1基本概述

元素標準譜線

  元素標準譜線

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譜線是在均勻且連續的光譜上明亮或黑暗的線條,起因於光子在一個狹窄的頻率範圍內比附近的其他頻率超過或缺乏。
譜線通常是量子系統(通常是原子,但有時會是分子或原子核)和單一光子交互作用產生的。當光子的能量確實與系統內能階上的一個變化符合時(在原子的情況,通常是電子改變軌道),光子被吸收。然後,它將再自發地發射,可能是與原來相同的頻率或是階段式的,但光子發射的總能量將會與當初吸收的能量相同,而新光子的方向不會與原來的光子方向有任何的關聯。
根據氣體、光源和觀測者三者的幾何關係,看見的光譜將會是吸收譜線或發射譜線。如果氣體位於光源和觀測者之間,在這個頻率上光的強度將會減弱,而再發射出來的光子絕大多數會與原來光子的方向不同,因此觀測者看見的將是吸收譜線。如果觀測者看著氣體,但是不在光源的方向上,這時觀測者將只會在狹窄的頻率上看見再發射出來的光子,因此看見的是發射譜線。
吸收譜線和發射譜線與原子有特定的關係,因此可以很容易的分辨出光線穿越過介質(通常都是氣體)的化學成分。有一些元素,像氦、鉈、鈰等等,都是透過譜線發現的。光譜線也取決於氣體的物理狀態,因此它們被廣泛的用在恆星和其他天體的化學成分和物理狀態的辨識,而且不可能使用其他的方法完成這種工作。
同核異能位移是由於吸收光子的原子核與發射的原子核有不同的電子密度。
除了原子-光子的交互作用外,其他的機制也可以產生譜線。根據確實的物理交互作用(分子、單獨的粒子等等)所產生的光子在頻率上有廣泛的分佈,並且可以跨越從無線電波到伽馬射線,所有能觀測的電磁波頻譜。

2譜線的形成和致寬

在各種天體的輻射譜中,往往有許多譜線,有的是發射線,有的是吸收線。譜線是由某種體系的分立能級之間的躍遷形成的。如果E1和E2是某個體系的兩個分立能級,且E2>E1,則當體系從E2向E1躍遷時,發射頻率為
V=(E2 –E1)/h
的輻射;反之,當體系從E1向E2躍遷時,吸收頻率為v的輻射。如果發射過程比吸收過程佔優勢,就會產生髮射線;反之,則產生吸收線。在恆星光譜中,譜線是由原子、離子和分子的分立能級之間的躍遷引起的。例如,太陽光譜中的D1、D2線和H、K線,分別是由鈉原子和鈣離子在分立能級間的躍遷造成的。在射電波段,也有譜線。例如中性氫21厘米譜線就是由氫原子的超精細結構能級之間的躍遷引起的。超精細結構能級是由於原子核的自旋量和電子總角動量之間的耦合產生的(見原子的超精細結構)。在星際雲中發現不少毫米波段的譜線,大多數的射電譜線是由各種星際分子的各個轉動能級躍遷形成的。在X射線和γ射線的高能波段也開始發現譜線。例如,在武仙座X-1的X射線譜中發現了58千電子伏的譜線,它可能是由在強磁場中運動的電子朗道能級之間的躍遷形成的。
任何譜線都不是無限窄的,而總有一定的寬度。這種寬度一部分是由於觀測儀器的分辨本領總是有限引起的,另一部分則是天體輻射本身所具有的。這種譜線致寬的原因很多,但大體可以分成兩類:一類是由於形成譜線的微觀體系的能級本身不是無限窄的,而是有一定的寬度。有一定寬度的能級產生的譜線也必然具有一定的寬度,這種寬度稱為譜線的自然寬度。這種效應稱為輻射阻尼。另一類是由迭加造成的,因為我們觀測到的輻射是各個發射或吸收體系輻射的迭加。一般說來,各個發射或吸收體系所處的運動狀態以及與周圍物質的相互作用狀態各不相同,它們所發射或吸收的頻率也各不相同,這就引起譜線的致寬。熱動多普勒效應,碰撞阻尼、統計加寬、自轉、膨脹和湍動等都可以通過迭加效應使譜線變寬。
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