הרחבות ספקטרליות

הרחבה ספקטרלית היא הופעה של הרחבה בקו הספקטרלי של קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת ממקור כלשהו. קו ספקטרום מורחב מתקבל כאשר תדירויות הקרינה הנפלטת מתפלגות סביב ערך שיא כלשהו, ולא מופיעות כתדירויות בדידות, המייצרות ספקטרום קווי. בנוסף לתופעת ההרחבה, מרכז הקו הספקטרלי עשוי להיות מוסח מהמרכז הנומינלי של אורך הגל, תופעה הנקראת הסחה ונלווית לא פעם להרחבה. להרחבה של קו ספקטרלי מספר סיבות שונות. את הללו ניתן לחלק לשתי קטגוריות עיקריות: הרחבה הנוצרת בהשפעת תנאים לוקליים – במקרה זה מדובר בהשפעת גורמים הפועלים בתחום מצומצם סביב האלמנט הפולט, תחום שבו בדרך כלל נשמר שווי המשקל התרמודינמי. הרחבה הנוצרת בהשפעת תנאים לא-לוקליים – הרחבה זו היא תוצר של תנאים הפועלים על הקרינה הנפלטת בדרכה ל'עין' הצופה. במקרים מסוימים השינויים בקו ייווצרו כתוצאה מהתווספות של קרינה מאזורים שונים ומרוחקים זה מזה. הרחבה טבעית – קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת מחומר בתהליך של עירור תלווה בהרחבה טבעית. עקרון האי-ודאות של הייזנברג מקשר בין זמן החיים של המצב המעורר (זמן שהיית האלמנט ברמה המעוררת) לאי הוודאות האנרגטית שלו; שהות האלמנט ברמה המעוררת תתפלג סביב זמן החיים האופייני לרמה וכך גם האנרגיה שלו, התפלגות הבאה לידי ביטוי ברוחב הקו. הרחבה זו תייצר קו ספקטרום עם פרופיל לורנציאני, ללא הסחה. הרחבת דופלר – אטומים בגז או יונים בפלזמה, הפולטים את הקרינה, יתאפיינו בהתפלגות מהירויות. כל פוטון שנפלט יוסח ל"אדום" או "כחול", על ידי אפקט דופלר, כתלות במהירות החלקיק ביחס לצופה. ככל שטמפרטורת התווך תהא גבוהה יותר, כך תתרחב התפלגות המהירויות בו. מאחר שהקו הספקטרלי הוא קומבינציה של כלל הקרינה הנפלטת, ככל שהטמפרטורה תהא גבוהה יותר, רוחב הקו הספקטרלי המתקבל יהיה גדול יותר. הרחבה זו תתואר באמצעות פרופיל גאוסיאני ולא תלווה בהסחה. הרחבת לחץ – הגדלת לחץ גז או פלזמה משמעה הגדלת מספר ההתנגשויות בין חלקיקי הגז או הפלזמה ביחידת זמן. במקרה של הרחבת לחץ, הנוכחות של חלקיקים נוספים תשפיע על הקרינה הנפלטת על ידי חלקיק יחידני ותתבטא בהרחבת הספקטרום. הרחבה זו תתואר בחלק מן המקרים, על ידי פרופיל לורנציאני. סוגים מסוימים של הרחבות הם התוצר של תנאים הפועלים בתחום נרחב של המרחב בו נעה הקרינה הנפלטת. הרחבת אטימות – הקרינה האלקטרומגנטית הנפלטת עשויה להיבלע בנקודה מסוימת, במהלך תנועתה בחלל. בליעה זו תלויה באורך הגל. קו הספקטרום מתרחב מאחר שלפוטונים בקצוות הקו הסתברות ספיגה-חוזרת נמוכה יותר מאשר לאלו במרכז. הספיגה סביב מרכז הקו עשויה להיות כה גדולה ולגרום להיפוך שבו העוצמה במרכז הקו פחותה מאשר בקצוות. הרחבת דופלר מקרוסקופית – הקרינה הנפלטת ממקור נע נתונה להשפעת דופלר בשל סופיות קו הראייה שדרכו נקלטת מהירות ההקרנה. לחלקים שונים של גוף המקור הפולט מהירויות שונות (לאורך קו הראייה) ולכן, קו הספקטרום המתקבל מורחב באופן פרופורציונלי לרוחב התפלגות המהירויות. למשל, קרינה הנפלטת מגוף מסתובב מרוחק, כגון כוכב, תורחב בשל השונויות במהירות הנקלטת בקו הראייה, בצדדים השונים של הגוף. ככל שתגדל מהירות הסיבוב של הגוף הפולט, כך יגדל רוחב הקו. כל אחד מסוגי ההרחבות עשוי להופיע במשולב עם הרחבות אחרות. שילובים שונים ייצרו פרופילי ספקטרום שונים (למשל, פרופיל ווגט (Voigt) שהוא מופע של הרחבת דופלר גאוסיאנית במשולב עם הרחבת לחץ התנגשותית (לורנציאנית). בתנאים מסוימים, המנגנונים יפעלו במשולב (ישתלבו לא רק ברמת ההופעה), ואף עשויים לגרום להצרה ברוחב קו הספקטרום, כבמקרה של אפקט דיקה. ספקטרום פליטה ספקטרום בליעה ספקטרום רציף מודל האטום של בוהר ספקטרוסקופיה David Salzman – Atomic physics in hot plasmas. Griem, Hans R. (1997). Principles of Plasmas Spectroscopy. Cambridge: University Press. ISBN 0-521-45504-9. Griem, Hans R. (1974). Spectral Line Broadening by Plasmas. New York: Academic Press. ISBN 0-12-302850-7. Griem, Hans R. (1964). Plasma Spectroscopy. New York: McGraw-Hill book Company.