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自然线宽

光谱线是在二个能级之间原子跃迁时产生的,它不是无限窄,而是有有限的,相当窄的频率范围。原子谱线没有外界因素的影响时,称自然宽度或自然线宽。 [1]

将谱线的强度作为频率υ或波数的函数来表示,就可以得到一条钟形曲线,如概述图所示。谱线宽度一般以δ来衡量,是强度降为最大值一半位置上线的宽度。如图中所表示的那样,光谱线具有一定的宽度,就称为自然线宽。这种自然线宽是由射线阻尼产生的。 [1]

经典理论把一个原子看作为一个振荡电偶极子,电偶极子的振荡向其周围空间发射电磁场,而电磁场发射将使振子的能量耗散,于是振荡幅度逐步衰减下来,发射的电磁场强度也因此逐步减弱。 [2]

然而,从频谱的角度看来,尽管电偶极子具有固有振荡频率ω0,但辐射场随时间的衰减表明它不是纯的正弦振荡,而对应着一定的频带宽度,也就是说,电偶极子发射的电磁场不是单一频率的,而是以频率ω0为中心有一个频率分布,这个频率分布就是自然线宽。 [2]

谱线具有一定宽度起因于测不准原理(uncertainty principle):

式中△t是粒子停留在某一能级上的时间。在核磁共振现象中,核磁矩在某能级停留的时间决定于自旋-自旋的相互作用。而这个作用的时间常数是T2,所以:

按上式计算的谱线宽度叫自然线宽。实际谱线宽度远宽于自然线宽,这是因为磁场的不均匀性也对横向弛豫有贡献,因此产生表观横向弛豫时间T2',

上式变成:

所以,谱线实际宽度相对自然线宽大为增加。 [3]

根据海森堡(Heisenberg)的测不准关系式:

式中,a为一常数

能级的宽度,以及与此相应的谱线宽度取决于所涉及能级的寿命,而且是成反比的。典型的能级寿命是10-8秒。 [1]

因此,自然线宽由激发态原子的有限寿命(10~10s)来决定。寿命越长,宽度越小。原子激发或吸收的过程,总受一定的外界条件影响,如温度、压力、电场、磁场等,均可使原子谱线的宽度变宽(达10nm左右)。


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