Doppler ampliação - Doppler broadening

Em física atómica , Doppler ampliação é o alargamento de linhas espectrais devidos ao efeito Doppler causados por uma distribuição de velocidades de átomos ou moléculas . Diferentes velocidades dos emissores de partículas resultam em diferentes efeitos de Doppler, o efeito cumulativo dos quais é o alargamento de linha. Este perfil linha resultante é conhecido como um perfil de Doppler . Um caso particular é o alargamento Doppler térmica devido ao movimento térmico das partículas. Em seguida, a ampliação depende apenas da frequência da linha espectral, a massa das partículas de emissores, e a sua temperatura , e, por conseguinte, pode ser utilizado para inferir a temperatura de um corpo emissor.

Espectroscopia de absorção saturado , também conhecido como espectroscopia de livre-doppler, pode ser utilizado para encontrar a verdadeira frequência de uma transição atómica sem arrefecimento de uma amostra para baixo para temperaturas às quais o alargamento Doppler é mínima.

Derivação

Quando o movimento térmico faz com que uma partícula de avançar para o observador, a radiação emitida vai ser deslocado para uma frequência mais elevada. Da mesma forma, quando o emissor se move para longe, a frequência será reduzido. Para velocidades térmicas não-relativistas, o efeito Doppler na freqüência serão:

onde é observada a frequência, é a frequência de descanso, é a velocidade do emissor para o observador, e representa a velocidade da luz .

Uma vez que existe uma distribuição de velocidades tanto de aproximação e afastamento do observador em qualquer elemento de volume do corpo radiante, o efeito líquido será a alargar a linha observada. Se é a fracção de partículas com uma componente de velocidade ao longo de uma linha de visão, então a distribuição correspondente das frequências é

,

onde é a velocidade para o observador correspondente à mudança da frequência de descanso para . Assim sendo,

.

Nós também pode expressar a ampliação em termos de comprimento de onda . Recordando que no limite não relativístico , obtemos

.

No caso do alargamento Doppler térmica, a distribuição da velocidade é dado pela distribuição de Maxwell

,

onde é a massa da partícula emissor, é a temperatura e é a constante de Boltzmann .

Então,

.

Podemos simplificar esta expressão como

,

que imediatamente reconhece como um perfil Gaussian com o desvio padrão

e largura total à meia altura (FWHM)

.

Aplicações e advertências

Em astronomia e física do plasma , o alargamento Doppler térmica é uma das explicações para o alargamento de linhas espectrais, e, como tal, dá uma indicação de que a temperatura do material observado. Podem existir outras causas de distribuições de velocidade, embora, por exemplo devido à turbulência movimento. Para uma turbulência totalmente desenvolvida, a linha de perfil resultante é geralmente muito difícil de distinguir de um térmica. Outra causa pode ser uma grande variedade de macroscópicas velocidades resultante, por exemplo, a partir dos retiram-se e aproximando-se porções de um girando rapidamente disco de acreção . Finalmente, há muitos outros factores que também pode ampliar as linhas. Por exemplo, uma partícula suficientemente alta densidade número pode levar a significativa ampliação Stark .

alargamento de Doppler também podem ser utilizados para determinar a distribuição de velocidades de um gás dado o seu espectro de absorção. Em particular, este foi usado para determinar a distribuição de velocidades de nuvens de gás interstelares.

Alargamento Doppler também tem sido usado como uma consideração de design em alta temperatura reatores nucleares . Em princípio, como o combustível do reactor aquece-se, o espectro de absorção de neutrões irá alargar devido ao movimento térmica relativa dos átomos de combustível com respeito aos neutrões. Dada a forma do espectro de absorção de neutrões, esta tem o resultado de reduzir a secção transversal de absorção de neutrões , reduzindo a probabilidade de absorção e de cisão. O resultado final é que os reactores concebidas para tirar partido de alargamento Doppler irá diminuir a sua reactividade, como o aumento da temperatura, criação de uma medida de segurança passiva . Isto tende a ser mais relevantes para gás arrefecido reactores como outros mecanismos são dominantes em água arrefecida reactores .

Veja também

Referências

  1. ^ Siegman, AE (1986). Lasers .
  2. ^ Griem, Hans R. (1997). Princípios de Plasmas Spectroscopy . Cambridge University Press. ISBN  0-521-45504-9 .
  3. ^ Beals, CS "Na interpretação das linhas interstelares" . adsabs.harvard.edu .