Per alcune fonti di luce, come le lampade a scarica e vari laser, lo spettro ottico mostra linee spettrali chiaramente definite, cioè, Queste sono legate a transizioni di atomi, ioni o molecole da qualche stato eccitato a un livello elettronico inferiore. L’energia del fotone hν = h c / λ è vicina alla differenza di energie di livello, che quindi determina la lunghezza d’onda ottica della linea di emissione spettrale.
A volte, linee di emissione discrete sono osservate in cima ad uno spettro continuo.
Succede anche che uno spettro ottico continuo esibisca dei cali discreti, che sono causati dall’assorbimento della luce a certe lunghezze d’onda.Tali linee di assorbimento sono di solito legate a transizioni elettroniche, questa volta da livelli di energia più bassi a livelli più alti; se il livello più basso è lo stato di terra elettronico, si tratta di assorbimento allo stato di terra (GSA), altrimenti di assorbimento allo stato eccitato (ESA); tali linee di assorbimento sono state osservate, per esempio, nella luce solare (linee di Fraunhofer, scoperte da Joseph von Fraunhofer), e hanno portato alla scoperta dell’elio prima che fosse trovato sulla Terra.Le linee di assorbimento possono anche essere studiate in laboratorio, per esempio con fonti di luce a banda larga e spettrografi o con la spettroscopia di assorbimento laser a scansione.
Linee di assorbimento ed emissione simili si osservano anche con mezzi a stato solido come i cristalli laser.Qui, tuttavia, le caratteristiche di assorbimento ed emissione sono spesso sostanzialmente più ampie a causa delle interazioni delle specie assorbenti o emittenti con il materiale ospite.
Le linee di assorbimento e di emissione osservate sono spesso caratteristiche di determinate sostanze e possono quindi essere utilizzate come impronte digitali spettrali, ad esempio per il rilevamento di inquinanti ambientali nell’atmosfera.È anche possibile misurare le concentrazioni (o densità numerica) attraverso la loro relazione con il coefficiente di assorbimento, utilizzando la legge di Beer-Lambert.
C’è una serie di linee spettrali standard che sono spesso utilizzate come riferimenti di lunghezza d’onda, ad es.
Larghezza e forma delle linee spettrali
Le linee spettrali mostrano sempre una larghezza di linea finita, che può avere diverse origini:
- Alle alte pressioni dei gas, le collisioni sono frequenti.Queste portano all’allargamento collisionale (o allargamento di pressione) delle linee. Essenzialmente, gli atomi emittenti sono frequentemente disturbati da collisioni durante la loro radiazione, così che la fase ottica non può evolvere in modo continuo su tempi più lunghi.
- Ci sono spostamenti Doppler dovuti al movimento termico delle particelle radianti.Questo porta al cosiddetto allargamento Doppler, la cui grandezza dipende dalla temperatura.Ci sono metodi di spettroscopia senza Doppler, che eliminano in gran parte l’effetto dell’allargamento Doppler.
- Anche senza alcun movimento, c’è una larghezza di linea naturale, che è limitata dalla vita dello stato superiore (allargamento della vita).
- Come detto sopra, gli atomi o gli ioni emittenti o assorbenti nei solidi spesso esibiscono linee di assorbimento ed emissione allargate a causa delle interazioni con il materiale ospite.Per esempio, ci possono essere effetti Stark causati da campi elettrici.Se diversi atomi o ioni sperimentano diverse modifiche delle caratteristiche della linea, l’allargamento risultante è chiamato allargamento disomogeneo.
I più piccoli valori di larghezza di linea – ben al di sotto di 1 Hz – possono essere raggiunti con certe transizioni proibite, che possono avere una larghezza di linea naturale molto piccola, quando si sopprimono anche vari altri contributi alla larghezza di linea.Sono stati sviluppati metodi di spettroscopia ultra-precisa per tali misure.Le larghezze di linea estremamente piccole sono anche sfruttate negli standard di frequenza ottica per gli orologi ottici.Qui, l’emissione di un laser è stabilizzata su una linea spettrale stretta tale che la larghezza di linea del laser è anche molto inferiore alla larghezza della linea spettrale.
La forma della linea, cioè, La forma della linea, cioè la forma dello spettro ottico, è spesso legata al meccanismo dominante di allargamento della linea. Per esempio, le linee lorentziane sono spesso osservate quando l’allargamento della durata è dominante, mentre l’allargamento Doppler porta a forme di linea gaussiane.
La luce a banda molto stretta di certe linee spettrali è spesso considerata quasi monocromatica.
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Vedi anche: spettro ottico, lunghezza d’onda, linee spettrali standard, linee laser, lampade spettrali, larghezza di linea, allargamento Doppler
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