夫朗和斐谱线是一系列以德国物理学家约瑟夫·夫朗和斐(1787年─1826年)为名的光谱线,这些是最初被当成太阳光谱中的暗特征谱线。

谱线介绍

英国的化学家威廉·海德·沃拉斯顿是在1802年第一位注意到有一定数量的黑暗特征谱线出现在太阳光谱中,夫朗和斐独立的再度发现这些谱线,并且开始系统性的研究与测量这些谱线。最后,他绘出了570条的谱线,并且以字母A到K标示出主要的特征谱线,较弱的则以其他的字母标示。

后来基尔霍夫(Gustav Kirchoff)和罗伯特·本生确认了每一条谱线所对应的化学元素,并推论在太阳光谱中的暗线是由在太阳上层的那些元素吸收造成的,有些被观察到的特征谱线则是地球大气层中的氧分子造成的。

对应元素列

名称 元素 波长 (nm) 名称 元素 波长 (nm)

y 氧(O2) 898.765 c 铁(Fe) 495.761

Z 氧(O2) 822.696 F H β 486.134

A 氧(O2) 759.370 d 铁(Fe) 466.814

B 氧(O2) 686.719 e 铁(Fe) 438.355

C H α 656.281 G' H γ 434.047

a 氧(O2) 627.661 G 铁(Fe) 430.790

D1 钠(Na) 589.592 G 钙(Ca) 430.774

D2 钠(Na) 588.995 h H δ 410.175

D3 (or d) 氦(He) 587.5618 H 钙(Ca+) 396.847

e 汞(Hg) 546.073 K Ca+ 393.368

E2 铁(Fe) 527.039 L 铁(Fe) 382.044

b1 镁(Mg) 518.362 N 铁(Fe) 358.121

b2 镁(Mg) 517.270 P 钛(Ti)+ 336.112

b3 铁(Fe) 516.891 T 铁(Fe) 302.108

b4 铁(Fe) 516.751 t 镍(Ni) 299.444

b4 镁(Mg) 516.733

夫朗和斐谱线中的C-、F-、G'-、和h- 线对应于氢原子巴耳末系的α、β、γ、和δ线,D1和D2线是著名的“钠双线”,中心波长是(589.29 nm)以字母"D"标示的589.29 nm。

注意在一些谱线的字母有分歧,这是夫朗和斐谱线中的d-线,可能对应于铁的蓝色谱线466.814 nm或是氦3(D3)的黄色谱线587.5618 nm;相似的还有e-线,暨对应于汞(水银),也对应于铁。为了解决在使用上出现的二义性,对模拟两可的夫朗和斐谱线会指明对应的元素(也就是汞e-线或铁e-线)。

由于夫朗和斐谱线的波长都已经明确的被定义,所以常被用作说明光学材料的折射率和散射特性。

夫朗和斐谱线也是著名的吸收谱线,因而整个太阳吸收光谱常被称为“夫朗和斐光谱”(夫琅禾费光谱)。

作用

谱线是在均匀且连续的光谱上明亮或黑暗的线条,起因于光子在一个狭窄的频率范围内比附近的其他频率超过或缺乏。

谱线通常是量子系统(通常是原子,但有时会是分子或原子核)和单一光子相互作用产生的。当光子的能量确实与系统内能阶上的一个变化符合时(在原子的情况,通常是电子改变轨道),光子被吸收。然后,它将再自发地发射,可能是与原来相同的频率或是阶段式的,但光子发射的总能量将会与当初吸收的能量相同,而新光子的方向不会与原来的光子方向有任何的关联。

根据气体、光源和观测者三者的几何关系,看见的光谱将会是吸收谱线或发射谱线。如果气体位于光源和观测者之间,在这个频率上光的强度将会减弱,而再发射出来的光子绝大多数会与原来光子的方向不同,因此观测者看见的将是吸收谱线。如果观测者看着气体,但是不在光源的方向上,这时观测者将只会在狭窄的频率上看见再发射出来的光子,因此看见的是发射谱线。

吸收谱线和发射谱线与原子有特定的关系,因此可以很容易的分辨出光线穿越过介质(通常都是气体)的化学成分。有一些元素,像是氦、铊、铈等等,都是透过谱线发现的。光谱线也取决于气体的物理状态,因此它们被广泛的用在恒星和其他天体的化学成分和物理状态的辨识,而且不可能使用其他的方法完成这种工作。

同核异能位移是由于吸收光子的原子核与发射的原子核有不同的电子密度。

除了原子-光子的相互作用外,其他的机制也可以产生谱线。根据确实的物理相互作用(分子、单独的粒子等等)所产生的光子在频率上有广泛的分布,并且可以跨越从无线电波到伽马射线,所有能观测的电磁波频谱。

自然致宽

能量-时间不确定性原理使激发状态的生命期和经确的能量有所关联,所以一种原子在同一受激状态下,在不同的原子之间会有轻微的能量差异。这种致宽效应可以用洛伦兹函数来叙述,并且不会造成谱线的位移。由于不确定性原理,自然致宽可以实验性的做些修改,但只能在有限范围内以人为的予以抑制或提高衰减率。

其他致宽

有些致宽的条件不在本身,而是在太空中广大的区域内,并不是单纯的发射辐射微粒所在地的条件。

不透明致宽:电磁波辐射在太空中传递的路径上,可能有一些特殊点会被吸收,这些吸收与频率有关。谱线的致宽是因为光子在中心线的两翼彼在中心容易被再吸收。实际上,在中心线的吸收远大于两翼因此造成自反变使中心的强度变得比两翼微弱。

旋转致宽:从一个遥远的转动天体,例如恒星,发射的辐射会因为在恒星两测的速度方向相反而引发多普勒效应。转动的越快,谱线致宽越大。