光谱线 Spectral lines

2022-10-25 15:31:05 浏览:262

定义

与某些物质的发射或吸收线相关的窄光谱特征。

对于某些光源,如气体放电灯和各种激光器,其光谱表现出明确定义的光谱线,即具有较大功率光谱密度的窄光谱特征。这些与原子,离子或分子从某种激发态到较低电子能级的跃迁有关。光子能量hν=h c/λ接近能级能量的差异,因此决定了光谱发射线的光学波长。

有时,在连续光谱的顶部观察到离散的发射线。

连续的光谱也表现出离散的倾角,这是由某些波长的光的吸收引起的。这种吸收线通常也与电子跃迁有关,这次是从较低能级到较高能级的跃迁。如果较低的能级是电子基态,则为基态吸收(GSA),否则为激发态吸收(ESA)。例如,在太阳光下已经观察到这种吸收线(约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫发现的弗劳恩霍夫线),并导致在地球上发现氦之前发现氦。吸收线也可以在实验室中研究,例如宽带光源和光谱仪或扫描激光吸收光谱。

对于固体介质(如激光晶体)也观察到类似的吸收和发射线。然而,在这里,由于吸收或发射物质与宿主材料的相互作用,吸收和发射特征通常要广泛得多。

观察到的吸收和发射线通常是某些物质的特征,因此可以用作光谱指纹,例如用于检测大气中的环境污染物。也可以使用比尔-兰伯特定律,通过浓度(或数密度)与吸收系数的关系来测量浓度(或数密度)。

有许多标准光谱线经常用作波长参考,例如用于光学玻璃的表征。

光谱线的宽度和形状

谱线总是表现出有限的线宽,它可以有不同的起源:

  • 在高气体压力下,碰撞是频繁的。这些导致线的碰撞加宽(或压力加宽)。从本质上讲,发射原子在辐射过程中经常受到碰撞的干扰,因此光学相位不能在更长的时间内连续演化。
  • 由于辐射粒子的热运动,存在多普勒频移。这导致了所谓的多普勒变宽,其大小取决于温度。有无多普勒光谱学的方法,在很大程度上消除了多普勒展宽的影响。
  • 即使没有任何运动,也有一个自然的线宽,它受到上部状态的寿命(寿命拓宽)的限制。
  • 如上所述,由于与主体材料的相互作用,固体中发射或吸收原子或离子通常表现出扩大的吸收和发射线。例如,可能存在由电场引起的斯塔克效应。如果不同的原子或离子经历线特征的不同修饰,则由此产生的展宽称为不均匀展宽。

最小的线宽值 - 远低于1 Hz - 可以通过某些禁止的转换来实现,当同时抑制对线宽的各种其他贡献时,这些转换可以具有非常小的自然线宽。已经为这种测量开发了超精密光谱学方法。极小的线宽也被用于光学时钟的光学频率标准中。在这里,激光的发射稳定在窄光谱线上,使得激光的线宽甚至远低于光谱线的宽度。

线形,即光谱的形状,往往与主导线的拓宽机制有关。例如,当寿命拓宽占主导地位时,经常观察到洛伦兹线,而多普勒拓宽导致高斯线形状。

来自某些光谱线的相当窄的带光通常被认为是准单色的。

基础光学

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