谱线的形成和致宽

在各种天体的辐射谱中,往往有许多谱线,有的是发射线,有的是吸收线。谱线是由某种体系的分立能级之间的跃迁形成的。

如果E1和E2是某个体系的两个分立能级,且E2>E1,则当体系从E2向E1跃迁时,发射频率为V=(E2 –E1)/h的辐射;反之,当体系从E1向E2跃迁时,吸收频率为v的辐射。

如果发射过程比吸收过程占优势,就会产生发射线;反之,则产生吸收线。

在恒星光谱中,谱线是由原子、离子和分子的分立能级之间的跃迁引起的。例如,太阳光谱中的D1、D2线和H、K线,分别是由钠原子和钙离子在分立能级间的跃迁造成的。

在射电波段,也有谱线。例如中性氢21厘米谱线就是由氢原子的超精细结构能级之间的跃迁引起的。超精细结构能级是由于原子核的自旋量和电子总角动量之间的耦合产生的(见原子的超精细结构)。在星际云中发现不少毫米波段的谱线,大多数的射电谱线是由各种星际分子的各个转动能级跃迁形成的。

在X射线和γ射线的高能波段也开始发现谱线。例如,在武仙座X-1的X射线谱中发现了58千电子伏的谱线,它可能是由在强磁场中运动的电子朗道能级之间的跃迁形成的。

任何谱线都不是无限窄的,而总有一定的宽度。这种宽度一部分是由于观测仪器的分辨本领总是有限引起的,另一部分则是天体辐射本身所具有的。这种谱线致宽的原因很多,但大体可以分成两类:一类是由于形成谱线的微观体系的能级本身不是无限窄的,而是有一定的宽度。有一定宽度的能级产生的谱线也必然具有一定的宽度,这种宽度称为谱线的自然宽度。这种效应称为辐射阻尼。另一类是由迭加造成的,因为我们观测到的辐射是各个发射或吸收体系辐射的迭加。

一般说来,各个发射或吸收体系所处的运动状态以及与周围物质的相互作用状态各不相同,它们所发射或吸收的频率也各不相同,这就引起谱线的致宽。热动多普勒效应,碰撞阻尼、统计加宽、自转、膨胀和湍动等都可以通过迭加效应使谱线变宽。