линий при добавлении к светящемуся газу значительных количеств постороннего газа.

Так как в обычных разрядных трубках светящиеся молекулы газа носятся вследствие теплового движения по всем направлениям, то для наблюдателя, измеряющего ширину спектральной линии, выступает еще одна причина уширения: свет посылается движущимися атомами, так что частота его изменена эффектом Допплера. Поскольку движение атомов происходит по всевозможным направлениям, составляющим всевозможные углы с направлением наблюдения, то изменение частоты будет соответствовать выражению Δ ν =ν υ/c cosθ, где υ — скорость атома и θ — угол между направлением полета и направлением наблюдения. θ имеет все значения от нуля до 180°, а υ распределено по закону Максвелла. При температурах в несколько сотен и даже тысяч градусов, нередко соответствующих газовому разряду, это уширение, особенно для легких атомов, может иметь весьма заметную величину.

Наконец, следует считаться с тем обстоятельством, что светящиеся атомы могут оказаться под действием магнитных и электрических полей окружающих атомов, вызывающих изменение излучаемой частоты вследствие эффекта Зеемана и эффекта Штарка. Так как изменение частоты различных атомов различно, то эта причина также ведет к различному уширению спектральных линий. Действие ее (особенно эффекта Штарка) может быть весьма заметным при наличии сильной ионизации и, следовательно, сильных электрических полей. По-видимому, при свечении в разряде электрической искры действие этого фактора очень значительно и вызывает сильное уширение (десятые ангстрема и больше) некоторых линий.