Доплеровское уширение — что это?

Доплеровское уширение (Doppler broadening) — это физическое явление, при котором спектральная линия (например, линии поглощения или излучения атома или молекулы) становится шире из-за движения излучающих или поглощающих частиц.

Суть эффекта

• Когда частица движется к наблюдателю, излучение от неё смещается в сторону коротких волн (синий сдвиг).
• Когда частица удаляется, частота смещается в сторону длинных волн (красный сдвиг).
• В газе или плазме атомы и молекулы хаотически движутся в разные стороны с разными скоростями. В результате их индивидуальные доплеровские сдвиги суммируются, и линия в спектре не выглядит узкой, а растягивается в ширину.

Зависимость от температуры

Скорости частиц в газе подчиняются максвелловскому распределению. Чем выше температура, тем быстрее частицы движутся → тем сильнее разлетаются доплеровские сдвиги → тем шире спектральная линия.

Ширина линии ΔV_D в первом приближении:

$$\Delta \nu_D \propto \nu_0 \sqrt{\frac{2kT}{mc^2}}$$

где

• 
  $\nu_0$ 

  — центральная частота линии,

• 
  $k$ 

  — постоянная Больцмана,

• 
  $T$ 

  — температура газа,

• 
  $m$ 

  — масса частицы,

• 
  $c$ 

  — скорость света.

Где проявляется

• В астрофизике — линии спектров звёзд уширены именно из-за теплового движения атомов в их атмосфере.
• В лазерной физике — доплеровское уширение играет важную роль в формировании профиля линии поглощения.
• В газовых спектрах на Земле — это один из главных механизмов уширения наряду с ударным (коллизионным).

Сравнение двух основных типов уширения спектральных линий: доплеровского и ударного (коллизионного).

В реальных условиях часто действуют оба механизма одновременно. В таком случае профиль линии описывается функцией Фойгта — сверткой гауссовой и лоренцевой функций.