Línea espectral

La vida media de los estados excitados produce un ensanchamiento natural, también conocido como ensanchamiento por tiempo de vida. El principio de incertidumbre relaciona la vida media de un estado excitado (debido a la desintegración radiativa espontánea o al proceso Auger ) con la incertidumbre de su energía. Algunos autores utilizan el término "ensanchamiento radiativo" para referirse específicamente a la parte del ensanchamiento natural causada por la desintegración radiativa espontánea. ^{[ 4 ]} Una vida media corta tendrá una gran incertidumbre energética y una emisión amplia. Este efecto de ensanchamiento produce un perfil lorentziano sin desplazamiento . El ensanchamiento natural solo puede alterarse experimentalmente en la medida en que las tasas de desintegración puedan suprimirse o aumentarse artificialmente. ^{[ 5 ]}

Los átomos de un gas que emiten radiación presentan una distribución de velocidades. Cada fotón emitido experimenta un desplazamiento hacia el rojo o el azul debido al efecto Doppler, dependiendo de la velocidad del átomo con respecto al observador. Cuanto mayor sea la temperatura del gas, mayor será la distribución de velocidades. Dado que la línea espectral es una combinación de toda la radiación emitida, cuanto mayor sea la temperatura del gas, más ancha será la línea espectral emitida por dicho gas. Este ensanchamiento se describe mediante un perfil gaussiano y no presenta desplazamiento asociado.

La presencia de partículas cercanas afectará la radiación emitida por una partícula individual. Hay dos casos límite en los que esto ocurre:

• Ensanchamiento por presión de impacto o ensanchamiento colisional : La colisión de otras partículas con la partícula emisora ​​de luz interrumpe el proceso de emisión y, al acortar el tiempo característico del proceso, aumenta la incertidumbre en la energía emitida (como ocurre en el ensanchamiento natural). ^{[ 6 ]} La duración de la colisión es mucho menor que la vida útil del proceso de emisión. Este efecto depende tanto de la densidad como de la temperatura del gas. El efecto de ensanchamiento se describe mediante un perfil lorentziano y puede haber un desplazamiento asociado.
• Ensanchamiento por presión cuasiestática : La presencia de otras partículas desplaza los niveles de energía en la partícula emisora ​​(véase la banda espectral ), alterando así la frecuencia de la radiación emitida. La duración de la influencia es mucho mayor que la vida útil del proceso de emisión. Este efecto depende de la densidad del gas, pero es bastante insensible a la temperatura . La forma del perfil de línea está determinada por la forma funcional de la fuerza perturbadora con respecto a la distancia a la partícula perturbadora. También puede haber un desplazamiento en el centro de la línea. La expresión general para la forma de línea resultante del ensanchamiento por presión cuasiestática es una generalización de 4 parámetros de la distribución gaussiana conocida como distribución estable . ^{[ 7 ]}

El ensanchamiento por presión también puede clasificarse según la naturaleza de la fuerza perturbadora de la siguiente manera:

• El ensanchamiento Stark lineal se produce a través del efecto Stark lineal , que resulta de la interacción de un emisor con un campo eléctrico de una partícula cargada a una distancia${\displaystyle r}$, lo que provoca un cambio en la energía que es lineal con respecto a la intensidad del campo.${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}$
• El ensanchamiento por resonancia se produce cuando la partícula perturbadora es del mismo tipo que la partícula emisora, lo que introduce la posibilidad de un proceso de intercambio de energía.${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}$
• El ensanchamiento Stark cuadrático se produce a través del efecto Stark cuadrático , que resulta de la interacción de un emisor con un campo eléctrico, provocando un desplazamiento de energía que es cuadrático con respecto a la intensidad del campo.${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}$
• El ensanchamiento de Van der Waals ocurre cuando la partícula emisora ​​es perturbada por fuerzas de Van der Waals . Para el caso cuasiestático, un perfil de Van der Waals ^{[ a ]} suele ser útil para describir el perfil. El desplazamiento de energía en función de la distancia entre las partículas que interactúan viene dado en los extremos por, por ejemplo, el potencial de Lennard-Jones .${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}$

El ensanchamiento inhomogéneo es un término general para el ensanchamiento debido a que algunas partículas emisoras se encuentran en un entorno local diferente al de otras y, por lo tanto, emiten a una frecuencia diferente. Este término se utiliza especialmente en sólidos, donde las superficies, los límites de grano y las variaciones estequiométricas pueden crear una variedad de entornos locales que un átomo determinado puede ocupar. En líquidos, los efectos del ensanchamiento inhomogéneo a veces se reducen mediante un proceso llamado estrechamiento por movimiento .

El ensanchamiento por opacidad es un ejemplo de mecanismo de ensanchamiento no local. La radiación electromagnética emitida en un punto específico del espacio puede reabsorberse al propagarse por él. Esta absorción depende de la longitud de onda. La línea se ensancha porque los fotones en el centro tienen una mayor probabilidad de reabsorción que los fotones en los extremos. De hecho, la reabsorción cerca del centro puede ser tan grande que provoca una inversión de la señal, en la que la intensidad en el centro es menor que en los extremos. Este proceso también se conoce como autoabsorción .

La radiación emitida por una fuente en movimiento está sujeta al efecto Doppler debido a una proyección de velocidad finita en la línea de visión. Si diferentes partes del cuerpo emisor tienen velocidades diferentes (a lo largo de la línea de visión), la línea resultante se ensanchará, siendo el ancho de la línea proporcional al ancho de la distribución de velocidad. Por ejemplo, la radiación emitida por un cuerpo giratorio distante, como una estrella , se ensanchará debido a las variaciones de velocidad en la línea de visión en lados opuestos de la estrella (este efecto se suele denominar ensanchamiento rotacional). Cuanto mayor sea la velocidad de rotación, más ancha será la línea. Otro ejemplo es una capa de plasma implosionante en un Z-pinch .