הרחבת לחץ

הרחבת לחץ היא הרחבה ספקטרלית של תווך גזי כתוצאה מהגדלת הלחץ. כאשר מולקולות או אטומים בתווך גזי, או יונים בפלזמה, חוזרים למצב היסוד לאחר שעברו עירור, תתרחש פליטה של קרינה אלקטרומגנטית. תדירויות הקרינה הנפלטת תתפזרנה סביב ערך שיא כלשהו, כאשר רוחב קו הספקטרום נקבע על ידי גורמים שונים שאחד מהם הוא הלחץ. חלקיקים שנמצאים בסמיכות לחלקיק הפולט משפיעים על הקרינה הנפלטת ממנו, והשפעה זו היא הגורם להרחבת הלחץ.

ספקטרום פליטה של חנקן בתחום האור הנראה

ספקטרום רציף.

כאשר לחץ וטמפרטורת הגז או הפלזמה נמוכים, השפעת החלקיקים הנוספים על הקרינה הנפלטת תקטן והספקטרום יהיה קווי יותר. הגדלה של הלחץ תגביר את השפעת החלקיקים הקרובים ותגרום על פי רוב להרחבה והסחה של הקווים, ואף ליצירת ספקטרום רציף.

סוגי הרחבת לחץ

ישנם שני מקרים עיקריים שבאמצעותם עשויה להתרחש הרחבת קו כתוצאה מהגדלת לחץ בגז או בפלזמה:

הרחבת לחץ התנגשותית – ההתנגשות של חלקיקים נוספים עם החלקיק הפולט קרינה מפריעה לתהליך הפליטה. משך ההתנגשות קצר הרבה יותר מזמן החיים (הזמן הממוצע הטבעי לשהייתו של אטום ברמה המעוררת לפני חזרתו לרמה נמוכה יותר), ולכן מקצר את זמן העירור הממוצע ובכך משפיע על הקרינה הנפלטת. האפקט תלוי הן בצפיפות והן בטמפרטורה של התווך. ההתרחבות מתוארת באמצעות פרופיל לורנציאיני ועשויה להילוות לה הסחה.
הרחבת לחץ קוואזי-סטטית – הנוכחות של חלקיקים נוספים מסיחה את רמות האנרגיה של החלקיק הפולט קרינה, ובעצם כך משנה את תדירות הקרינה הנפלטת. במקרה זה, משך זמן ההשפעה של החלקיקים הנוספים ארוך בהרבה מזמן החיים של תהליך הפליטה. אפקט זה תלוי בצפיפות התווך, אך אדיש למדי לטמפרטורה שלו. צורת פרופיל קו הספקטרום נקבעת על ידי פונקציית היחס בין הכוח הגורם לעירור למרחק מהחלקיק הגורם לעירור. להרחבה זו עשויה גם להילוות הסחה המופיעה במרכז הקו הספקטרלי.

ניתן לסווג את הרחבות הלחץ גם לפי אופי הכוח הגורם לעירור:

הרחבת שטארק ליניארית – מתרחשת כתוצאה מאפקט שטארק ליניארי הנוצר באינטראקציה בין חלקיק פולט ושדה חשמלי הגורם להסחה אנרגטית ליניארית בתחום ההשפעה של השדה.
הרחבת תהודה – מתרחשת כאשר החלקיק הגורם לעירור זהה בסוגו לזה של החלקיק הפולט, דבר המעלה את האפשרות של תהליך החלפת אנרגיה.
הרחבת שטארק ריבועית – מתרחשת כתוצאה מאפקט שטארק ריבועי, הנוצר מאינטראקציה בין חלקיק פולט לבין שדה חשמלי הגורם להסחה אנרגטית ריבועית בתחום ההשפעה של השדה.
הרחבת ואן דר ואלס – מתרחשת כאשר החלקיק הפולט מעורר על ידי כוחות ואן דר ואלס. הסחת האנרגיה כפונקציה של המרחק ניתנת בקירוב על ידי מודל הפוטנציאל של לנארד-ג'ונס. פרופיל ואן דר ואלס משמש לא פעם לתיאור המקרה הקוואזי-סטטי (ראו הגדרה לעיל).

שילובי הרחבות

הרחבת לחץ עשויה להופיע בנפרד או במשולב עם הרחבות אחרות. שילובים שונים ייצרו פרופילי ספקטרום שונים (למשל, פרופיל ווגט (Voigt) שהוא מופע של פרופיל הרחבת דופלר במשולב עם פרופיל הרחבת לחץ התנגשותית).

הסבר פיזיקלי

הערה: ההסבר להלן מתייחס להרחבת לחץ התנגשותית.

הגדלת לחץ גז או פלזמה משמעה הגדלת מספר ההתנגשויות בין חלקיקי הגז ביחידת זמן. מאחר שכל התנגשות מקטינה את זמן שהיית המולקולה או האטום ברמה המעוררת (זמן החיים), קטן זמן העירור הממוצע ביחס לזמן החיים הטבעי, ולפי עקרון האי-ודאות של הייזנברג גדל רוחב הקו הספקטרלי. להלן המהלך:

אם $t_{0}$ מסמן את זמן החיים (הזמן הממוצע הטבעי לשהייתו של אטום ברמה המעוררת לפני חזרתו לרמה נמוכה יותר), רוחב הרמה ( $\delta E$ ), לפי תנאי הייזנברג, יהיה:

\delta E\geq {\frac {h}{t_{0}}}

הרוחב התדירותי ( $\delta \nu$ ) ניתן בנוסחה: $\delta \nu =\delta E/h$

ולכן נקבל: $\delta \nu \geq {\frac {1}{t_{0}}}$

בהתייחס לזמן $t_{0}$ קבוע, ולכך שדעיכת מספר האטומים המאכלסים את הרמה בזמן היא על פי רוב מעריכית, גרף התפלגות העוצמה $(I)$ יהווה לורנציאן שנוסחתו:

$I(\omega )={\frac {k}{(\omega +\omega _{0})^{2}+({\frac {1}{t_{0}}})^{2}}}$

רוחב הקו $(\Delta \omega )$ מוגדר כרוחב חצי גובה העוצמה. ולכן, בהתאם לנוסחה, יהיה:

$\Delta \omega ={\frac {2}{t_{0}}}$

במצב של הרחבת לחץ יחושב רוחב הקו בהתייחס לזמן הממוצע בין ההתנגשויות $(\tau _{0})$ , ונקבל:

$\Delta \omega ={\frac {2}{\tau _{0}}}$

מאחר שזמן שהיית אטום ברמה המעוררת $(t_{0})$ הוא מסדר גודל של 10^-8 שניות, ואילו בלחצים הגדולים מכמה טוֹרים, הזמן הממוצע בין ההתנגשויות $(\tau _{0})$ קטן בהרבה, הרחבת הלחץ תהא גדולה מהרוחב הספקטרלי הטבעי.

חשיבות המחקר

צורות קווי הספקטרום מעניקות לחוקרים מידע רב על מצב הפלזמה או הגז (כגון צפיפות האלקטרונים) ובכך תורמות רבות למחקרים שונים בתחומים שונים. כמו כן, פיתוח היכולת למזער הופעת הרחבות לחץ, כמו גם הרחבות ספקטרליות אחרות, השליכה רבות על התפתחות הספקטרוסקופיה, בפרט ספקטרוסקופית לייזרים ואלקטרונים.

ראו גם

לקריאה נוספת

David Salzman: Atomic physics in hot plazmans.
Griem, Hans R. (1974). Spectral Line Broadening by Plasmas. New York: Academic Press.