スペクトル線

連続スペクトル

輝線（離散スペクトル）

吸収線を含む吸収スペクトル

スペクトル線とは、均一で連続的なスペクトルにおいて、弱い、あるいは強い領域を指します。これは、近傍の周波数と比較して、狭い周波数範囲における光の放出または吸収によって生じます。スペクトル線は、原子や分子の識別によく用いられます。これらの「指紋」は、以前に収集された原子^{[ 1 ]}や分子^{[ 2 ]}の指紋と比較することができ、他の方法では不可能であった恒星や惑星の原子や分子の構成要素の特定に用いられます。

線スペクトルの種類

白熱電球の連続スペクトル（中央）と蛍光灯の離散スペクトル線（下）

スペクトル線は、量子系（通常は原子だが、分子や原子核の場合もある）と単一光子との相互作用によって生じる。光子がシステムのエネルギー状態（原子の場合は通常、電子の軌道変化）を変化させるのに十分なエネルギー（これは光子の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単一光子として、あるいは放出された光子のエネルギーの合計が吸収された光子のエネルギーと等しくなるカスケードとして、自発的に再放出される（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。どちらの線が観測されるかは、物質の種類と、他の輝線源に対するその物質の温度によって異なります。吸収線は、高温で広いスペクトルを持つ光源からの光子が低温の物質を通過する際に生成されます。狭い周波数範囲における光の強度は、物質による吸収とランダムな方向への再放射によって減少します。一方、明るい輝線は、高温の物質からの光子が、低温の光源からの広いスペクトルが存在する状況などで検出された場合に生成されます。狭い周波数範囲における光の強度は、高温の物質からの放射によって増加します。

スペクトル線は原子に非常に特異的であり、あらゆる媒体の化学組成を特定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、いくつかの元素は分光学的手法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、遠方の恒星やその他の天体の物理的組成と状態を特定するために広く利用されています。これらのデータの一部は他の方法では取得または分析できないため、天文学および望遠鏡による探査の発展に伴い、分光学の分野も成長してきました。

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。

命名法

電磁スペクトルの可視部分にある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、カルシウム原子Ca ⁺が単独でイオン化した 393.366 nm の線はKと呼ばれます。ただし、フラウンホーファー「線」の中には、いくつか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、線は化学元素の名称にローマ数字を付加することで、イオン化の程度に応じて指定されます。中性原子はローマ数字のIで、一価イオン化原子はIIで表されます。以下、例を示します。

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。水素原子の多くのスペクトル線は、それぞれの系列内でライマン系列やバルマー系列などの指定も受けます。当初、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・リッツの式によって十分に予測されます。これらの系列は後に亜軌道と関連付けられました。

線の広がりとシフト

スペクトル線の形状をコントロールする効果は数多くあります。スペクトル線は、単一の周波数 (つまり、スペクトル幅) ではなく、ゼロでない周波数範囲を持つ狭い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している場合があります。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、局所的条件による広がりと拡張条件による広がりの 2 つの一般的なカテゴリに分けられます。局所的条件による広がりは、放出要素の周囲の小さな領域 (通常は局所的熱力学的平衡を保証するのに十分小さい) に当てはまる効果によるものです。拡張条件による広がりは、放射が観測者への経路を通過するときに、放射のスペクトル分布が変化することによって生じる場合があります。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も生じる場合があります。

局所的な影響による広がり

自然な広がり

励起状態の寿命は、自然広がり（寿命広がりとも呼ばれる）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。一部の研究者は、「放射広がり」という用語を、特に自発放射崩壊によって引き起こされる自然広がりの部分を指すために使用している。^{[ 4 ]} 寿命が短い場合、エネルギーの不確定性は大きく、放射は広がる。この広がりの影響により、シフトしないローレンツ分布が生じる。自然広がりは、崩壊率を人為的に抑制または増強できる程度にしか実験的に変化させることができない。^{[ 5 ]}

熱ドップラー広がり

放射線を放出する気体中の原子は、速度分布を持っています。放出された各光子は、観測者に対する原子の相対速度に応じて、ドップラー効果によって「赤方」または「青方」にシフトします。気体の温度が高いほど、気体中の速度分布は広がります。スペクトル線は放出された全ての放射線の合成であるため、気体の温度が高いほど、その気体から放出されるスペクトル線は広がります。この広がり効果はガウス分布で記述され、それに伴うシフトは発生しません。

圧力広がり

近傍の粒子の存在は、個々の粒子から放出される放射線に影響を与えます。この現象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は発光過程を中断し、発光過程の特性時間を短縮することで、放出されるエネルギーの不確実性を増加させます（自然広がりと同様に）。^{[ 6 ]}衝突の持続時間は発光過程の寿命よりもはるかに短い。この効果はガスの密度と温度の両方に依存する。広がり効果はローレンツ分布で記述され、それに伴うシフトが生じる可能性がある。
• 準静的圧力広がり：他の粒子の存在は、放射粒子のエネルギー準位をシフトさせ（スペクトルバンドを参照）、それによって放射される放射線の周波数を変化させる。影響の持続時間は、放射過程の寿命よりもはるかに長い。この効果はガスの密度に依存するが、温度には比較的鈍感である。線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によって決定される。線の中心がシフトすることもある。準静的圧力広がりから生じる線形状の一般的な表現は、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ある。^{[ 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、距離にある荷電粒子の電界とエミッター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タイプである場合に発生し、エネルギー交換プロセスの可能性をもたらします。${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{3})}$
• 二次シュタルク広がりは、エミッターと電界の相互作用から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分布^{[注1 ]}が分布を記述するのにしばしば有用です。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部分に与えられます。${\displaystyle (\Delta E\sim 1/r^{6})}$

