Eine geisterhafte Linie ist eine dunkle oder helle Linie in einem sonst gleichförmigen und dauernden Spektrum, sich aus einem Mangel oder Übermaß an Fotonen in einer schmalen Frequenzreihe im Vergleich zu den nahe gelegenen Frequenzen ergebend.

Typen von Linienspektren

Geisterhafte Linien sind das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen einem Quant-System (gewöhnlich Atome, aber manchmal Moleküle oder Atomkerne) und einem einzelnen Foton. Wenn ein Foton über den richtigen Betrag der Energie hat, eine Änderung im Energiestaat des Systems zu erlauben (im Fall von einem Atom, ist das gewöhnlich ein Elektron, das sich orbitals ändert), das Foton wird absorbiert. Dann wird es spontan wiederausgestrahlt entweder in derselben Frequenz wie das Original oder in einer Kaskade, wo die Summe der Energien der ausgestrahlten Fotonen der Energie von absorbierter derjenigen gleich sein wird (das Annehmen, dass das System zu seinem ursprünglichen Staat zurückkehrt). Die Richtung und Polarisation der neuen Fotonen werden im Allgemeinen denjenigen des ursprünglichen Fotons entsprechen.

Abhängig vom Typ von Benzin wird die Foton-Quelle, und was den Entdecker des Instrumentes, entweder eine Emissionslinie oder eine Absorptionslinie erreicht, erzeugt. Dunkle Linien in einem breiten Spektrum werden erzeugt, wenn ein kaltes Benzin zwischen einer breiten Spektrum-Foton-Quelle und dem Entdecker ist. In diesem Fall wird eine Abnahme in der Intensität des Lichtes in der Frequenz des Ereignis-Fotons gesehen, weil die Fotonen absorbiert, dann in zufälligen Richtungen wiederausgestrahlt werden, die größtenteils in von der ursprünglichen verschiedenen Richtungen sind. Das läuft auf eine Absorptionslinie hinaus, seitdem das schmale Frequenzband des Lichtes, am Anfang zum Entdecker reisend, in anderen Richtungen effektiv gestreut worden ist. Absorptionslinien werden sogar während des Nachdenkens von einem beleuchteten kalten Benzin, als nach dem Nachdenken erzeugt dort ist noch die Gelegenheit für eine auswählende Absorption (und Wiederstreuung) zwischen dem Punkt des Nachdenkens und dem Entdecker. In diesem Fall braucht das kalte Benzin nicht zwischen der leichten Quelle und dem Entdecker direkt dazwischengestellt zu werden, aber es ist erforderlich, als eine bedeutende unabhängige Quelle des Lichtes nicht zu handeln. Im Vergleich, wenn der Entdecker Fotonen ausgestrahlt direkt von einem (heißen) glühenden Benzin sieht, dann sieht der Entdecker häufig Fotonen, die in einer schmalen Frequenzreihe durch Quant-Emissionsprozesse in Atomen im Benzin ausgestrahlt sind, und das läuft auf eine Emissionslinie hinaus.

Geisterhafte Linien sind hoch mit dem Atom spezifisch, und können verwendet werden, um die chemische Zusammensetzung jedes Mediums zu identifizieren, das dazu fähig ist, Licht durchgehen zu lassen, es (normalerweise Gas-wird verwendet). Mehrere Elemente wurden durch spektroskopische Mittel, wie Helium, Thallium und Cerium entdeckt. Geisterhafte Linien hängen auch von den physischen Bedingungen des Benzins ab, so werden sie weit verwendet, um die chemische Zusammensetzung von Sternen und anderen Himmelskörpern zu bestimmen, die durch andere Mittel, sowie ihre physischen Bedingungen nicht analysiert werden können.

Mechanismen außer der Wechselwirkung des Atom-Fotons können geisterhafte Linien erzeugen. Abhängig von der genauen physischen Wechselwirkung (mit Molekülen, einzelnen Partikeln, usw.) wird sich die Frequenz der beteiligten Fotonen weit ändern, und Linien können über das elektromagnetische Spektrum von Funkwellen bis Gammastrahlung beobachtet werden.

Nomenklatur

Starke geisterhafte Linien im sichtbaren Teil des Spektrums haben häufig eine einzigartige Linienbenennung von Fraunhofer wie K für eine Linie an 393.366 nm, die aus einzeln ionisiertem Ca erscheinen, obwohl einige von Fraunhofer "Linien" Mischungen von vielfachen Linien von mehreren verschiedenen Arten sind. In anderen Fällen werden die Linien gemäß dem Niveau der Ionisation benannt, die eine Römische Ziffer zur Benennung des chemischen Elements hinzufügt, so dass Ca auch die Benennung Ca II hat. Neutrale Atome werden mit der römischen Nummer I, den einzeln ionisierten Atomen mit II, und so weiter angezeigt, so dass zum Beispiel Fe IX (IX, römische 9) vertritt, achtmal hat Eisen ionisiert. Ausführlichere Benennungen schließen gewöhnlich die Linienwellenlänge ein und können eine multiplet Zahl (für Atomlinien) oder Band-Benennung (für molekulare Linien) einschließen. Viele geisterhafte Linien von Atomwasserstoff haben auch Benennungen innerhalb ihrer jeweiligen Reihe, wie die Reihe von Lyman oder Reihe von Balmer.

