Форма і ширина спектральної лінії

Спектральна лінія — світла або темна вузька смуга в оптичному спектрі, пов'язана з надлишком або відсутністю фотонів з відповідною частотою.

Спектральні лінії характеризуються інтенсивністю, шириною та формою.

Спектр, у якому чітко розрізняються окремі лінії називається лінійчастим спектром.

Близькі за частотою спектральні лінії називають мультиплетами — дублетами, якщо їх дві, триплетами, якщо три тощо. Часто мультиплети з'являються в оптичних спектрах у зовнішніх полях, що є свідченням того, що при відсутності зовнішнього збурення спектральна лінія є власне накладеними одна на одну кількома лініями.

Ширина́ спектральної лі́нії — кількісна характеристика розмитості лінії в спектрі.

Позначається здебільшого літерою  .

Зазвичай за ширину лінії вибирається повна ширина на половині максимуму інтенсивності.

Удвічі менша величина називається напівшириною і позначається здебільшого  .

Фізична природа[ред. • ред. код]

Уширення ліній у спектрах будь-якої природи виникає завдяки різним чинникам. Одним із чинників є недосконалість вимірювальних приладів, можливості яких обмежені роздільною здатністю. Проте часто лінія набагато ширша, ніж характерний масштаб похибки вимірювального приладу. В такому випадку вивчення форми лінії дає додаткову інформацію про об'єкт дослідження.

Нижню границю ширини лінії встановлює принцип невизначеності Гайзенберга. Із ним зв'язане поняття природної ширини спектральної лінії. Квантовомеханічна система не може перебувати в збудженому стані як завгодно довго. Рано чи пізно відбувається спонтанне випромінювання кванта електромагнітного поля, й система переходить до стану із меншою енергією. Якщо час життя збудженого стану дорівнює τ, то згідно із принципом Гайзенберга, невизначеність енергії системи визначається нерівністю

,

де   - приведена стала Планка.

Оскільки  , то, невизначеність в частоті ω повинна бути принаймні не меншою за 1/2τ.

Природня ширина лінії є її нижньою границею, проте лінії реальних спектрів розмиті додатково завдяки різним іншим чинникам. Енергетичні рівні квантовомеханічних систем зміщуються при взаємодії із сусідніми тілами, розташування яких часто випадкове. Така взаємодія призводить до ще більшої невизначеності частоти квантовомеханічного переходу, проте ретельне вивчення ширини та форми лінії в залежності від температури чи інших чинників, дозволяє робити висновки про взаємодію атомів і молекул у тілах.

Природне і Доплерівське розширення спектральної лінії

Радіаційна (природна) Ш. с. л.відповідно рівна: (Dn _ki ) _рад = ( A _до + A _i ) /2p (де A _до і A _i — повна вірогідність спонтанних переходів з рівнів E _до і E _i на всі рівні, що пролягають нижче); вона дуже мала і зазвичай Ш. с. л. для атомів і молекул визначається в основному розширенням їх рівнів енергії при взаємодії з навколишніми частками (у газі і плазмі — при зіткненнях), а також розширенням спектральних ліній унаслідок ефекту Доплера. Залежно від типа розширення виходить симетричний або асиметричний контур спектральних ліній (на мал.(малюнок) показаний симетричний, т.з. дисперсійний, контур, характерний для радіаційного розширення).

Ефект Доплера — явище зміни частоти хвилі, яку реєструє приймач, викликане переміщенням джерела або приймача.

Рухоме джерело[ред. • ред. код]

,

де ν частота хвилі, яку фіксує нерухомий спостерігач,   — частота коливань у рухомому джерелі, s — швидкість розповсюдження хвилі, v — швидкість джерела. Знак залежить від напрямку руху джерела відносно спостерігача.

Частота хвилі, яку фіксує спостерігач зростає, якщо джерело рухається до нього, й зменшується, якщо джерело рухається від спостерігача.

Рухомий спостерігач[ред. • ред. код]

Ситуація, коли рухається спостерігач, загалом не аналогічна руху джерела, бо хвилі розповсюджуються в певному середовищі. В такому випадку існують три системи відліку, пов'язані з середовищем, джерелом і спостерігачем.

При нерухомому відносно середовища джерелі спостерігач, який рухається із швидкістю V фіксуватиме хвилі на частоті

.

У випадку, коли рухаються і джерело й спостерігач

.

Електромагнітні хвилі[ред. • ред. код]

У випадку електромагнітних хвиль у порожнечі ситуація змінюється, оскільки середовища розповсюдження хвилі не існує. Відносна швидкість джерела й спостерігача залишається єдиною характеристикою руху.

,

де c — швидкість світла.

Використання[ред. • ред. код]

Ефект Доплера використовується в радіолокації для розпізнавання рухомих об'єктів, наприклад, літаків, на фоні нерухомих (гір, хмар). За червоним зміщенням світла від астрономічних об'єктів, вимірюється їхня швидкість і розраховується відстань до них. Ефект Доплера широко використовується в медицині. На базі ефекту створені комп'ютерні комплекси ультразвукової доплерографії. Зміна характеристик ультразвуку при проходженні через судини дозволяє визначати стан кровообігу, як в поверхневих так і у внутрішніх судинах.

Доведення[ред. • ред. код]

У 1845 році голландський метеоролог, іноземний член-кореспондент Петербурзької академії наук Христофор Бейс-Баллот (1817–1890) вирішив перевірити гіпотезу Доплера. Він найняв паровоз з вантажною платформою, посадив на платформу двох сурмачів і попросив їх тримати ноту соль (два сурмачі були потрібні для того, щоб один з них міг набирати повітря, поки інший тягне ноту, і таким чином звук би не уривався). На пероні одного полустанка між Утрехтом іАмстердамом Бейс-Баллот розмістив декількох музикантів без інструментів, але з абсолютним музичним слухом. Після чого паровоз став з різною швидкістю тягати платформу з сурмачами повз перон із слухачами, а ті відзначали, яку саме ноту вони чують. Потім спостерігачів змусили їздити, а сурмачі грали, стоячи на пероні. Досліди тривали два дні, в результаті чого був доведений ефект відкритий Доплером.