スペクトル線

スペクトル線は、均一で連続的なスペクトルの中で、弱いまたは強い領域です。これは、近くの周波数と比較して、狭い周波数範囲での光放射または吸収によって生じます。スペクトル線は、原子や分子を識別するためによく使用されます。これらの「指紋」は、以前に収集された原子^[1]や分子^[2]の指紋と比較できるため、他の方法では不可能な、星や惑星の原子および分子の構成要素を識別するために使用されます。

スペクトル線は、量子システム（通常は原子だが、分子や原子核の場合もある）と単一光子の相互作用の結果である。光子がシステムのエネルギー状態の変化（原子の場合は通常、電子の軌道変化）を可能にするのに適切な量のエネルギー（周波数と関連している）^[3]を持つと、光子は吸収される。その後、エネルギーは、元の光子と同じ周波数の1つの光子として、またはカスケード形式で自発的に再放出され、放出された光子のエネルギーの合計は吸収された光子のエネルギーに等しくなる（システムが元の状態に戻ると仮定）。

スペクトル線は、輝線または吸収線として観測されます。どちらのタイプの線が観測されるかは、物質の種類と、別の輝線源に対するその温度によって異なります。吸収線は、高温の広域スペクトル源からの光子が低温の物質を通過するときに生成されます。狭い周波数範囲にわたる光の強度は、物質による吸収とランダムな方向への再放射により低下します。対照的に、明るい輝線は、高温の物質からの光子が検出された場合、おそらく低温源からの広域スペクトルが存在する場合に生成されます。狭い周波数範囲にわたる光の強度は、高温の物質による放射により増加します。

スペクトル線は原子に非常に特異性があり、あらゆる媒体の化学組成を識別するために使用できます。ヘリウム、タリウム、セシウムなどのいくつかの元素は、分光学的手段によって発見されました。スペクトル線は物質の温度と密度にも依存するため、他の手段では分析できない星やその他の天体 の物理的状態を判断するために広く使用されています。

物質とその物理的条件に応じて、関与する光子のエネルギーは大きく変化し、電波からガンマ線まで、電磁スペクトル全体にわたってスペクトル線が観測されます。

電磁スペクトルの可視部分の強いスペクトル線には、多くの場合、独自のフラウンホーファー線指定があります。たとえば、単イオン化カルシウム原子Ca ⁺から発生する 393.366 nm の線にはK が付けられますが、フラウンホーファー「線」の中には、複数の異なる種からの複数の線が混ざったものもあります。

その他の場合には、化学元素の指定にローマ数字を追加して、イオン化のレベルに応じて線を指定します。中性原子はローマ数字のIで示され、一価イオン化された原子は II で示され、以下同様に続きます。例:

Cu II — +1 電荷を持つ銅イオン、Cu ¹⁺

Fe III — +2の電荷を持つ鉄イオン、Fe ²⁺

より詳細な指定には通常、線波長が含まれ、多重項番号（原子線の場合）またはバンド指定（分子線の場合）が含まれることもあります。原子水素の多くのスペクトル線には、ライマン系列やバルマー系列など、それぞれの系列内での指定もあります。もともと、すべてのスペクトル線は、主系列、鋭い系列、拡散系列の系列に分類されていました。これらの系列はすべての元素の原子にわたって存在し、すべての原子のパターンはリュードベリ・リッツの公式によって十分に予測されます。これらの系列は後にサブ軌道と関連付けられました。

スペクトル線の形状を制御する効果は多数あります。スペクトル線は、単一の周波数 (つまり、非ゼロのスペクトル幅) ではなく、非ゼロの周波数範囲を持つ小さなスペクトル帯域にわたって広がります。さらに、その中心は、公称中心波長からシフトする場合があります。この広がりとシフトにはいくつかの理由があります。これらの理由は、局所的な条件による広がりと拡張された条件による広がりの 2 つの一般的なカテゴリに分けることができます。局所的な条件による広がりは、放出要素の周囲の小さな領域に保持される効果によるもので、通常は局所的な熱力学的平衡を保証するのに十分小さいです。拡張された条件による広がりは、放射が観測者への経路を横断するときに放射のスペクトル分布が変化することによって発生する場合があります。また、互いに離れたいくつかの領域からの放射が結合することによって発生する場合もあります。

励起状態の寿命は、自然広がり、つまり寿命広がりとも呼ばれる結果をもたらす。不確定性原理は、励起状態の寿命（自発放射崩壊またはオージェ過程による）とそのエネルギーの不確定性とを関連付ける。一部の著者は、自然広がりのうち自発放射崩壊によって引き起こされる部分を特に指して「放射広がり」という用語を使用している。^[4] 寿命が短いと、エネルギーの不確定性が大きく、放射が広がる。この広がり効果により、シフトしていないローレンツプロファイルが生じる。自然広がりは、崩壊率を人工的に抑制または強化できる範囲でのみ、実験的に変更することができる。^[5]

放射線を放出しているガス内の原子には、速度分布があります。放出された各光子は、観測者に対する原子の速度に応じて、ドップラー効果によって「赤」または「青」にシフトします。ガスの温度が高いほど、ガス内の速度分布は広くなります。スペクトル線は放出されたすべての放射線の組み合わせであるため、ガスの温度が高いほど、そのガスから放出されるスペクトル線は広くなります。この広がり効果はガウス分布で表され、関連するシフトはありません。

