Linienverbreiterung

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Eine Linienverbreiterung (auch als Verbreiterungsmechanismus bezeichnet) ist in der Physik die meist unerwünschte Vergrößerung der Linienbreite einer Spektrallinie der Strahlung-emittierenden Systeme (z. B. Laser). Die minimale Breite, die aus der Energie-Zeit-Unschärferelation folgt, ist die natürliche Linienbreite. Aus diesem Grund zählt diese Breite nicht zu den Linienverbreiterungen.

Übersicht[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es werden homogene und inhomogene Verbreiterungsmechanismen unterschieden. Bei homogenen Verbreiterungen ist die Emissionswahrscheinlichkeit für eine bestimmte Frequenz für alle Teilchen gleich groß. Bei inhomogenen Verbreiterungen ist diese Wahrscheinlichkeit nicht gleich.

Folgende Tabelle gibt einen Überblick über die verschiedenen Verbreiterungsmechanismen.

Verbreiterung Erklärung
Homogene Mechanismen
Druckverbreiterung (auch Stoßverbreiterung) Entsteht bei Stößen (elastisch und inelastisch) zwischen den Teilchen.
Sättigungsverbreiterung Ist abhängig von der eingestrahlten Laserintensität.
Inhomogene Mechanismen
Dopplerverbreiterung Folgt aus dem optischen Dopplereffekt bei relativ zum Laser bewegten Teilchen.
Flugzeitverbreiterung Tritt auf bei Wechselwirkungszeiten, die kürzer als die natürliche Lebensdauer sind (z. B. wenn die zu vermessenden Teilchen den Laserstrahl mit hoher Geschwindigkeit kreuzen).

Linienverbreiterungen auf Röntgen-, Elektronen- und Neutronenbeugungsaufnahmen können auch durch innere Spannungen der Probe oder dadurch verursacht sein, dass nur ein sehr kleiner Bereich (< 10−5 cm) kohärent streut. Dies wird in der röntgenographischen Spannungsmessung angewandt.

Die auch bei einem fast fehlerfreien Kristall zu erwartende Linienbreite kann durch derartige Effekte verbreitert werden. Auch Stapelfehler und andere Abweichungen von der idealen Kristallstruktur haben einen Einfluss auf das Linienprofil. Das Maß der Verbreiterung erhält man, indem man

  1. eine Vergleichsmessung mit einer Probe durchführt, die diesen Effekt nicht zeigt;
  2. die durch die Versuchsanordnung bedingte Breite rechnerisch berücksichtigt.

Die Linienverbreiterung kann mit verschiedenen Verfahren ausgewertet werden. Für das Linienprofil werden dabei spezielle Funktionen vorausgesetzt, z. B. eine Gauß-Verteilung oder die Cauchy-Verteilung. Mit Hilfe solcher Verfahren ist es möglich, die Linienverbreiterung in einen Gitterverzerrungs- und einen Teilchengrößenanteil zu zerlegen.

Bei der mathematisch aufwendigeren Warren-Averbach-Methode führt man eine Fourier-Analyse des Linienprofils durch, die zu einer Verteilungsfunktion für die Gitterverzerrung und die Teilchengrößen führt.

Dopplerverbreiterung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Dopplerverbreiterung

Wenn in der Geschwindigkeitsverteilung der emittierenden Teilchen alle möglichen Bewegungsrichtungen relativ zum Empfänger vorkommen, ergeben sich positive und negative Dopplerverschiebungen verschiedener Größe. Dadurch wird die Spektrallinie breiter. Mit steigender Temperatur verstärkt sich dieser Effekt.

Stoß- oder Druckverbreiterung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Druckverbreiterung

Strahlung aus heißen Gasen oder Plasmen zeigt eine Linienverbreiterung, die mit dem Druck ansteigt. Die Ursache liegt in den Zusammenstößen der Emittenten, in denen sich die Elektronenhüllen mehr oder weniger stark deformieren. Dadurch werden zum einen die Energieniveaus von Anfangs- und Endzustand des Emittenten verschoben. Zum anderen wird die Lebensdauer des angeregten Zustands durch den Stoß häufig vorzeitig beendet. Beides führt zur Verschiebung von Frequenz bzw. Energie des emittierten Photons.

Weiterführendes[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]