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.
Задолго до открытия спектральных линий, в 1666 году Исаак Ньютон впервые наблюдал спектр Солнца, а в 1802 году Уильям Волластон создал щелевой спектроскоп. В 1814 году Йозеф Фраунгофер обнаружил в спектре Солнца спектральные линии поглощения, которые впоследствии стали называться фраунгоферовыми4344. Эмиссионные линии можно наблюдать, например, в спектре нагретого разреженного газа.
Ширина спектральной линии
Поскольку линия может иметь большую ширину при сравнительно малой интенсивности. Деконволюцию можно использовать для улучшения спектрального разрешения. В случае ЯМР спектров процесс относительно прост, потому что контуры линий — лоренцианы, и свёртка лоренциана с другим лоренцианом также является лоренцианом. Во временной области (после преобразования Фурье) свёртка становится умножением. Следовательно, свёртка суммы двух лоренцианов становится умножением двух экспонент во временной области. Поскольку Фурье спектроскопия ЯМР выполняется во временной области, деление данных на экспоненту эквивалентно деконволюции в частотной области.
Однако в некоторых условиях, например, при высоком давлении, могут возникать профили линий сложной асимметричной формы. При воздействии магнитного поля энергетические уровни атомов расщепляются на несколько подуровней с близкими значениями энергии. При эффекте Зеемана профили расщеплённых частей линии зачастую сливаются между собой, что вызывает наблюдаемое уширение линии, а не расщепление33334. Спектра́льная ли́ния — узкий участок энергетического спектра (например, спектра электромагнитного излучения), где интенсивность излучения усилена либо ослаблена по сравнению с соседними областями спектра. В первом случае линия называется эмиссионной линией, во втором — линией поглощения. Положение линии в электромагнитном спектре обычно задаётся длиной волны, частотой или энергией фотона.
СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Если лазер работает в одномодовом режиме и его выходное излучение не изменяется во времени, то предел монохроматичности можно уменьшить до значения порядка 1–10 Гц (например, для He-Ne- лазера, работающего в непрерывном режиме). Для лазеров, работающих в импульсном режиме, минимальная спектральная ширина ограничивается величиной, обратной длительности импульса τимп..
Однородное уширение спектральной линии. Профиль однородного уширения линии.
Например, к эффектам давления относятся столкновения возбуждённых атомов с другими частицами, в результате которых атомы теряют свою энергию возбуждения. В результате среднее время жизни атома в возбуждённом состоянии уменьшается, и, в соответствии с принципом неопределённости, увеличивается размытость уровня по сравнению с естественной (см. выше➤)526. Ударное уширение приводит к формированию лоренцевского профиля2.
Рассмотрение дополнительно слабых столкновений в рамках теории возмущений позволили Мишелю Беранжеангл. в 1958 году учесть взаимное влияние соседних уровней на переходы. Оптические соударения встречаются значительно чаще, чем сильные удары и оказывают сильное влияние на форму крыльев спектральных линий56. Трактовка траекторий частиц в рамках квантовой механики приводит к асимметричной лоренцевской форме спектральных линий57. Полная двухчастичная теория, где учитывается взаимодействие между сталкивающимися частицами, построена в 1963 году Уго Фано58.
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).
Для предотвращения сокращения времени жизни при неупругих соударениях со стенками сосуда последние покрывают материалом, при столкновениях с которым частица испытывает только упругое отражение. Таким образом, естественная ширина спектральной линии является следствием принципа неопределённости. Параметры спектральных линий и их профили содержат большое количество информации об условиях в среде, где они возникли, поскольку разные механизмы уширения приводят к образованию различных профилей1338.
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.
Таким образом, изолированная система, у которой волновые функции не перекрываются с волновыми функциями других систем является, вообще говоря, абстрактным понятием. Втвердых телах уширение спектральнойлинии и даже https://bet.ua/ их расщепление возможнотакже вследствие влияния электрическихи магнитных полей (эффект Штарка, эффектЗеемана). Эти и другие открытые явления нуждались в теоретическом объяснении. После появления квантовой механики, в 1913 году Нильс Бор выдвинул свою квантовую теорию строения атома, которая объясняла формулу Ридберга, а в 1924 году Вольфганг Паули сформулировал принцип запрета, позволивший объяснить эффект Зеемана.
