В атомной физике доплеровское уширение — уширение спектральных линий , обусловленное эффектом Доплера , вызванным распределением скоростей атомов или молекул . Различные скорости излучающих ( или поглощающих ) частиц приводят к различным доплеровским сдвигам, совокупным эффектом которых является уширение линии излучения (поглощения). [1] Этот результирующий профиль линии известен как доплеровский профиль .
Частным случаем является тепловое доплеровское уширение , обусловленное тепловым движением частиц. Тогда уширение зависит только от частоты спектральной линии, массы излучающих частиц и их температуры и, следовательно, может быть использовано для определения температуры излучающего (или поглощающего) тела, исследуемого спектроскопически.
Когда частица движется (например, за счет теплового движения) к наблюдателю, испускаемое излучение смещается в сторону более высокой частоты. Аналогично, когда излучатель удаляется, частота снижается. В нерелятивистском пределе доплеровский сдвиг равен
где – наблюдаемая частота, – частота в системе покоя, – скорость излучателя по направлению к наблюдателю, – скорость света .
Поскольку в любом элементе объема излучающего тела существует распределение скоростей как по направлению к наблюдателю, так и от него, конечным эффектом будет расширение наблюдаемой линии. Если – доля частиц с компонентой скорости вдоль луча зрения, то соответствующее распределение частот имеет вид
где – скорость по направлению к наблюдателю, соответствующая сдвигу частоты покоя на . Поэтому,
Мы также можем выразить уширение через длину волны . Поскольку , , и так . Поэтому,
В случае теплового доплеровского уширения распределение скорости определяется распределением Максвелла
где – масса излучающей частицы, – температура, – постоянная Больцмана .
Затем
Мы можем упростить это выражение как
который мы сразу распознаем как профиль Гаусса со стандартным отклонением
и полная ширина на половине высоты (FWHM)
В астрономии и физике плазмы тепловое доплеровское уширение является одним из объяснений расширения спектральных линий и, как таковое, дает представление о температуре наблюдаемого материала. Однако могут существовать и другие причины распределения скорости, например, из-за турбулентного движения. При полностью развитой турбулентности результирующий профиль линии вообще очень трудно отличить от теплового. [2] Другой причиной может быть большой диапазон макроскопических скоростей, возникающий, например, из-за удаляющихся и приближающихся частей быстро вращающегося аккреционного диска . Наконец, есть много других факторов, которые также могут расширить границы. Например, достаточно высокая плотность частиц может привести к значительному штарковскому уширению .
Доплеровское уширение также можно использовать для определения распределения газа по скоростям с учетом его спектра поглощения. В частности, это использовалось для определения распределения скоростей межзвездных газовых облаков. [3]
Доплеровское уширение, физическое явление, определяющее температурный коэффициент реактивности топлива, также использовалось при проектировании высокотемпературных ядерных реакторов . В принципе, по мере нагревания реакторного топлива спектр поглощения нейтронов будет расширяться из-за относительного теплового движения ядер топлива относительно нейтронов. Учитывая форму спектра поглощения нейтронов, это приводит к уменьшению сечения поглощения нейтронов , уменьшению вероятности поглощения и деления. Конечным результатом является то, что реакторы, спроектированные с использованием доплеровского уширения, будут снижать свою реактивность при повышении температуры, создавая пассивную меру безопасности . Это, как правило, более актуально для реакторов с газовым охлаждением , поскольку в реакторах с водяным охлаждением доминируют другие механизмы .
Спектроскопия насыщенного поглощения , также известная как бездоплеровская спектроскопия, может использоваться для определения истинной частоты атомного перехода без охлаждения образца до температур, при которых доплеровское уширение незначительно.