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과학

스펙트럼선 넓어짐

스펙트럼선 넓어짐과학
영문명
Spectral line broadening
대표 물리적 원인
열운동과 입자 충돌
장치의 영향
유한한 분광 분해능
분석 대상
선의 폭과 모양
스펙트럼선 넓어짐은 흡수선이나 방출선이 하나의 정확한 파장에만 나타나지 않고 유한한 폭을 갖는 현상이다. 입자의 운동과 충돌 같은 물리적 원인에 측정 장치의 분해능도 더해져 관측 선 모양이 결정된다.

선의 위치와 폭

스펙트럼선을 설명할 때 중심 파장과 선의 폭은 서로 다른 정보다. 중심이 같은 두 선도 하나는 날카롭고 다른 하나는 넓게 퍼져 보일 수 있다. 넓어진 선을 관측했다고 반드시 여러 종류의 원소가 같은 곳에 겹쳐 있다는 뜻은 아니다.

열운동에 의한 도플러 넓어짐

뜨거운 기체의 원자들은 관측자를 향하거나 멀어지는 여러 속도를 갖는다. 각 원자의 빛에는 속도에 따른 도플러 이동이 생기므로 집단의 선이 넓어진다. 맥스웰 속도 분포라는 조건에서는 가우스 모양으로 다룰 수 있으며, 다른 조건이 같다면 온도가 높을수록 열운동에 의한 폭이 커진다.

충돌에 의한 압력 넓어짐

빛을 내는 입자가 이웃 입자와 상호작용하거나 충돌하는 과정도 선 모양을 바꾼다. 이를 압력 넓어짐으로 묶어 다루며 근사적으로 로런츠 모양을 쓰는 경우가 있다. 플라스마에서는 전자와 이온 같은 하전 입자의 영향이 중요해질 수 있다.

장치의 폭을 구분하기

실제 분광기는 서로 가까운 파장을 무한히 세밀하게 분리하지 못한다. 따라서 관측 폭에는 물질의 성질뿐 아니라 장치가 신호를 퍼뜨리는 효과도 포함된다. 선의 폭으로 온도나 입자 상태를 추정하려면 먼저 장치의 분해능을 고려해야 한다.

관련 문서

스펙트럼 / 분광학 / 도플러 효과 / 온도 / 가우스 함수 / 플라스마 / 제만 효과 / 분해능