Спектральная линия — это более слабая или более сильная область в однородном и непрерывном спектре . Это может быть результатом излучения или поглощения света в узком диапазоне частот по сравнению с близкими частотами. Спектральные линии часто используются для идентификации атомов и молекул . Эти «отпечатки пальцев» можно сравнить с ранее собранными отпечатками атомов [1] и молекул [2] и, таким образом, использовать для идентификации атомных и молекулярных компонентов звезд и планет , что в противном случае было бы невозможно.
Спектральные линии являются результатом взаимодействия между квантовой системой (обычно атомами , но иногда молекулами или атомными ядрами ) и одиночным фотоном . Когда фотон имеет примерно необходимое количество энергии (которое связано с его частотой) [3] , чтобы позволить изменить энергетическое состояние системы (в случае атома это обычно электрон, меняющий орбитали ) , фотон поглощается. Тогда энергия будет самопроизвольно переизлучаться либо в виде одного фотона той же частоты, что и исходный, либо в виде каскада, где сумма энергий испущенных фотонов будет равна энергии поглощённого (при условии, что система возвращается в исходное состояние).
Спектральную линию можно наблюдать либо как линию излучения , либо как линию поглощения . Какой тип линии наблюдается, зависит от типа материала и его температуры относительно другого источника выбросов. Линия поглощения возникает, когда фотоны из горячего источника широкого спектра проходят через более холодный материал. Интенсивность света в узком диапазоне частот снижается из-за поглощения материалом и повторного излучения в случайных направлениях. Напротив, яркая линия излучения возникает при обнаружении фотонов из горячего материала, возможно, при наличии широкого спектра от более холодного источника. Интенсивность света в узком диапазоне частот увеличивается из-за излучения горячего материала.
Спектральные линии очень атомоспецифичны и могут использоваться для определения химического состава любой среды. Некоторые элементы, в том числе гелий , таллий и цезий , были обнаружены спектроскопическими методами. Спектральные линии также зависят от температуры и плотности материала, поэтому их широко используют для определения физических состояний звезд и других небесных тел, которые невозможно проанализировать другими способами.
В зависимости от материала и его физических условий энергия задействованных фотонов может широко варьироваться: спектральные линии наблюдаются во всем электромагнитном спектре , от радиоволн до гамма-лучей .
Сильные спектральные линии в видимой части электромагнитного спектра часто имеют уникальное обозначение линии Фраунгофера , например, K для линии с длиной волны 393,366 нм, исходящей из однократно ионизированного атома кальция Ca + , хотя некоторые из «линий» Фраунгофера представляют собой смесь несколько линий от нескольких разных видов .
В остальных случаях линии обозначаются по уровню ионизации путем добавления к обозначению химического элемента римской цифры . Нейтральные атомы обозначаются римской цифрой I, однократно ионизированные атомы — II и т. д., так что, например:
Cu II — ион меди с зарядом +1, Cu 1+
Fe III — ион железа с зарядом +2, Fe 2+
Более подробные обозначения обычно включают длину волны линии и могут включать номер мультиплета (для атомных линий) или обозначение полосы (для молекулярных линий). Многие спектральные линии атомарного водорода также имеют обозначения внутри соответствующих серий , например серия Лаймана или серия Бальмера . Первоначально все спектральные линии были разделены на серии: основная серия , острая серия и диффузная серия . Эти ряды существуют для атомов всех элементов, и закономерности для всех атомов хорошо предсказываются формулой Ридберга-Ритца . Позже эти серии были связаны с суборбиталями.
Существует ряд эффектов, управляющих формой спектральной линии . Спектральная линия простирается на крошечную спектральную полосу с ненулевым диапазоном частот, а не с одной частотой (т. е. с ненулевой спектральной шириной ). Кроме того, его центр может быть смещен от номинальной центральной длины волны. Существует несколько причин такого расширения и сдвига. Эти причины можно разделить на две общие категории – расширение из-за местных условий и расширение из-за расширенных условий. Расширение из-за местных условий происходит из-за эффектов, которые действуют в небольшой области вокруг излучающего элемента, обычно достаточно маленькой, чтобы обеспечить локальное термодинамическое равновесие . Расширение из-за расширенных условий может быть результатом изменений в спектральном распределении излучения по мере его прохождения к наблюдателю. Оно также может быть результатом объединения радиации ряда удаленных друг от друга регионов.
