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大气中谱线的各种增宽效应的形成机制及特点

大气中谱线的各种增宽效应的形成机制及特点

 

自然增宽——Lorentz线型 原理:自然增宽是由于每个原子所固有的自发辐射跃迁引起原子在能级上的有限寿命而引起的。

原子可以看作由电子和原子核组成的作简谐振动的电偶极子,当 正负电荷之间距离作简谐振动时,原子向外辐射电磁波,且原子 由于自发辐射而不断损失能量,振幅服从阻尼振动规律。衰减振 动不是简谐振动,因此原子辐射的波不是单色的。由于谱线具有 有限宽度,故光谱线加宽了。由于原子发光中能量衰减是必然的, 所以这种加宽机制被称为自然增宽。

图 1 自然增宽的线型函数

特点:自然增宽的谱线具有洛伦兹线型谱,线宽度完全由原子在 能级的自发辐射寿命决定。

碰撞增宽——Lorentz线型 原理:碰撞增宽是由于发光原子间的无规则碰撞造成的。这种碰撞会使原子发光中断或光波位相发生突变,即使发光波列缩短来引起谱线的增宽。

图 2 碰撞增宽的形成机理 特点:碰撞并非指两个原子相撞,而是指两原子间距足够近时,原子间的相互作用力足以改变原子原来的运动状态。 固体、气体材料的原子所发光的谱线都存在碰撞增宽。固体发光的碰撞增宽是由相邻原子之间力的相互作用改变了原子原来的运动状态。一般气体发光时碰撞增宽大于自然增宽。

Doppler增宽——Gauss线型 原理:作为光源的每个发光原子相对于接收器的运动速率和方向都不同造成接收到的发光光波频率变化也不同,造成发光谱线被增宽。 Doppler效应:光源和接收器之间存在相对运动时,接收器接受到的光波频率不等于光源与接收器相对静止时的频率。 特点:光的横向多普勒效应比纵向多普勒效应弱很多,常忽略不计。混合增宽——Voigt线型 混合增宽是均匀增宽和非均匀增宽的叠加。 均匀增宽:自然增宽和碰撞增宽 每个原子发光时,发出整个线型,即对频线宽度内任一频率都有贡献,而且每个原子对于频谱增宽的贡献都是相同的。 引起加宽的物理因素对每个粒子都是等同的,其线型函数为洛伦兹线型。非均匀增宽:多普勒增宽和晶格随机缺陷加宽 多普勒增宽中,相对接收器速度不同的发光粒子其表观频率不同,即各种不同速度的原子对谱线中不同频率有贡献。不同速度原子的作用是不同的,这种增宽叫做非均匀增宽。其线型函数为高斯线型函数。

在30KM高度以下的低层大气中,只考虑压力增宽效应,而在30KM高度以上的高层大气中,只考虑Doppler增宽效应。而在30KM高度附近的大气层中约100hPa-1hPa范围内,必须同时考虑压力增宽效应和Doppler增宽效应的影响。

 

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