Das geisterhafte Linienerweitern und die Verschiebung

Eine geisterhafte Linie erweitert mehr als eine Reihe von Frequenzen, keine einzige Frequenz (d. h. es hat eine Nichtnull linewidth). Außerdem kann sein Zentrum von seiner nominellen Hauptwellenlänge ausgewechselt werden. Es gibt mehrere Gründe für dieses Erweitern und Verschiebung. Diese Gründe können in zwei breite Kategorien - das Erweitern wegen lokaler Bedingungen und des Erweiterns wegen verlängerter Bedingungen geteilt werden. Das Erweitern wegen lokaler Bedingungen ist wegen Effekten, die in einem kleinen Gebiet um das Ausstrahlen-Element, gewöhnlich klein genug halten, lokales thermodynamisches Gleichgewicht zu sichern. Das Erweitern wegen verlängerter Bedingungen kann sich aus Änderungen zum geisterhaften Vertrieb der Radiation ergeben, weil es seinen Pfad dem Beobachter überquert. Es kann sich auch aus dem Kombinieren der Radiation von mehreren Gebieten ergeben, die von einander weit sind.

Das Erweitern wegen lokaler Effekten

• Das natürliche Erweitern: Der Unklarheitsgrundsatz verbindet die Lebenszeit eines aufgeregten Staates (wegen des spontanen Strahlungszerfalls oder des Erdbohrer-Prozesses) mit der Unklarheit seiner Energie. Diese sich verbreiternde Wirkung läuft auf ein unausgewechseltes Profil von Lorentzian hinaus. Das natürliche Erweitern kann nur im Ausmaß experimentell verändert werden, dass Zerfall-Raten künstlich unterdrückt oder erhöht werden können.
• Das Thermaldoppler-Erweitern: Die Atome in einem Benzin, die Radiation ausstrahlen, werden einen Vertrieb von Geschwindigkeiten haben. Jedes ausgestrahlte Foton wird "rot" - oder - ausgewechselt durch die Wirkung von Doppler abhängig von der Geschwindigkeit des Atoms hinsichtlich des Beobachters "blau" sein. Je höher die Temperatur des Benzins, desto breiter der Vertrieb von Geschwindigkeiten im Benzin. Da die geisterhafte Linie eine Kombination von der ganzen ausgestrahlten Radiation ist, je höher die Temperatur des Benzins, desto breiter die geisterhafte von diesem Benzin ausgestrahlte Linie sein wird. Diese sich verbreiternde Wirkung wird durch ein Profil von Gaussian beschrieben, und es gibt keine verbundene Verschiebung.
• Das Druck-Erweitern: Die Anwesenheit nahe gelegener Partikeln wird die durch eine individuelle Partikel ausgestrahlte Radiation betreffen. Es gibt zwei Begrenzungsfälle, bei denen das vorkommt:

Das:*Impact-Druck-Erweitern: Die Kollision anderer Partikeln mit der Ausstrahlen-Partikel unterbricht den Emissionsprozess, und durch die Kürzung der charakteristischen Zeit für den Prozess, vergrößert die Unklarheit in der Energie ausgestrahlt (wie es im natürlichen Erweitern vorkommt) http://www.fas.harvard.edu/~scdiroff/lds/QuantumRelativity/CollisionalBroadening/CollisionalBroadening.html. Die Dauer der Kollision ist viel kürzer als die Lebenszeit des Emissionsprozesses. Diese Wirkung hängt sowohl von der Dichte als auch von der Temperatur des Benzins ab. Die sich verbreiternde Wirkung wird durch ein Profil von Lorentzian beschrieben, und es kann eine verbundene Verschiebung geben.

Das:*Quasistatic-Druck-Erweitern: Die Anwesenheit anderer Partikeln wechselt die Energieniveaus in der Ausstrahlen-Partikel aus, dadurch die Frequenz der ausgestrahlten Radiation verändernd. Die Dauer des Einflusses ist viel länger als die Lebenszeit des Emissionsprozesses. Diese Wirkung hängt von der Dichte des Benzins ab, aber ist gegen die Temperatur ziemlich unempfindlich. Die Form des Linienprofils wird durch die funktionelle Form der Stören-Kraft in Bezug auf die Entfernung von der Stören-Partikel bestimmt. Es kann auch eine Verschiebung im Linienzentrum geben. Ein stabiler Vertrieb ist ein allgemeiner Ausdruck für den lineshape, der sich aus quasistatischem Druck ergibt, der sich verbreitert

Das:Pressure-Erweitern kann auch durch die Natur der Stören-Kraft wie folgt klassifiziert werden:

Steifes Erweitern von:*Linear kommt über die geradlinige Steife Wirkung vor, die sich aus der Wechselwirkung eines Emitters mit einem elektrischen Feld ergibt, das eine Verschiebung in der Energie verursacht, die in der Feldkraft geradlinig ist.

