Спектральные линии. 
Электроника. 
Часть 3 квантовая и оптическая электроника

В идеальном случае из тонких уровней энергии возбужденные атомы должны излучать строго монохроматическое излучение одной частоты. Однако на практике излучение образует спектральную линию определенной ширины и формы. Даже для изолированных от внешних воздействий атомов линии излучения уширяются за счет фундаментального закона квантовой механики. Согласно принципу неопределенности, если Д/— время жизни атома в возбужденном состоянии, а Д? — значение его энергии состояния, то они связаны соотношением Гейзенберга

Неопределенность или «размытие» уровня обратно пропорционально времени жизни частицы т₀ в начальном состоянии. Вследствие того, что время жизни свободной частицы на энергетическом уровне всегда конечно, то существует определенная естественная ширина спектральной линии.

Спектральное распределение квантов спонтанного излучения определяет ширину уровня Контур линии спонтанного излучения имеет лоренцеву форму с шириной линии (рис. 1.2)

Рис. 1.2. Гауссова (I) и лоренцева (II) формы линий.

Шириной линии называют интервал частот между точками, дзя которых интенсивность излучения (или поглощения) падает в два раза.

Лоренцева форма линии имеет вид резонансной кривой с максимумом на частоте v₀ и описывается так называемым форм-фактором.

В реальных условиях спектральные линии несколько размыты и представляют собой полосы излучения и поглощения. Причиной этому служат различные физические явления. Уширение линии происходит вследствие эффекта Доплера, вызывающего смещение частоты движущихся частиц.

Доплеровски уширенная линия описывается функцией Гаусса и симметрична относительно частоты v₀ (рис. 1.2).

Форм-фактор доплеровски уширенной линии имеет вид.

где v_r=v₀u₀/ с— доплеровский сдвиг частоты при средней тепловой скорости движения излучающей частицы, и₀ — средняя тепловая скорость, с — скорость света. С увеличением частоты роль доплеровского уширения линии возрастает.

В твердых телах уширение спектральной линии и даже их расщепление возможно вследствие влияния электрических и магнитных полей (эффект Штарка, эффект Зеемана).