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1、光谱线展宽的物理机制摘要本文首先介绍了原子光谱的形成和原子谱线的轮廓，以及用来定量描述谱线轮廓的三个物理量谱线强度、中心频率和谱线半高宽。接下来对光谱线展宽的各种物理机制作了定性或定量地分析。详细地推导了谱线的自然展宽、多普勒展宽（高斯展宽）和洛伦兹展宽的半高宽公式。并推导出了佛克脱半高宽、多普勒半高宽和洛伦兹半高宽之间的关系式。给出了赫鲁兹马克展宽（共振展宽）的半高宽公式。定性地分析了谱线的自吸展宽。以类氢离子为例说明了同位素效应引起的同位素展宽。定性地分析了原子的核自旋对谱线宽度的影响。说明了在有外电场或内部不均匀强电场存在的情况下谱线会产生斯塔克变宽，在有外磁场存在的情况下谱线会产生塞曼
2、变宽。最后对光谱线展宽的各种物理机制做了一个简单的总结，指出光谱线展宽的实质是光的频率发生了变化，各种新频率光的叠加导致了光谱线的展宽。并说明了对光谱线展宽的物理机制的研究，在提高光的单色性和物理量测量等方面具有重要的意义。关键词：谱线展宽；物理机制；谱线轮廓；半高宽推荐精选THE PHYSICAL MECHANISM OF SPECTRAL LINE BROADENINGABSTRACTFirstly, we introduce the formation of atomic spectrum and the outline of atomic spectral line in this p
3、aper, as well as three physical quantitiesintensity of spectral line, center frequency and half width of spectral line profile which are used to describe spectral line profile quantitatively. Next we analyze various physical mechanism of spectral line broadening qualitatively or quantitatively. The
4、natural half width of spectral line, half width of Doppler spectral line profile (Gaussian spectral line profile) and half width of Lorentz spectral line profile are derived detailedly. And the relationship of half width of Voigt spectral line profile, half width of Doppler spectral line profile and
5、 half width of Lorentz spectral line profile is also derived detailedly. We introduce Holtsmark broadening (resonance broadening) and give half width of Holtsmark spectral line profile. It is introduced qualitatively how the Self-absorption broadening affects spectral line profile. Taking Hydrogenic
6、 ions for an example, we explain isotope broadening caused by Isotope effect. Spectral line broadening caused by nuclear spin is analyzed qualitatively. Stark effect can cause Stark broadening when there is external electric field or internal non-uniform strong electric field, and Zeeman effect can
7、cause Zeeman broadening when there is external magnetic field. Finally, we make a summary on the physilcal mechanism of spectral line broadening, pointing out spectral line broadening is essentially a change in the frequency of spectral lines, and superposition of various spectral lines having a new
8、 frequency component leads to 推荐精选spectral line broadening. The study on the physilcal mechanism of spectral line broadening has very important significance in many aspects, for example, the improving of spectral lines monochromaticity,推荐精选the measurement of physical quantities and so on. KEY WORDS:
9、 spectral line broadening; physical mechanism; spectral Line profile; half width推荐精选目录前言1第一章原子谱线的轮廓21.1 原子发光机理和光谱线的形成21.2 原子谱线的轮廓2第二章光谱线展宽的各种物理机制42.1 自然宽度42.2 多普勒展宽52.3 洛伦兹展宽72.4 赫鲁兹马克展宽92.5 自吸展宽92.6 佛克脱谱线宽度102.7 谱线的超精细结构122.7.1 同位素效应122.7.2 原子的核自旋132.8 场致变宽142.8.1 斯塔克变宽142.8.2 塞曼变宽15总结17参考文献18致谢20推
10、荐精选前言无论是原子的发射线轮廓或是吸收线轮廓，都是由各种展宽因素共同作用而成的。能量和时间的不确定关系可以导致谱线的自然展宽；光源中基本粒子的无规则运动会引起光谱线的多普勒展宽；激发态原子在运动过程中与其它种类粒子相互作用（碰撞）会引起谱线的洛伦兹展宽；激发态原子与同类基态原子碰撞或受其静电场作用会引起赫鲁兹马克展宽（共振展宽）；光源辐射的共振线通过周围较冷的同类原子时被部分吸收会引起自吸展宽；同位素效应和核自旋会使谱线进一步分裂而形成谱线的超精细结构；外电场、等离子体中的不均匀强电场以及高速运动中的高密度带电粒子会引起谱线的斯塔克变宽；原子在磁场中时产生的塞曼效应，会导致塞曼变宽。这种共同
11、作用是不能用简单的加合方法得到的，因而谱线的轮廓要由一个复杂的数学函数来表示1。所以全面了解谱线展宽的各种物理机制就变得非常必要。另外，近年来谱线展宽在原子吸收测量、激光原理分析、大气风场探测等方面的应用得到人们的普遍关注，谱线展宽的研究也得到了越来越多的重视。对光谱线展宽的物理机制的分析可以为我们如何提高光的单色性提供理论上的依据，而光的单色性在光谱学、光的干涉和光学成像等方面有着重要的作用。此研究还可为许多物理量的测量提供理论依据，如温度、压强、速度、成分、粒子数密度和电磁场等2。由此可见，此研究无论是在理论上还是在实践中均有其重要意义。目前国内外同类研究有些只详细分析了各种展宽因素中的一
12、种或某几种，介绍不是特别全面。有些虽然介绍比较全面，但是分析过程又比较简单。本文将尽可能既全面又详细地分析谱线展宽的各种物理机制。推荐精选第一章原子谱线的轮廓1.1原子发光机理和光谱线的形成由原子结构理论可知，当原子处于基态或某个激发态时，并不发射或吸收光子，只有当原子从一个状态跃迁到另一个状态时，能量的改变值才以光子的形式被辐射或吸收3。一个发光源含有许多处于不同能量状态的原子，所以在同一时间，光源可以发射出很多条波长不同的光谱线来。由于原子处于基态和各个激发态时的能量是一些确定的分立值，所以对于某种确定的原子构成的光源来说，它的光谱线也是分立的，而且其频率和波长具有确定的值。对于这些谱线的
13、波长成分和强度分布的记录就形成了光谱。1.2原子谱线的轮廓图1-1 谱线轮廓2原子谱线并非一条严格的几何线。理论和实验表明，无论是发射线还是吸收线都具有一定的形状，即谱线轮廓。所谓谱线轮廓是指谱线强度按频率有一分布值，强度随频率的改变是急剧的4。图11所示为原子发射谱线轮廓。设强度最大处相应的频率为，强度为，定义强度为处所对应的频率与之间的距离为谱线的半高宽（即谱线宽度）。谱线半高宽也可用或表示2。因为，所以 (11)又因为，所以有推荐精选 (12)如果我们认为、和都为正值，则（12）式可改写为 (13)在谱线半高宽范围内的部分称为光谱线的核，在频率小于和大于的两部分称为光谱线的翼5。一般以谱线强度，谱线半高宽和中心频率来定量描述谱线轮廓。推荐精选第二章 光谱线展宽的各种物理机制2.1自然宽度按照玻尔的原子模型，原子内的电子是处在一些不稳定、不连续的能量状态中，当一个电子从能量高的状态向能量低的状态跃迁时，就向外辐射出一个光子，所辐射光子的频率与电子跃迁的两能量状态之间的能级差的关系是 (21)这实际上隐含着一个条件，即电子在每一能级上停留的时间为无限长。这显然是一种理想化的假设5。原子处于某一能量状态时，具有一定的寿命。根据微观粒子的不确定关系 6 (