近くにある粒子の存在は、個々の粒子から放出される放射線に影響を与えます。これが発生する限定的なケースは 2 つあります。

• 衝撃圧力による広がりまたは衝突による広がり: 発光粒子と他の粒子の衝突により発光プロセスが中断され、プロセスの特性時間が短縮されるため、放出されるエネルギーの不確実性が増大します (自然広がりで発生するのと同様)。^[6]衝突の持続時間は発光プロセスの寿命よりもはるかに短いです。この効果はガスの密度と温度の両方に依存します。広がり効果はローレンツプロファイルで表され、関連するシフトが発生する可能性があります。
• 準静的圧力広がり: 他の粒子の存在により、放射粒子のエネルギーレベルがシフトし (スペクトルバンドを参照)、放射される放射線の周波数が変わります。影響の持続時間は、放射プロセスの寿命よりもはるかに長くなります。この効果はガスの密度に依存しますが、温度にはそれほど影響されません。ラインプロファイルの形状は、摂動粒子からの距離に対する摂動力の関数形式によって決まります。ラインの中心がシフトすることもあります。準静的圧力広がりから生じるラインシェイプの一般的な表現は、安定分布として知られるガウス分布の 4 パラメータ一般化です。^[7]

圧力広がりは、摂動力の性質によって次のように分類することもできます。

• 線形シュタルク広がりは、ある距離にある荷電粒子の電界とエミッターとの相互作用によって生じる線形シュタルク効果によって発生し、電界強度に比例したエネルギーシフトを引き起こします。${\displaystyle r}$${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{2})}$
• 共鳴の広がりは、摂動粒子が放出粒子と同じ種類の場合に発生し、エネルギー交換プロセスの可能性が生じます。${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}$
• 二次シュタルク広がりは、エミッターと電界の相互作用によって生じる二次シュタルク効果によって発生し、電界強度の二次的なエネルギーシフトを引き起こします。${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{4})}$
• ファンデルワールス広がりは、放出粒子がファンデルワールス力によって摂動を受けているときに発生します。準静的ケースでは、ファンデルワールスプロファイル^{[注 1]がプロファイルの記述に役立ちます。相互作用する粒子間の距離の関数としてのエネルギーシフトは、例えば}レナードジョーンズポテンシャルによって翼で表されます。${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}$

不均一な広がりは、一部の放射粒子が他の粒子とは異なる局所環境にあり、したがって異なる周波数で放射することから生じる広がりの一般的な用語です。この用語は特に固体に使用されます。固体では、表面、粒界、および化学量論の変動によって、特定の原子が占有するさまざまな局所環境が作り出されます。液体では、不均一な広がりの影響は、運動狭まりと呼ばれるプロセスによって軽減されることがあります。

ある種の広がりは、単に放出粒子の局所的な条件ではなく、空間の広い領域にわたる条件の結果です。

不透明度の広がりは、非局所的な広がりのメカニズムの一例です。空間の特定のポイントで放射された電磁放射は、空間を移動する間に再吸収される可能性があります。この吸収は波長に依存します。線が広がるのは、線の中心の光子が線の翼の光子よりも再吸収される確率が高いためです。実際、線の中心付近の再吸収は非常に大きいため、線の中心の強度が翼よりも低くなる自己反転を引き起こす可能性があります。このプロセスは、自己吸収と呼ばれることもあります。

移動する放射源から放射される放射線は、視線方向の速度投影が有限であるため、ドップラー効果の影響を受けます。放射体のさまざまな部分が視線に沿って異なる速度を持っている場合、結果として生じる線は広がり、線幅は速度分布の幅に比例します。たとえば、星などの遠くの回転体から放射される放射線は、星の反対側の視線方向の速度の変化により広がります (この効果は通常、回転広がりと呼ばれます)。回転速度が大きいほど、線は広くなります。別の例としては、Z ピンチ内の爆縮するプラズマシェルがあります。

これらのメカニズムはそれぞれ単独で作用することも、他のメカニズムと組み合わせて作用することもできます。各効果が独立していると仮定すると、観測されるライン プロファイルは各メカニズムのライン プロファイルの畳み込みになります。たとえば、熱ドップラー広がりと衝撃圧力広がりを組み合わせると、Voigt プロファイルが生成されます。

しかし、異なる線幅拡大のメカニズムは必ずしも独立しているわけではありません。たとえば、衝突効果と運動ドップラーシフトは首尾一貫して作用し、ある条件下では衝突による線幅の狭まり、いわゆるディッケ効果が生じることもあります。

「スペクトル線」という語句は、特に断りのない限り、通常は全電磁スペクトルの可視帯域の波長を持つ線を指します。多くのスペクトル線は、この範囲外の波長で発生します。より短い波長では高エネルギーに相当し、紫外線スペクトル線には水素のライマン系列が含まれます。X線のはるかに短い波長では、線は特定の化学元素の化学的環境に関わらずほとんど変化しないため、特性 X 線として知られています。より長い波長では低エネルギーに相当し、赤外線スペクトル線には水素のパッシェン系列が含まれます。さらに長い波長では、電波スペクトルには宇宙全体の中性水素を検出するために使用される21 cm 線が含まれます。

次の表は、各元素について、可視スペクトルの約 400 ～ 700 nm に現れるスペクトル線を示しています。

• 吸収スペクトル
• 原子スペクトル線
• ボーアモデル
• 電子配置
• 発光スペクトル
• フーリエ変換
• フラウンホーファーライン
• ガス放電ランプの発光スペクトル表
• 水素線（21cm線）
• 水素スペクトル系列
• スペクトルバンド
• 分光法
• スプラタローグ

• Griem, Hans R. (1997).プラズマ分光法の原理. ケンブリッジ: University Press. ISBN 0-521-45504-9。
• グリーム、ハンス・R. (1974)。プラズマによるスペクトル線の広がり。ニューヨーク：アカデミック・プレス。ISBN 0-12-302850-7。
• Griem, Hans R. (1964)。プラズマ分光法。ニューヨーク：McGraw-Hill book Company。