原則
スペクトル線は、均一で連続的な電磁スペクトル内の暗い線または明るい線です。スペクトル線は、量子系 (通常は原子ですが、場合によっては分子や原子核も) と電磁放射との間の相互作用の結果です。
量子システムでは、エネルギーは任意の値をとることができません。特定の非常に正確なエネルギー レベルのみが可能です。システムのエネルギーは定量化されていると言います。したがって、状態の変化は、最終レベルと元のレベルの間のエネルギー差に対応する非常に正確なエネルギー値にも対応します。
システムのエネルギーが量ΔEだけ減少すると、光子と呼ばれる電磁放射の量子が、プランク-アインシュタインの関係式によって与えられる周波数νで放出されます: ΔE = hνここで、 hはプランク定数です。逆に、システムが周波数νの光子を吸収すると、そのエネルギーはhνだけ増加します。システムのエネルギーが定量化されると、システムによって放出または吸収される光子の周波数も定量化されます。これは、量子システムのスペクトルが、すべての周波数がさまざまな量で存在する連続スペクトルではなく、一連の離散線で構成されていることを説明しています。
高温のガスは光子を放出することで冷却されます。したがって、観察されるスペクトルは、暗い背景上の一連の明るい線で構成されます。次に、輝線について話します (反対の例)。逆に、ガスが冷たいが連続光源で照らされている場合、ガスは光子を吸収し、スペクトルは明るい背景上の一連の暗い線で構成されます。この場合、吸収線について話します。
吸収線と輝線は各物質に非常に特異的であり、光を通過させる媒体 (通常は気体) の化学組成を簡単に識別するために使用できます。また、ガスの物理的条件にも依存するため、他の方法では分析できない星やその他の天体の化学組成や物理的状態を決定するために広く使用されています。
原子と光子の相互作用以外のメカニズムによってもスペクトル線が生成されることがあります。正確な物理的相互作用 (分子、単一粒子など) に応じて、関与する光子の周波数は大幅に変化し、電波からガンマ線までの電磁スペクトル全体にわたって線が観察されます。
実際には、ラインは完全に決定された周波数を持っているわけではなく、周波数帯域全体に広がっています。この拡大の理由は複数あります。
- 自然広がり: 不確定性原理は励起状態の寿命ΔTとそのエネルギー準位の精度ΔEに関係するため、同じ励起準位でも異なる原子ではわずかに異なるエネルギーを持ちます。この影響は非常に弱いです (通常は数 MHz)。
- ドップラー拡大: ドップラー効果は、線源が観察者から離れるか近づくかに応じて、放射線の赤または青へのシフトを引き起こします。気体の中では、すべての粒子があらゆる方向に移動しているため、スペクトル線が広がります。粒子の速度はその温度に依存するため、気体の温度が高いほど、速度の差が大きくなり、線の幅が広くなります。この効果は通常、自然な広がり（場合によっては約 1 GHz）よりも 1000 倍強力です。
- 衝突広がり: 粒子 (原子または分子) 間の衝突により、そのエネルギー レベルがわずかに変化するため、線が広がります。この効果の大きさはガスの密度によって異なります。
スペクトル線の例
- 水素: 656.3 nm (456.791 THz) および 486.1 nm (616.730 THz)
- イオン化酸素：500.7 nm (598.746 THz)
- 水銀: 404.7 nm (740.777 THz)。 435.8nm (687.912THz); 546.1nm (548.969THz); 577 nm (519.570 THz) および 579.1 nm (517.586 THz)
- ナトリウム: 589 nm (508.985 THz) および 589.6 nm (508.467 THz)