Das:*Resonance-Erweitern kommt vor, wenn die Stören-Partikel von demselben Typ wie die Ausstrahlen-Partikel ist, die die Möglichkeit eines Energieaustauschprozesses einführt.

Steifes Erweitern von:*Quadratic kommt über die quadratische Steife Wirkung vor, die sich aus der Wechselwirkung eines Emitters mit einem elektrischen Feld ergibt, das eine Verschiebung in der Energie verursacht, die in der Feldkraft quadratisch ist.

Das Erweitern von:*Van der Waals kommt vor, wenn die Ausstrahlen-Partikel durch Kräfte von van der Waals gestört wird. Für den quasistatischen Fall ist ein Profil von van der Waals häufig im Beschreiben des Profils nützlich. Die Energieverschiebung als eine Funktion der Entfernung wird in den Flügeln durch z.B das Potenzial von Lennard-Jones gegeben.

• Das Erweitern von Inhomogeneous ist ein allgemeiner Begriff, um sich zu verbreitern, weil einige Ausstrahlen-Partikeln in einer verschiedenen lokalen Umgebung sind als andere, und deshalb an einer verschiedenen Frequenz ausstrahlen. Dieser Begriff wird besonders für Festkörper gebraucht, wo Oberflächen, Korn-Grenzen und Stöchiometrie-Schwankungen eine Vielfalt von lokalen Umgebungen für ein gegebenes Atom schaffen können, um zu besetzen. In Flüssigkeiten werden die Effekten des Inhomogeneous-Erweiterns manchmal durch das genannte Bewegungseinengen eines Prozesses reduziert.

Das Erweitern wegen nichtlokaler Effekten

Bestimmte Typen des Erweiterns sind das Ergebnis von Bedingungen über ein großes Gebiet des Raums aber nicht einfach auf Bedingungen, die zur Ausstrahlen-Partikel lokal sind.

• Das Undurchsichtigkeitserweitern: Elektromagnetische Radiation, die an einem besonderen Punkt im Raum ausgestrahlt ist, kann absorbiert werden, als es durch den Raum reist. Diese Absorption hängt von Wellenlänge ab. Die Linie wird verbreitert, weil Fotonen an den Linienflügeln eine kleinere Resorptionswahrscheinlichkeit haben als Fotonen am Linienzentrum. Tatsächlich kann die Absorption in der Nähe vom Linienzentrum so groß sein, um selbst Umkehrung zu verursachen, in der die Intensität am Zentrum der Linie weniger ist als in den Flügeln. Dieser Prozess wird auch manchmal Selbstabsorption genannt.
• Das makroskopische Doppler-Erweitern: Von einer bewegenden Quelle ausgestrahlte Radiation ist der Verschiebung von Doppler wegen eines begrenzten Gesichtslinie-Geschwindigkeitsvorsprungs unterworfen. Wenn verschiedene Teile des Ausstrahlen-Körpers verschiedene Geschwindigkeiten haben (entlang der Gesichtslinie), wird die resultierende Linie mit der zur Breite des Geschwindigkeitsvertriebs proportionalen Linienbreite verbreitert. Zum Beispiel wird Radiation, die von einem entfernten rotierenden Körper wie ein Stern ausgestrahlt ist, wegen der Gesichtslinie-Schwankungen in der Geschwindigkeit auf Gegenseiten des Sterns verbreitert. Je größer die Rate der Folge, desto breiter die Linie. Ein anderes Beispiel ist eine implodierende Plasmaschale in einem Z-Kneifen.

Vereinigte Effekten

Jeder dieser Mechanismen kann in der Isolierung oder in der Kombination mit anderen handeln. Das Annehmen jeder Wirkung ist unabhängig, das beobachtete Linienprofil ist eine Gehirnwindung der Linienprofile jedes Mechanismus. Zum Beispiel gibt eine Kombination des Thermalerweiterns von Doppler und des Einfluss-Druck-Erweiterns ein Profil von Voigt nach.

Jedoch sind die verschiedenen Linienerweitern-Mechanismen nicht immer unabhängig. Zum Beispiel können die collisional Effekten und die Bewegungsverschiebungen von Doppler auf eine zusammenhängende Weise handeln, unter einigen Bedingungen sogar in einem collisional resultierend, der schmäler werdend, als die Wirkung von Dicke bekannt ist.

Siehe auch

• Absorptionsspektrum
• Geisterhafte Atomlinie
• Modell von Bohr
• Elektronkonfiguration
• Emissionsspektrum
• Spektrum-Analyse
• Linie von Fraunhofer
• Wasserstofflinie

Weiterführende Literatur

Referenzen