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 https://bet.ua/ 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.
Естественная ширина спектральной линии
Лорд Рэлей в 1889 году предложил первую теорию для объяснения уширения спектральных линий разряженных газов. Он предположил, что эффект Доплера и случайное распределение атомов или молекул по скоростям приводит к гауссовскому контуру спектральной линии47. Наблюдаемая спектральная линия вещества представляет собой суперпозицию спектральных линий всех частиц вещества, т. Для легких частиц при обычной температуре ширина доплеровской линии в оптическом диапазоне может превышать естественную ширину линии на несколько порядков и достигать значения более 1 ГГц.
Форма спектральной линии, описываемая формулой (62,10), свойственна изолированному неподвижному атому; ее называют естественной 2). Спектральные линии с очень малой шириной реализуются при ядерных переходах в кристаллах при Мёссбауэра эффекте, узкие спектральные линии испускаются квантовыми генераторами – мазерами и лазерами. Уровня, m – его квантовый дефект, z- спектроскопич. Символ иона, Ne – концентрация электронов, множитель а0,2-0,5 для нейтральных атомов, для однократных ионов а1.
Инструментальный профиль
Этоприводит к дополнительному уширениюспектральных линий. Существует двегруппы факторов, влияющих на ширинуспектральных линий. Первая – вызываетв излучении каждого атома одинаковоеуширение линии. Вторая группа причин вызываету розных атомов разную величину уширениялиний. Спектральные линии таких источниковможно представить как наложениеспектральных линий, излучаемых отдельнымиатомами.
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.
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.
Линдхольмом, который также нашёл дополнительный сдвиг контура спектральной линии в адиабатическом приближении для слабых столкновений, не меняющих энергии в молекулах50. Теория Линдхольма, построенная им в 1945 году, объясняла форму спектральной линии вблизи центральной частоты и приводила к лоренцевскому контуру, а также сдвигу, пропорциональному давлению. Удары — сильные столкновения, которые сопровождаются сильным энергетическим взаимодействием — определяют форму крыльев спектральной линии51. Красное и фиолетовое крылья получаются асимметричными — этот вывод только качественно согласуется с экспериментом52.
В 1885 году Иоганн Бальмер эмпирически вывел формулу для длин волн некоторых спектральных линий водорода. В 1888 году Йоханнес Ридберг обобщил эту формулу для переходов между любыми двумя уровнями в атоме водорода — формулу Ридберга. В 1896 году Питер Зееман обнаружил расщепление спектральных линий в магнитном поле — эффект, позже названный в его честь4546. Есте́ственная ширина́ спектра́льной ли́нии — ширина спектральной линии излучения изолированной квантовомеханической системы. Таким образом, спектральная ширина лазерного излучения определяется интервалом частот ∆ν (∆λ) около центра линии, на краях которого интенсивность падает в два раза по сравнению с центром линии. Последнее особенно заметнопроявляется в активированных стеклах,где окружение каждого из активных ионовразлично.
Отметим, что ширина линии оказывается, вообще говоря, не равной вероятности самого перехода т. Не пропорциональной интенсивности линии (как это было бы в классической теории).
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.
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).
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.
На основной уровень обладающий бесконечным временем жизни и потому строго дискретный.
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.
Однородное уширение спектральной линии. Профиль однородного уширения линии.
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.
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.
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.
≈ 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.
Механизмы уширения
При эффекте Зеемана профили расщеплённых частей линии зачастую сливаются между собой, что вызывает наблюдаемое уширение линии, а не расщепление52930. В газообразных веществах молекулы газа, находясь в тепловом движении, сталкиваются друг с другом; при этом часть таких столкновений имеет неупругий характер. При неупругих соударениях совершается переход между уровнями, что сокращает время жизни частицы на уровне по сравнению с временем жизни, обусловленным спонтанными переходами. Но уменьшение времени жизни на уровне в соответствии с принципом Гейзенберга приводит к увеличению размытости уровня ДЕ, что в свою очередь вызывает уширение спектра излучения. Для уменьшения эффекта уширения линии излучения при столкновениях в некоторых квантовых приборах используются методы, снижающие вероятность неупругих столкновений излучающих частиц. Для этого увеличивают длину свободного пробега частиц, заставляя их двигаться в форме остро направленных пучков.
Кроме того, в 1958 году был изобретён лазер, который создаёт излучение в очень узких линиях, что позволяет эффективно использовать приборы с высоким спектральным разрешением4548. Существует множество факторов, которые приводят к увеличению ширины линии и из-за которых спектральные линии не являются монохроматическими ― они называются механизмами уширения1314. — полная относительная вероятность перехода Это — распределение дисперсионного вида.
СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Естественная ширина спектральной линии зависит от ширин распада как начального, так и конечного состояния системы, между которыми происходит переход. В случае распада до стабильного состояния (то есть, уровня с нулевой шириной распада) естественная ширина линии совпадает с шириной распада начального состояния. В случае, когда ширины обоих уровней конечны, квадрат естественной ширины линии равен сумме квадратов ширин начального и конечного состояний. В квантовых приборах широко используются твердые вещества с примесными ионами, квантовые переходы которых являются рабочими. Колебания кристаллической решетки создают переменное электрическое поле, которое влияет на ионы решетки и изменяет их энергию, а это приводит к размытию энергетических уровней и уширению спектральной линии. Кроме того, ширина линии увеличивается вследствие тепловых колебаний самих ионов. Причиной уширения спектральной линии твердого тела может быть также пространственная неоднородность физических параметров среды или неоднородности электрического и магнитного полей.
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.
Ширина спектральной линии
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).
Эти так называемые оптические столкновения часты и нарушают когерентность монохроматической волны. Виктор Вайскопф в начале 1930-х годах учёл влияние достаточно сильных соударений, которые меняли фазу волны на радиан и более.