Время жизни возбужденных состояний приводит к естественному расширению, также известному как расширение времени жизни. Принцип неопределенности связывает время жизни возбужденного состояния (из-за спонтанного радиационного распада или оже-процесса ) с неопределенностью его энергии. Некоторые авторы используют термин «радиационное уширение» для обозначения части естественного уширения, вызванной спонтанным радиационным распадом. [4] Короткий срок службы будет иметь большую энергетическую неопределенность и обширные выбросы. Этот эффект уширения приводит к несмещенному лоренцевому профилю . Естественное уширение можно экспериментально изменить лишь в той степени, в которой скорости затухания можно искусственно подавить или увеличить. [5]
Атомы газа, излучающие излучение, будут иметь распределение скоростей. Каждый излучаемый фотон будет сдвинут в «красный» или «синий» эффект из-за эффекта Доплера в зависимости от скорости атома относительно наблюдателя. Чем выше температура газа, тем шире распределение скоростей в газе. Поскольку спектральная линия представляет собой комбинацию всего испускаемого излучения, чем выше температура газа, тем шире спектральная линия, испускаемая этим газом. Этот эффект уширения описывается профилем Гаусса , и связанного с ним сдвига нет.
Присутствие близлежащих частиц будет влиять на излучение, испускаемое отдельной частицей. Есть два предельных случая, когда это происходит:
Расширение давления также можно классифицировать по характеру возмущающей силы следующим образом:
Неоднородное уширение — это общий термин для обозначения уширения, поскольку некоторые излучающие частицы находятся в другой локальной среде, чем другие, и, следовательно, излучают с другой частотой. Этот термин используется особенно для твердых тел, где поверхности, границы зерен и вариации стехиометрии могут создавать множество локальных сред, в которых может находиться данный атом. В жидкостях эффект неоднородного расширения иногда снижается за счет процесса, называемого подвижным сужением .
Определенные типы уширения являются результатом условий в большой области пространства, а не просто условий, локальных для излучающей частицы.
Расширение непрозрачности является примером нелокального механизма расширения. Электромагнитное излучение, испускаемое в определенной точке пространства, может вновь поглощаться по мере прохождения через него. Это поглощение зависит от длины волны. Линия уширена, поскольку фотоны в центре линии имеют большую вероятность реабсорбции, чем фотоны на крыльях линии. Действительно, реабсорбция вблизи центра линии может быть настолько велика, что вызовет самореверс, при котором интенсивность в центре линии будет меньше, чем на крыльях. Этот процесс также иногда называют самопоглощением .
Излучение, испускаемое движущимся источником, подвержено доплеровскому сдвигу из-за конечной проекции лучевой скорости. Если разные части излучающего тела имеют разные скорости (вдоль луча зрения), результирующая линия будет уширена, причем ширина линии будет пропорциональна ширине распределения скорости. Например, излучение, испускаемое далеким вращающимся телом, таким как звезда , будет расширяться из-за изменений скорости на луче зрения на противоположных сторонах звезды (этот эффект обычно называют вращательным уширением). Чем больше скорость вращения, тем шире линия. Другой пример — сжимающаяся плазменная оболочка в Z-пинче .
Каждый из этих механизмов может действовать изолированно или в сочетании с другими. Если предположить, что каждый эффект независим, то наблюдаемый профиль линии представляет собой свертку профилей линий каждого механизма. Например, комбинация термического доплеровского уширения и уширения ударного давления дает профиль Фойгта .
Однако различные механизмы расширения линий не всегда независимы. Например, эффекты столкновений и двигательные доплеровские сдвиги могут действовать согласованно, приводя при некоторых условиях даже к сужению столкновений , известному как эффект Дике .
Фраза «спектральные линии», если она не уточнена, обычно относится к линиям, имеющим длины волн в видимом диапазоне полного электромагнитного спектра . Многие спектральные линии возникают на длинах волн за пределами этого диапазона. На более коротких волнах, которые соответствуют более высоким энергиям, ультрафиолетовые спектральные линии включают серию Лаймана водорода . На гораздо более коротких длинах волн рентгеновские лучи известны как характеристические рентгеновские лучи , поскольку они остаются практически неизменными для данного химического элемента, независимо от их химического окружения. Более длинные волны соответствуют более низким энергиям, где инфракрасные спектральные линии включают серию Пашена водорода. На еще более длинных волнах радиоспектр включает линию длиной 21 см , используемую для обнаружения нейтрального водорода во всем космосе .
Для каждого элемента в следующей таблице показаны спектральные линии, которые появляются в видимом спектре при длине волны около 400–700 нм.