不均一な広がり

不均一広がりとは、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総称です。この用語は特に固体において用いられます。固体では、表面、粒界、化学量論的変化によって、特定の原子が占有する局所環境が多様化します。液体においては、不均一広がりの影響は、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。

非局所的効果による広がり

特定の種類の広がりは、単に放出粒子の局所的な条件によるのではなく、広い空間領域にわたる条件の結果です。

不透明度の拡大

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。空間の特定の点から放射された電磁放射は、空間を伝播する際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両翼の光子よりも再吸収確率が高いためです。実際、線の中心付近での再吸収は非常に大きく、線の中心の強度が両翼よりも低くなる自己反転を引き起こすことがあります。このプロセスは自己吸収と呼ばれることもあります。

マクロ的なドップラー広がり

移動する放射源から放射される放射線は、視線方向の速度が有限であるため、ドップラー効果の影響を受ける。放射体の異なる部分が視線方向に沿って異なる速度を持つ場合、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する。例えば、恒星のような遠方の回転体から放射される放射線は、恒星の反対側における視線方向の速度変化によって広がる（この効果は通常、回転広がりと呼ばれる）。回転速度が大きいほど、線幅は広くなる。別の例としては、Zピンチにおける爆縮するプラズマシェルが挙げられる。

複合効果

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さって作用することもあります。それぞれの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となります。例えば、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、フォークトプロファイルが得られます。

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ない。例えば、衝突効果と運動ドップラーシフトは整合的に作用し、ある条件下では衝突による線幅の狭まり（ディッケ効果）を引き起こすこともある。

化学元素のスペクトル線

間接照明下における空気の吸収線。ガスが光源と検出器の間に直接存在しない状態です。ここでは、太陽光のフラウンホーファー線と、この太陽光のレイリー散乱が「光源」となっています。これは、晴れた日の午後3時から4時頃、太陽が西にある状態で東を向いた、地平線に近い青空のスペクトルです。

バンド

「スペクトル線」という用語は、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。より短い波長ではエネルギーが高く、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。はるかに短い波長のX 線では、その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。より長い波長はエネルギーが低く、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で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。

参照

• 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

注記

1. 「ファンデルワールス分布」は、ほとんどすべての文献で小文字で表記されている。例えば、クライブ・アンソニー・クロクストン著『液体表面の統計力学』（1980年、ワイリー・インターサイエンス刊、 ISBN 978-4-8533-1111）など。 0-471-27663-4、ISBN 978-0-471-27663-0;また、Journal of Technicalphysics、第 36 巻、Instytut Podstawowych Practiceów Techniki (Polska Akademia Nauk) 著、出版社: Państwowe Wydawn に掲載されています。ナウコウェ、1995、

参考文献

1. Kramida, Alexander; Ralchenko, Yuri (1999), NIST Atomic Spectra Database, NIST Standard Reference Database 78 , National Institute of Standards and Technology , 2021-06-27取得
2. ロスマン、LS;アイオワ州ゴードン。バビコフ、Y.バーベ、A.クリス・ベナー、D.バーナス、PF;バーク、M.ビゾッキ、L.ブードン、V.ブラウン、LR。カンパルグ、A.チャンス、K。 EA、コーエン。ルイジアナ州クーダート。デヴィ、VM;ドルアン、BJ。フェイト、A.フラウド、J.-M.ガマーシュ、RR;ハリソン、JJ。ハートマン、J.-M.ヒル、C.ホッジス、JT;ジャックマート、D.ジョリー、A.ラムルー、J.ル・ロイ、RJ。リー、G。ロング、DA;他。 （2013年）。「HITRAN2012分子分光データベース」定量分光法と放射伝達のジャーナル。130 : 4– 50. Bibcode : 2013JQSRT.130....4R . doi : 10.1016/j.jqsrt.2013.07.002 . ISSN 0022-4073 . 
3. アインシュタイン、アルバート（1905年）。「光の生成と変換に関する発見的観点から」
4. クライノフ, ウラジミール; ライス, ハワード; スミルノフ, ボリス (1997).原子物理学における放射過程. Wiley. doi : 10.1002/3527605606 . ISBN 978-0-471-12533-4。
5. 例えば、以下の論文では、マイクロ波空洞によって減衰が抑制され、自然広がりが減少しました。Gabrielse , Gerald; H. Dehmelt (1985). "Observation of Inhibited Spontaneous Emission". Physical Review Letters . 55 (1): 67– 70. Bibcode : 1985PhRvL..55...67G . doi : 10.1103/PhysRevLett.55.67 . PMID 10031682 . 
6. 「Collisional Broadening」 . Fas.harvard.edu. 2015年9月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年9月24日閲覧。
7. Peach, G. (1981). 「圧力広がりとスペクトル線のシフトの理論」 . Advances in Physics . 30 (3): 367– 474. Bibcode : 1981AdPhy..30..367P . doi : 10.1080/00018738100101467 . 2013年1月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2005年12月9日閲覧。

さらに読む

• グリーム、ハンス・R. (1997). 『プラズマ分光法の原理』ケンブリッジ大学出版局. 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。
• グリーム、ハンス・R. (1964).プラズマ分光法. ニューヨーク: マグロウヒル社.