ширина спектральной линии
Для разрешённых отбора правилами переходов dvel-2. Величина dve очень мала в радиодиапазоне, для ИК-линий dve~100 Гц, в видимом и УФ-диапазонах dve~ 10 МГц (для интенсивных линий). Ширина может быть очень малой; так, для строго запрещённой линии водорода 2S1/2 – 1S1/2 величина dve обусловлена двухфотонным распадом верх. Таким образом, длины волн спектральных линий характеризуют структуру энергетических уровней квантовой системы. В частности, каждый химический элемент и ион имеет собственную структуру энергетических уровней, а значит, уникальный набор спектральных линий14.
≈ 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 строго определенного значения 9. Дальнейшему изучению спектральных линий способствовало изобретение более совершенных оптических приборов.
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.
Причиной уширения спектральной линии может быть также электромагнитное излучение, вызывающее вынужденные переходы между рассматриваемыми уровнями и приводящее к изменению времени жизни частицы. Поэтому, например, процесс генерации излучения в квантовых приборах будет приводить к изменению ширины линии. Спектральные линии имеют малую ширину, но они не монохромны.
Аппаратная функция может иметь различную форму — её могут описывать, например, треугольной функцией, экспоненциальной функцией или функцией Гаусса, а также многими другими. Она может быть рассчитана теоретически по известным параметрам измерительного прибора, однако чаще её восстанавливают по экспериментальным данным46. Одна из принципиальных проблем лазерной физики заключается в том, как получить монохроматическое излучение, т. Излучение, близкое по своей структуре к идеальной гармонической волне. Уширение линий в магнитных и электрических полях. Мы рассмотрели влияние инверсной среды на характеристики проходящего излучения.
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
Распределение интенсивности излучения в линии называется профилем или контуром спектральной линии, вид которого зависит от множества факторов, называемых механизмами уширения. Среди них — естественная ширина спектральной линии, доплеровское уширение и другие эффекты. Профиль (контур) спектральной линии — распределение интенсивности излучения или поглощения в линии в зависимости от длины волны или частоты. Профиль часто характеризуется шириной на полувысоте и эквивалентной шириной, а его вид и ширина зависит от множества факторов, называемых механизмами уширения. Поскольку чаще всего механизмы уширения, отдельно взятые, создают либо гауссовский, либо лоренцевский профиль, то наблюдаемые профили линий представляют собой их свёртку — фойгтовский профиль, который достаточно хорошо описывает большинство спектральных линий.
Смотрите так же термины и статьи:
Если же пропустить излучение источника с непрерывным спектром через тот же самый газ в охлаждённом состоянии, то на фоне непрерывного спектра будут наблюдаться линии поглощения на тех же длинах волн37. Кроме механизмов уширения (см. выше➤), на профиль линии влияет аппаратная функция приборов и их спектральное разрешение. Эффект Штарка, возникающий в постоянном электрическом поле, также приводит к расщеплению энергетических уровней, и, как следствие — к расщеплению спектральных линий, как и эффект Зеемана35.
Поскольку количество фотонов, поглощаемых или излучаемых в линии, зависит только от количества атомов в соответствующем состоянии и плотности излучения (см. выше➤), то, при прочих равных, чем больше ширина линии, тем меньше её глубина или интенсивность21. При воздействии внешнего магнитного поля на квантовую систему происходит расщепление энергетического уровня Ем на несколько подуровней gm. Это расщепление, сопровождающееся уширением спектральной линии, называется эффектом Зеемана, а число gm различных состояний – кратностью (степенью) вырождения уровня. Вероятная скорость частиц в газе, M – масса атома (или молекулы), w0 – круговая частота спектральной линии. О., доплеровская ширина зависит от темп-ры и часто используется для её определения. Для объяснения ширины лоренцевской линии оказалось, что нужно учесть слабое влияние возмущений от пролетающих вблизи от излучающей молекулы других молекул, которые не испытывают жёстких соударений, но могут вызывать скачки фазы излучаемой волны благодаря силам Ван-дер-Ваальса.
Отметим, что ширина линии оказывается, вообще говоря, не равной вероятности самого перехода т. Не пропорциональной интенсивности линии (как это было бы в классической теории).
Энергетическиеуровни имеют некоторую ширину, т.е.энергия каждого атомного состояния неявляется строго фиксированной, анесколько размыта. Для изолированной квантовой системы характерна естественная (радиационная) Ш. Dve, определяемая суммой ширин уровней энергии, между к-рыми происходит соответствующий данной спектральной линии спонтанный квантовый переход.
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).